Obsah sborníku | Časopis BIOM, články a sborníky | Domovská stránka     

Pevná biopaliva - doplňkový energetický zdroj

Václav Sladký

Anotace

Organická hmota rostlinného původu, vznikající na Zemi v důsledku fenoménu fotosyntézy z CO₂ z ovzduší, vody a minerálních látek vázáním části dopadající energie ze Slunce, představuje nejdůležitější složku obnovitelných energií, které lidstvo může ke krytí svých energetických potřeb využívat. Je to zejména dřevní hmota stromů a stébla jednoletých a víceletých rostlin, které po určitých úpravách a usušení mohou být využívány u nás především jako náhrada ekologicky méně vhodných druhů hnědého uhlí. V biopalivech naprosto převažují paliva pevná s výhřevností od 8 MJ/kg do 18 MJ/kg, nad palivy kapalnými jako je bionafta a rostlinné oleje s výhřevností až 38 MJ/kg a nad palivy plynnými jako je dřevní plyn s výhřevností kolem 5 MJ/m³ a bioplyn s výhřevností kolem 26 MJ/m³

Summary

An organic matter of plant origin, generated on Earth in consequence of the photosythesis phenomenon from the atmosferic CO₂, water and minerals through binding of solar incident energy part represents the most important component of renewable energies which can be used by mankind to cover its energy needs.

It concers particularly the tree wooden mass and both annual and perennial crops which may be used mainly as replacenent of ecologically unsuitable brown coal types.

In the field of biofuels the solid one dominate of the heat value from 8 MJ/kg to 18 Mj/kg above the liq uid fuels, e.g. vegetable oils of the heat value up to 38 MJ/kg and gasseous one, e.g. wooden gas of the heat value 5 MJ/m³ and biogas of the heat value 26 MJ/m³.

Úvod

Účelové využívání ohně se objevuje poprvé asi před 400 tisíci lety, ale teprve 3 tisíce let před naším letopočtem se prostý ohřev doplňuje technologií tavení kovů a začíná civilizace. Energie biomasy, živé síly, doplněná energií vody a větru, byly postupně nahrazovány novým fenoménem – fosilními palivy teprve v posledních 250 letech, kdy vynález parního stroje zahájil průmyslovou revoluci. V souvislosti s tím začal prudce narůstat počet obyvatel na Zemi a spotřeba energie. Dnešní Evropan spotřebovává dvacetkrát a Američan třicetkrát více energie než tomu bylo ve středověku. Tyto nároky obnovitelné zdroje nemohou krýt, ale postupně zůstanou, včetně sluneční energie jako prvotního zdroje, jako jediné, protože zásoby fosilních paliv jsou vyčerpatelné. Česká republika při těžbě uhlí ve výši cca 70 – 80 mil. tun ročně má využitelné zásoby na 20 - 30 let; vlastní ropa a zemní plyn kryjí sotva 1 % potřeby. Současné skutečné plýtvání energetickými zdroji jde vesměs na účet budoucích generací, ale i na účet životního prostředí dnešních obyvatel republiky.

Český venkov byl historicky vždy energeticky soběstačný, nepočítáme-li potřebu petroleje ke svícení. Lidská a potahová síla byly však nahrazeny stroji poháněnými ropnými palivy nebo elektřinou a dřevo a stébelniny jako zdroj tepla byly nahrazeny především hnědým uhlím. Tak se naše vesnice v zimním období často stávaly skutečnými “plynovými komorami” zabalenými do dýmu ze špatně spalovaného nevhodného uhlí. Přitom již dnešní energetický potenciál biopaliv našeho venkova, odhadovaný na 5 – 7 mil. tun by mohl krýt veškeré potřeby v teple v sídlech s počtem obyvatel do 10 000 a výhledově s využíváním cca 400 tis. ha dnes ladem ležící zemědělské půdy by mohla část produkce biopaliv být uplatněna i na trhu paliv. Není tomu tak proto, že státní dotace, resp. daně obyvatelstva, vyrovnávají přímé i nepřímé náklady na fosilní paliva, která jsou stále nedostatečně levná. Levné hnědé uhlí, podílející se na energetickém zajištění republiky více než 60 %, umožňuje i levnou výrobu elektřiny a nepřímo tak plýtvání energií v ČR; se spotřebou více jak dvojnásobnou na jednotku výroby v porovnání s ostatními vyspělými státy Evropy. Odhaduje se, že krytí těžbou uhlí vyvozených nepřímých nákladů jako jsou například náklady na rekultivaci krajiny, likvidaci škod v přírodě a na zdraví lidí, připravuje průměrnou českou rodinu o cca 50 000 Kč ročně.

Situace se však postupně začíná měnit, naši výrobci dodali na náš trh více než 30 000 ks speciálních “dřevozplynujících” kotlů na dřevo pro rodinné domky a menší objekty s tepelným výkonem od 20 do 100 kW, v provozu je řada kotlů na dřevní odpad a slámu s tepelným výkonem od 100 kW do 10 MW u podniků dřevozpracujícího průmyslu, takže v poslední době již podíl biopaliv v ČR stoupl z 0,6 na cca 1,1 %. Přesto dál v lesích hnije nebo se po těžbě spaluje asi 30 mil. m³ dřevního dopadu, ještě se stále piliny z pil vyváží na skládky a na polních stozích mizí až 25 % sklizené slámy, když dalších 33 % slámy obilovin a olejnin se po sklizni zrna s malým hnojivým efektem zaorává. Příčin, proč se u nás energetické využívání biopaliv nerozvíjí tak jako v sousedním Rakousku nebo Dánsku či Švédsku, je několik:

• již zmíněné neobjektivní ceny fosilních paliv dodávaných s výjimkou pohonných hmot pod úroveň výrobních nebo dovozních nákladů, např. zemní plyn se prodává levněji než nakupuje;
• státem dotovaná plošná plynofikace a elektrické přímotopy i na venkově;
• rozmanitost forem biomasy, různost obsahu vody a výhřevnosti, jejich vyšší objemová a tím skladovací a dopravní náročnost;
• nezbytnost zavedení nových technologií sklizně; zpracování včetně sušení a tvarování – lisování, vyžadují přídavné investice;
• nezbytnost uplatnění nových zařízení na spalování nebo alespoň doplňkových zařízení ke stávajícím kotlům;
• neexistence větších podnikatelských záměrů a podniků, které by se těmito druhy paliv profesionálně zaobíraly;
• nedostatek finančních prostředků pro realizaci i takových záměrů, které předem prokazují efektivnost;
• ěkké normy na ochranu životního prostředí pro spalování fosilních paliv, nízké daně k ochraně před emisemi;
• nedostatečné podchycení celé oblasti využívání obnovitelných zdrojů v celostátní koncepci energetické politiky.

Kladem však je, že výzkumně vývojová základna přes různá omezení a potíže, založená na uplatňování zahraničních poznatků, spolupráci výzkumných ústavů a vývojových oddělení výrobců a na zájmu řady institucí i občanů, vyrovnává krok se zahraničím a připravila pro praxi řadu řešení, která v budoucnu určitě najdou široké uplatnění. Projevuje se to zejména v oblastech pěstování, sklizně, sušení, zpracování a spalování biopaliv.

Příspěvek k problematice biopaliv na tomto semináři má za úkol seznámit průmyslové energetiky se základními poznatky a faktory, ovlivňujícími využívání biopaliv v širším měřítku.

Základní charakteristika pevných biopaliv

Fotosyntéza umožňuje rostlinám pomocí zeleného barviva – chlorofylu zachycovat do organických sloučenin – celulóz, cukrů, škrobů, ligninu, tuků a bílkovin 0,5 až 6,5 % dopadající sluneční energie. U kulturních plodin se pohybuje využití sluneční energie asi do 2,5 %, u některých “plevelů” a subtropických a tropických rostlin je schopnost účinnější. Jedná se právě o perspektivní energetické rostliny, které budou patřit do druhé skupiny. Jestliže výnosy dnešních “kulturních” rostlin se pohybují kolem 10 t suché hmoty po hektaru, u energetických rostlin jako je křídlatka (polygonum cuspidatum), je to dnes již 30 – 60 t/ha a to genetické šlechtění je teprve před námi. K těmto hodnotám se již dnes přibližují různé druhy šťovíků, rákosovitých travin, zatímco u dřevin – topolů a vrb se dosahuje v přepočtu na sušinu 10 – 15 t/ha/rok. Sláma řepky dosahuje 7 – 8 i více tun/ha, ale současné sklizňové technologie, stejné jako u obilovin, podmiňují vysoké ztráty (strniště, drť, propad), takže se prakticky sklízí pouze asi 3 t/ha. Stejně tak odpad z lesní těžby v přepočtu na 1 ha nepřekračuje 2 tuny.

Celoročně se váže do organické hmoty na zemi asi 100 miliard tun CO₂, což je asi 1/7 obsahu CO₂ v ovzduší a dalších 100 miliard pouze rostlinami “proběhne” jako energetický zdroj pro zachování jejich života. Veškerý CO₂ vázaný v rostlinách se však opět dříve nebo později do ovzduší vrací – v menší míře spálením, ve větší míře zetlením odumřelé hmoty buď přímo nebo po průchodu přes živočichy, jimž se tak předává část živin a energie. Průměrná perioda života rostlin, tvořených převážně stromy, je asi 10 let, takže celkový potenciál organické hmoty rostlin na Zemi je asi desetinásobek ročního nárůstu a likvidace hmoty. Protože část hmoty rostlin je energeticky nevyužitelná (kořeny, slabé větvičky, listy, jehličí), může se teoreticky počítat s tím, že se využitelná jeví cca 50% část ročně narostlé hmoty. I to však je 6 až 7krát více, než lidstvo v energetické oblasti ke krytí svých potřeb vyžaduje. Asi 2 % narostlé organické hmoty se využívají k výživě lidí a zvířat a k průmyslovému zpracování, např. k výrobě papíru 1 %. K energetických účelům se ve světě využívá asi 1 miliardy tun (v přepočtu na kamenné uhlí), což kryje asi 10 % světové potřeby primární energie.

Strukturu vývoje využívání primárních energetických zdrojů ve světě uvádí tab. 1 a potenciál pevných biopaliv v České republice tab. 2.

tab. 1

Vývoj struktury spotřeby energetických zdrojů na světě

tab. 2

Teoretický potenciál fytopaliv v ČR, úroveň 1995

Poznámka: Venkov = sídla do 10 000 obyvatel

Základní fyzikální a mechanické vlastnosti pevných biopaliv

Pevná biopaliva mohou mít podle druhu, původu, místa a doby sklizně nebo vzniku desítky různých forem, struktury, obsahu vody a výhřevnosti. Přesto je možno jejich základní kvalifikaci soustředit do několika skupin a dále s nimi pracovat a uvažovat.

tab. 3

Vlastnosti pevných biopaliv, obsah vody, výhřevnost, popel

Poznámka: př = převládající stav

tab. 4

Složení pevných paliv s obsahem vody do 15 %

Poznámka: Do 100 % doplňuje hodnoty popel a voda

Biopaliva se v porovnání k fosilním palivům vyznačují vysokým stupněm okysličení, tj. podílem kyslíku a tím sníženou výhřevností a vysokým podílem při teplotě přes 200°C snadno zplyňujících látek – až 80 %. To je základní odlišnost od fosilních paliv, která musí být zohledněna při spalování biopaliv zajištěním dostatečného prostoru v topeništích a za nimi k prohoření vznikajících spalných plynů. Nejvýraznější je rozdíl mezi biopalivy a koksem, který teplo předává především sáláním tepla ze žhnoucího paliva, zatímco radiace u biopaliv chybí a teplo se předává konvekcí z vyhořelých spalin.

Hnědé uhlí tvoří přechod mezi klasickými fosilními palivy a biopalivy pro svůj vysoký podíl zplyňujících látek. Proto se také kotle na hnědé uhlí snáze přizpůsobují spalování biopaliv nebo společnému spalování biopaliv a hnědého uhlí než kotle na koks, které musí být nezbytně doplněny předtopeništěm na zplyňování a prohoření spalných plynů.

Další základní fyzikální hodnotou biopaliv je měrná objemová hmotnost, která se pohybuje od cca 40 kg/m³ sypaného nejlehčího paliva až do cca 1,6 t/m³ absolutní hmotnosti u nejvíce slisovaných briket a pelet. V sypném, nerovnaném stavu, ovšem i brikety a pelety vzhledem k mezerovitosti dosahují objemové hmotnosti kolem 500 kg/m³. O tom svědčí tab. 5 a tab. 6.

tab. 5

Objemové hmotnosti paliv ze slámy

Poznámka: Pelety a granule ………do průměru 20 mm

Brikety …………………průměr 40 – 90 mm

tab. 6

Objemové hmotnosti paliv ze dřeva

Prostředky pro výrobu a standardizaci pevných biopaliv

Technologie pro zpracování biopaliv pro spalování přijatelných forem se rozlišují podle základních hledisek a to:

Z uvedeného vyplývá veliká variabilita metod výroby a zpracování pevných biopaliv, jejíž podrobné hodnocení a rozbory nemohou pro omezený rozsah být předmětem tohoto referátu a proto bude uveden jen stručný orientační přehled.

Výroba paliv ze slámy

Slámy obilovin a řepky a řada dalších stébelnin se sklízí pro energetické účely v létě bezprostředně po sklizni zrna a to výhradně z řádků položených za sklízecí mlátičkou na relativně vysoké strniště, umožňující proschnutí stébelnin během několika dnů pěkného počasí. Stébelniny se sklízí při vlhkosti 15 – 20 % některými z těchto strojů, taženými kolovými traktory:

• sběracími vozy o ložném obsahu 40 – 70 m³ s ukládkou sklizené slámy většinou do polních stohů nebo do krytých skladů, které mohou být vybaveny mechanickým manipulačním zařízením, výhodné je použití řezacího ústrojí,
• sběracími lisy na lisování stébelnin do standardních “malých” balíků o hmotnosti 5 –10 kg, přičemž se vyrobené balíky zpravidla dopravují na tažený nebo vedle jedoucí dopravní prostředek. Skladování většinou pod střechou s ruční manipulací, která však nevylučuje použití různých typů dopravníků, event. drapákových jeřábů,
• sběracími lisy na obří válcové nebo kvádrové balíky s hmotností do 400 kg, které se jednotlivě nebo skupinově odkládají na pozemek a následně mechanizovaně nakládají na dopravní prostředky. Uskladnění pod střechou nebo ve stohu, který se pak přikrývá řezankou ze slámy nebo folií. Technologie “obřích” balíků začíná v současné době převládat, neboť je vysoce výkonná (až 3 ha za hodinu) a balíky se mohou ekonomicky přepravovat až na vzdálenost 40 km a při skladování zabírají zlomek prostoru na rozdíl od ostatních forem,
• sběrací závěsné nebo samojízdné sklízecí řezačky upravující materiál do formy snadno manipulovatelné řezanky, jako vhodné formy pro každé následující tvarové zpracování. Na poli vyrobená řezanka se odváží velkoobjemovými vozy a skladuje buď ve stozích pomocí stohařů a pneumatických dopravníků nebo ve skladech s vhodnou manipulační technikou.

V současné době se kromě tažených sklizňových strojů na stébelniny vyvíjejí a ověřují i samojízdné sklizňové stroje s vyšší kulturou práce a vyšším výkonem. Kromě toho se objevily i stroje, které některé energetické plodiny, například energetické TRITICALE (celá rostlina, sláma i zrno) sklízejí jako žací stroje “nastojato”.

Výjimečným strojem je kombinace sklízecí řezačky s briketovacím lisem, umožňujícím výrobu topných slaměných briket nebo pelet přímo při sklizni na poli s výkonností kolem 5 t za hodinu. Podmínkou jeho efektivního využívání je maximální využití během sklizně i během roku jako stacionárního zařízení, protože jeho pořizovací cena je zatím vysoká. Systém však přináší mnoho provozních výhod, především na větší přepravní vzdálenosti podstatnou úsporu skladovacího prostoru a automatizaci přikládání a provozu kotlů bez zbytečných technologických mezičlánků.

Samojízdné sklízecí řezačky představují přechod ke speciálním strojům na sklizeň “polního dříví” z plantáží vrb a topolů, které s vhodnými adaptéry jsou schopné sklízet až do průměru kmínku 8 – 10 cm s výkonem až 1 ha/h, tj. cca 50 t/h.

Náklady na sklizeň stébelnin se pohybují od 300 do 500 Kč/t u sběracích vozů a lisů, u řezaček kolem 700 Kč/t a u briketovacích samojízdných lisů se odhadují na 1 200 – 1 500 Kč/t (stroj v ČR nebyl dosud ověřován) a to včetně dopravy.

Zvláštní technologií se může jevit sklizeň pozdě dozrávajících stébelnin až na jaře a sklizeň rákosovin v zimě na umrzlém, před tím málo únosném povrchu.

Posklizňové zpracování stébelnin

Posklizňové ošetření u stébelnin se zpravidla omezuje jen na uskladnění pod střechou se zajištěním provětrávání skladu přirozeným průvanem. V kotelnách přes 100 kW tepelného výkonu se využívají obří balíky tak, jak byly při sklizni vyrobeny, a to tak, že se různým zařízením rozpojují na volnou slámu, nebo se ve velkých topeništích spalují celé. Pro menší kotle se buď používají standardní malé balíky (5 – 10 kg) nebo se sláma v samostatné zpracovatelské lince briketuje nebo peletuje. Této operaci zpravidla předchází řezání nebo šrotování slámy. Tyto následné operace zvyšují náklady na palivo více než dvojnásobně, k úsporám dochází však při manipulaci, dopravě a skladování.

Přebytky slámy obilovin a olejnin, případně záměrné pěstování energetických stébelnin v množství několika milionů tun ročně mohou na jedné straně ekonomicky pomoci zemědělským podnikům zlepšit finanční situaci, spotřebitelům pevných paliv poskytnou ekologické palivo za přijatelnou cenu. Optimální je, jestliže se v místních podmínkách spojí zájmy výrobců i odběratelů paliva a tepla v jednotný organizační celek.

Zpracování dřevních paliv

Přibližně 70 % palivového dříví se spotřebovává ve formě polen a polínek, které se připravují běžným těžebním postupem lesního hospodářství, případně se konečná fáze zajišťuje kombinovanými řezacími a štípacími stroji. Tato paliva jsou určena pro vytápění rodinných domů a zpravidla se při tom spotřebitel neobjede bez ruční práce.

Asi 15 – 20 % dřevního paliva se spaluje ve formě dřevní štěpky vyráběné zpravidla z méně hodnotného, odpadového dřeva, tenčiny, dřevního šrotu, kůry a z výnosů plantáží rychlerostoucích dřevin některými ze tří systémů štěpkovacích strojů. Štěpkovače jsou v mobilním provedení poháněny traktorem nebo elektromotorem ve stacionárním provedení. Výkony motorů těchto strojů se pohybují od cca 4 kW (drtiče větví) až po 200 kW u velkých štěpkovačů. Zvláštností ověřovanou teprve v posledních letech je samojízdná sklízecí řezačka na kukuřici vybavená sklízecím (odřezávacím) adaptérem a zesíleným řezacím ústrojím. Ve speciálních topeništích je možno vedle štěpky spalovat i piliny nebo dřevní brusný prach, avšak tato forma dřevního paliva je stále více měněna na formu briket nebo pelet, které mají univerzálnější využití i u malých kotlů a umožňují, především pelety, automatizaci provozu i relativně malých kotlů – pro rodinné domky.

Výrobní cena dřevních briket může být i nižší než u briket slaměných, jestliže se zpracovává vyslovený odpad truhlářské výroby, který není třeba sušit a šrotovat před briketováním. Výrobní cena briket se pohybuje zhruba od 1 000 do 2 500 Kč/t.

Dělená sklizeň dřevin z plantáží

Dřeviny z plantáží (topoly, vrby) se sklízí prakticky v “živém stavu” i když většinou v období vegetačního klidu s menším obsahem vody (kolem 55 %) bez listí. Protože takto sklizená hmota ve formě štěpky ve skladech obtížně a s velkými ztrátami dosychá, byly ve Švédsku vyvinuty metody sklizně “snopkováním”, při kterých se odříznuté kmínky váží do snopků o hmotnosti až 2 – 3 tuny, které se na vhodných místech mechanizovaně ukládají tak, aby přes léto doschly na obsah vody pod 30 %. Na podzim, před topnou sezónou se seštěpkují a štěpka se naváží ke kotelnám. Jedná se o jednu operaci navíc, ale dosahuje se kvalitního paliva. Podobně se zpracovává i odpad lesní těžby, který se nechává v lese na hromadách zaschnout a po opadu jehličí se v relativně suchém stavu štěpkuje.

Na rozdíl od slámy, která se zpracovává většinou běžnými zemědělskými sklizňovými stroji, vyžaduje dřevní palivo speciální stroje od ručních motorových pil k manipulační technice, přes štěpkovače až ke speciálním strojům na sklizeň “polního dříví” z plantáží. Se slaměnými palivy bývají shodné briketovací a peletovací lisy. Polínková forma dřevního paliva patří vedle balíkované slámy k nejlevnějším biopalivům, dřevní brikety z tvrdého dřeva naopak k nejdražším. Perspektivním dřevním palivem je dřevní štěpka s obsahem vody pod 30 %, tzn. z částečně vysušeného dřeva, ze suchého dřeva pak brikety a pelety.

Spalování pevných biopaliv

Spalování biopaliv, resp. zajištění rozvoje spalování v souvislosti s náhradou fosilních paliv nastoluje řadu problematik charakteru technického, ekonomického, ekologického i politického, neboť dochází ke střetávání nejrůznějších zájmů občanů a institucí. Problémy jsou složitější v naší republice, protože stát zatím nevytvořil vhodný rámec pro uplatňování biopaliv jako v jiných zemích, kde daňová a dotační politika působí k rozvoji používání biopaliv příznivě. Uhelná, plynárenská a elektrárenská loby zatím příliš biopalivům nepřejí.

Technická hlediska používání biopaliv

Biopaliva se vyznačují dvěma odlišnostmi od fosilních paliv:

• jsou v přirozeném, původním stavu lehčí, objemnější,
• mají vysoký obsah zplyňujících látek, mohou mít i větší obsah vody.

Tyto dva faktory vyžadují, aby topeniště všech typů a výkonností byla podstatně větší a to jednak pro dosušení paliva před jeho zapálením, jednak musí být zajištěno dokonalé promíchání spalných plynů se vzduchem a to jak s primárním, který přichází do paliva a ovlivňuje výkon topeniště, tak se sekundárním, případně terciálním, které ovlivňují dokonalost prohoření a hladinu škodlivých emisí.

Bylo prokázáno, že při spalování biomasy musí být přebytek spalného vzduchu LAMBDA 2 až 3 a tak byly zajištěny minimální emise CO a spalné plyny musí dohořet v neochlazované dohořívací komoře při teplotách do 1 100°C dříve, než přijdou do styku s teplosměnnými plochami. To znamená, že u dokonalejších topenišť a kotlů se nahrazuje radiační složka přestupu tepla, běžná u kotlů na spalování koksu a černého uhlí. Oddělené přívody primárního a sekundárního vzduchu se používají u všech kotlů – i u nejmenších pro vytápění rodinných domků. Sekundární vzduch by měl být vždy předehřátý, aby nedocházelo ke zbytečnému ochlazování plamene a směšování by mělo být výrazně turbulentní.

Kotle a topeniště na pevná biopaliva

Podle tepelného výkonu, místa používání, typu paliva a případné kombinace paliv se rozlišuje několik skupin topenišť na spalování biopaliv:

1. Dřevozplyňující kotle s výkonem 20 – 100 kW pro rodinné domky a menší budovy s charakteristickým provedením horního zásobníku – zplyňovače paliva, středovou tryskou hořících plynů s přívodem sekundárního vzduchu, prohořívací komorou a systémem teplosměnných ploch. Zplyňovací komora je plněna kusovým palivem, jehož zásoba vydrží 4 - 8 hodin trvalého provozu. V ČR tyto kotle vyrábí několik firem, z nichž nejvýznamnější jsou ATMOS – CANKAŘ, VERNER, EKEN, STS JINDŘICHŮV HRADEC. Těchto kotlů bylo na český trh dodáno asi 30 000 kusů a jejich cena se pohybuje od 20 do 50 000 Kč. Jako palivo slouží polínkové dříví s délkou do 50 cm a průměrem do 15 cm nebo dřevní a slaměné brikety. Pokusy o automatizaci provozu s naštěpkovaným palivem nebyly u těchto kotlů zatím příliš úspěšné.
2. Automatické kotle na spalování dřevní štěpky a pelet s tepelným výkonem 100 – 600 (1 000 kW) pro větší budovy a menší komplexy budov tvořené mechanizovanou násypkou paliva, šnekovým vkladačem, topeništěm s vynášecím šnekovým dopravníkem popele, dohořívací komorou a soustavou teplosměnných trubek. Topeniště, dohořívací komora a teplosměnná část jsou umístěny nad sebou a v některých případech jsou snadno od sebe z důvodů oprav oddělitelné. Kotle na štěpku dodává firma ŠAMATA a firma BIOPAL dodává speciální kotle s originálním způsobem plnění a odhořívání pelet. Do této kategorie patří i kotle dodávané firmou VYNCKE.
3. Automatické kotle na spalování rozpojené slámy s výkonem od 400 do 1 800 kW pro vytápění skupiny budov nebo menších obcí pozůstávající kromě vlastního kotle s dostatečně velkým topeništěm ještě z rozpojovače obřích balíků a soustavy vzduchových a šnekových dopravníků. Rozpojovač balíků je spojen se zásobníkovým stolem pro několik balíků. Tyto kotle dodává firma VERNER, firma TRACTANT FABRI a dováží firmy DANAKTA a CLAUHAN.
4. Velké automatické kotle na spalování dřevního paliva s výkonem do 10 MW v provedení na spalování suché štěpky a pilin s “muldovým” odhoříváním a na spalování dřevního paliva s vyšším obsahem vody se spádovým roštem vyrábí firma ČKD DUKLA a firma ROUČKA a dováží firma CLAUHAN z Dánska od výrobce VŘLUND. Tyto kotle mohou spalovat i slámu, kusové dřevo, kůru a jsou v provozu v celulózce PASKOV a výtopně PELHŘIMOV.
5. Rekonstrukce kotlů na uhlí na spalování biopaliv byly konstrukčně řešeny jednak ve VÚZT Řepy pro použití v zemědělství s výkonem do 1 MW a na Vysoké škole báňské pro kotle přes 1 MW – zde ovšem se jedná o řešení společného spalování hnědého uhlí a biopaliv.

• Rekonstrukce litinových kotlů VSB IV na spalování biopaliv s využitím předtopeniště spočívá v úpravě kotle VSB IV na plynové provedení vyjmutím roštu a opatření spalovacího původního prostoru šamotovou vyzdívkou, která po zahřátí plní funkci radiačního zářiče tepla do teplosměnných ploch, nové výstavbě zplyňovacího předtopeniště se sesypným roštem a dohořívací komorou. Zařízení je doplněno dopravníkem paliva ze skladu s mechanickou uzávěrou a elektronickým systémem řízení tepelného výkonu. Palivem je dřevní štěpka, piliny, dřevní a slaměné brikety, případně kusové dřevo. Systém podstatně zvedl účinnost využití energie až na 90 %, podstatně zlepšil stav emisí a umožnil i nadále využívat litinové kotle VSB IV s dlouhou životností. Rekonstrukce umožnila využívat místních zdrojů levných biopaliv všeho druhu a podstatně tak snížit náklady na palivo. Řešení má naději na opakovatelnost prakticky ve většině kotelen s kotli VSB IV a bylo proto podpořeno továrnou ŽDB VIADRUS. Zařízení je určeno pro výkony 300 – 600 kW.
• Rekonstrukce stávajících kotlů spalujících hnědé uhlí byla řešena VŠB OSTRAVA pro kotle s pohyblivými i pevnými rošty a pozůstávalo především v zajištění pomocných dopravních cest přídavného paliva na vrstvu uhlí, neboť přimíchávání dřevního paliva přímo do uhlí před kotlem se pro značnou nerovnoměrnost neosvědčilo. Přídavek 30 až 50 % dřevního paliva k uhlí nečinil z hlediska výkonu kotle žádné potíže, zmenšilo se podstatně množství popele a klesly emise SO₂. Podmínkou bylo rozvedení sekundárního, ohřátého vzduchu do plamene, který se prodloužil. Jako palivo se příliš neosvědčily piliny, které jednak propadávaly roštem do vzduchových komor, jednak se dostávaly v nedohořelém stavu do odtahu, takže jako palivo byla nejlepší štěpka a kusové dřevo, které se však používá v těchto kotlích odjakživa k roztápění.
• Rekonstrukce velkých uhelných kotlů s výkonem 5 – 10 MW na spalování směsných paliv uhlí a dřevo fluidním způsobem provádí firma KOVOSTAFLUID. V tomto případě se odstraňuje celý systém roštu a vzduchotechniky spalného vzduchu a pod spalovací prostor se zabudovává nádoba s inertním materiálem, jakým je sklářský písek, popílek a do ní se přivádí spodem tlakový vzduch zajišťující vznos inertního lože. To se před zahájením provozu nahřívá na cca 900°C vnějším zdrojem na LTO. Směsné palivo, které může bez problémů obsahovat i uhelný prach a piliny, se přivádí na povrch inertní žhavé vrstvy, promíchává se s ní a dokonale prohoří. Po průchodu teplosměnnými trubkami kotle přecházejí ochlazené spalné plyny do odlučovačů a filtrů. Zařízení je vhodné pro kotle vyšších tepelných výkonů pro nepřetržité provozy. Má možnost výkonové regulace ve značném rozsahu.

Vývojové tendence ve využívání pevných biopaliv

Kogenerace – společná výroba elektřiny a tepla z biopaliv je zatím v ČR předmětem teoretických úvah a rozborů. Zatím naprosto selhaly snahy uplatnit větší množství přebývající biomasy ze zemědělství a lesnictví jako cca 10% doplněk hnědého uhlí v elektrárně TUŠIMICE. Vedle technických problémů zapojení upravených paliv z biomasy, které se nejevily jako neřešitelné, byly to údajně spíš otázky ceny biopaliv, které včetně skladování a dopravy vycházely na cca 700 Kč za tunu, když alikvotní hnědouhelné palivo dopravované po pásech přímo od těžebních strojů přišlo elektrárnu na 300 – 400 Kč/t. Stojí za srovnání:

• Sběr, lisování a doprava slámy 700 Kč/t,
• Těžba hnědého uhlí až z hloubky 200 mm, skrývka, rekultivace, popílek 350 Kč/t.

Problém je v tom, že řada položek, které by měly zatížit cenu spalovaného uhlí v elektrárně je zřejmě hrazena z jiných zdrojů než z ceny placené elektrárnou.

Podle některých propočtů je reálná kogenerace na bázi biopaliv jen při výkonech přes 1 MW v elektrické energii, při současné výrobě cca 2 MW tepla, jestliže elektrická energie v ceně cca 4 Kč/kWh a teplo v ceně cca 180 Kč/GJ je spotřebovávána ve vlastním podniku. V žádném případě se nevyplatí dodávat vyrobenou elektřinu do sítě za cenu kolem 1 Kč/kWh, která je zatím rozvodnými závody nabízena.

Kogenerace na bázi dřevního plynu v zařízeních, které by měly být jednoúčelově vybudovány pro tento účel, zatím vycházejí jako ekonomicky nevýhodné, zejména proto, že výhřevnost stávajícího dřevního plynu je velmi nízká. Pokud v budoucnu bude někdy, například membránovou děličkou dřevního plynu (snížení obsahu dusíku) výhřevnost zvýšena, bude možno o tomto způsobu kogenerace uvažovat, ale opět jen pro použití ve vlastním podniku včetně celoročního využití tepla. Reálnější je doplnit stávající velké výrobny dřevního uhlí, které až 70 % hmoty zpracovávaného dřeva většinou ve formě dehtového plynu vypouštějí do ovzduší nebo prostě bez efektu spalují, zařízením pro energetické využití – k výrobě tepla, případně elektřiny. Tento úkol je v současné době předmětem studií.

Spalování biopaliv a životní prostředí

Při spalování biopaliv v rozmezí teplot plamene 900 (800) až 1 100 (1 200)°C, při dostatečném přívodu spalných vzduchů s přebytkem 0₂, dostatečně velký, horkým a neochlazovaným dohořívacím prostorem plamene se dosahuje pozoruhodných, velmi nízkých hladin škodlivých emisí. Obsah CO se často blíží k nule, obsah SO₂ je zcela zanedbatelný (pouze stopy síry jsou v kůře stromů) NO_x bývají asi na 50 % povolených limitů, ale mohou se zvýšit při překročení teploty plamene 1 200°C, což místně v topeništi nelze nikdy vyloučit a mohou se zvýšit také, jestliže biopalivo má vyšší obsah dusíku (organická hmota) než 1,5 %. K tomu však u dřeva nedochází a u stébelnin jen výjimečně, například u sena usušeného z mladé trávy (proto se doporučuje pro energetické účely využívat starou, přezrálou a prakticky odumřelou travinu spíš rákosovitého charakteru). U kulturních obilovin, hnojených průmyslovými hnojivy a ošetřovanými pesticidy a herbicidy se ve spalinách objevuje chlorovodík (až 180 mg/m³), který může způsobovat korozi přehřívačů páry při teplotách přes 550°C, jestliže nejsou vyrobeny z antikora. V praxi se to v dánských teplárnách s kogenerační výrobou elektřiny a tepla řeší tak, že přehřívače páry jsou vytápěny zpravidla plynem, i když hlavním palivem je biomasa nebo biomasa s uhlím. Problémy se řeší i přídavkem vápenných substrátů k palivu.

Kapalná paliva z biomasy

V pojednání o využívání biopaliv pro energii nemůže chybět stručná informace o kapalných a plynných biopalivech.

Z olejnatých semen, zejména ze řepky, se vylisovaný olej (kolem 35 – 40 % hmotnosti semene) esterifikací, tj. substitucí metylalkoholu za glycerin získává metylester řepkového oleje, který má podobné vlastnosti a výhřevnost jako motorová nafta s tím, že jeho rozložitelnost v přírodě je několikrát rychlejší než u běžné nafty, což má význam pro ochranu životního prostředí, vodních zdrojů apod. Také emise (až na zápach po “brambůrkách”, který je někomu nepříjemný) jsou lepší. Pod názvem “bionafta” se MEŘO používá v autobusech městské dopravy, v zemědělství a lesnictví, říční dopravě a v chráněných územích vodních zdrojů. Spolu s využitím řepkové slámy jako paliva vychází velmi příznivě poměr vstupů a výstupů energie v relaci asi 1 : 6, MEŘO však ještě více než jako pohonná látka má větší význam jako chemická surovina.

Z plodin obsahujících cukry a škrob, jako je obilí, řepa a brambory je možno organickou fermentací a destilací získat vysokoprocentní alkohol, který může být použit jako doplněk do motorových pohonných hmot, v poměru do 5 % bez problémů. Problémy jsou však v tom, že energetická návratnost alkoholu vzhledem k energetickým vstupům (zemní plyn a elektřina) je velmi malá a relace je asi 1 : 1,1. Nové metody výroby etylalkoholu přes plynnou fázi, jak byly rozpracovány v USA, s vysokou výtěžností, dávají určité naděje, že se podaří etylalkohol do pohonných hmot dostat.

Další skupinu kapalných paliv z biomasy tvoří chemicky upravené kapalné produkty z dehtových látek, získaných při pyrolýze dřevní hmoty. Látky svými vlastnostmi připomínají motorovou naftu, ale jejich výrobní cena je zatím příliš vysoká.

Plynná paliva z biomasy

Vedle již zmiňovaného dřevního plynu, který svou výhřevností stojí až na posledním místě mezi plynnými palivy, je to především tzv. bioplyn, patřící do skupiny skládkových plynů, které vznikají z rozkládající se organické hmoty za nepřístupu vzduchu, mimo jiné také v trávícím traktu živočichů a na skládkách a reaktorech. Bioplyn obsahuje velký podíl metanu – kolem 60 % a přibližuje se tak výhřevností zemnímu plynu, kterým je prakticky jenom metan. V ČR je v provozu řada bioplynových stanic v čistírnách odpadních hmot a v zemědělských závodech. Jejich hlavním úkolem je z organických odpadů vytvořit relativně dokonalé nepatogenní organické hnojivo s přídavkem energeticky využitelného plynu. Pokud podnik uplatní využití vznikajícího bioplynu pro výrobu elektrické energie a tepla pro vlastní potřebu během celého roku, může se jednat o ekologicky a ekonomicky výhodné řešení, podporované i ekologickými institucemi ČR.

Perspektiva podílu biopaliv ke krytí energetických potřeb

Výhledově může biomasa, jako přední obnovitelný energetický zdroj pokrývat až 10 % energetických potřeb státu, do určité míry nahradit především hnědé uhlí na venkově i snížit výši požadavků na dodávky zemního plynu. Místně, podle podmínek může však nahradit až 100 % energetických zdrojů, což může mít značný význam pro výrobce i spotřebitele paliva. V evropském měřítku se za nejdokonalejší způsob využívání pevných forem biopaliv považuje spalování v komunálních výtopnách na vesnicích a menších městech a ve výtopnách velkých dřevozpracujících podniků. Za hranici efektivního svozu se zatím považuje cca 40 km pro dopravu obřích balíků nebo dřevní štěpky. Paliva ze stébelnin se nemusí sušit, ale jejich zpracování je nákladnější, paliva z dřevního odpadu těžby je výhodnější před spálením předsušit – pokud možno jen přirozeným provětráváním. Vývoj směřuje ke standardizaci biopaliv do několika základních forem – balíků, briket a štěpky a za poslední dokonalý způsob využívání je považováno zplyňování biomasy s možností dodávky plynu podobného zemnímu do veřejné sítě. V současné době je reálné spalovat biopaliva v dřevozplyňujících kotlích pro rodinné domky a předtopeništích u standardních kotlů s výkonem do 1 000 kW.

Obrázek 1: Soustava zařízení ke spalování stébelnin - FARMET – ČESKÁ SKALICE. Tepelný výkon 300 kW.

1 - zásobníkový, podávací stůl na balíky; 2 - rozpojovací válce velkého průměru; 3 - omezovač podávaného množství stébelnin; 4 - vzduchový dopravník rozpojených stébelnin; 5 - přestupný cyklon s turniketem; 6 - vkládací šnekový dopravník paliva; 7 - topeniště, zplynovač; 8 - dohořívací komora spalných plynů; 9 - teplosměnné trubky kotle; 10 - tepelná izolace a plášť kotle; 11 - odtahový ventilátor spalin.

Obrázek 2: Samojízdná sklízecí řezačka CLAAS JAGUAR s adaptérem na sklizeň topolů na plantáži rychlerostoucích dřevin.

Obrázek 3: Schéma konstrukčních úprav sestavy dvou kotlů VSB IV s celkovým tepelným výkonem 600 kW s předtopeništěm na zplynování a spalování dřevních paliv a briketované slámy.

1 – vstup zpátečky do kotle VSB IV; 2 – výstup horké vody z kotle VSB IV; 3 čidlo teploty spalin před odtahovým ventilátorem; 4 – Lambda sonda – měření obsahu 0₂ ve spalinách; 5 čidlo teploty spalin za dohořívací komorou před kotlem; 6 – keramická dohořívací komora; 7 – upravený kotel VSB IV s doplněnou vyzdívkou; 8 – násypka paliva a předtopeniště; 9 – čidlo výšky hladiny paliva v násypce; 10 – redler-dopravník paliva ze skladu; 11 – vodní pojistka proti zpětnému prohoření paliva; 12 – část zásobníku paliva na konci dopravníku; 13 – ventilátor sekundárního vzduchu; 14 – ventilátor primárního vzduchu; 15 – odtahový ventilátor; 16 – čidlo teploty v horní části násypky paliva.

Obrázek 4: Schéma dánské výtopny 3 MW na spalování slámy.

1 - automatický drapákový jeřáb k manipulaci s balíky; 2 - sklad obřích balíků slámy; 3 - podávací zařízení na balíky; 4 - rozpojovací a dávkovací zařízení slámy; 5 - kotel na spalování slámy; 6 - ventilátory primárního a sekundárního vzduchu; 7 - filtry ochlazených spalin; 8 - kontejner na popel; 9 - redler s vodní lázní na dopravu popele; 10 - odtahový ventilátor; 11 - komín.

(Pokud chcete převést některý obrázek na černo-bílý, uložte si jej na disk, pak jej otevřte v MS Photo Editoru, jděte do Effects, Negative a nechte zaškrtnutou pouze zelenou barvu (green)).

Literatura