Rudolf Apalovič - Biomasa - obnovitelný zdroj surovin a energie (současný stav a trendy v USA)

předseda slovenské asociace pro biomasu - SK Biom, Štátny drevársky výskumný ústav, Lamačská 1, Bratislava, Slovenská republika

Rýchly rast svetovej populácie (prírastok obyvateľstva asi o 86 mil. v r.1994 a o 100 mil. v r.1995), vyčerpávanie fosílnych zdrojov energie, nedostatočná bezpečnosť jadrových elektrární (Černobyl), vážne ekologické problémy ako znečisťovanie pôdy, vody a vzduchu s následným poškodzovaním až odumieraním lesov spolu s produkciou "skleníkových plynov" (CO₂, CO, NOx, CH₄...) a porušením ozónovej vrstvy, ktoré môžu viesť až ku zmenám zemskej klímy i energetická bezpečnosť krajín sú dôvodmi, že priemyselne rozvinuté krajiny hľadajú možnosti trvalo udržateľného rozvoja v ohrozených oblastiach.

Nové pojmy, ako "enviromentálny priestor" pripadajúci na jednotlivca (na región - po vynásobení počtom obyvateľov) nám poukazujú na to, že priestor a zdroje - energie, vody, pôdy, dreva, atď.- v ňom sú obmedzené, čo je možné približne i kvantifikovať.

Je našou povinnosťou zabezpečiť využívanie týchto zdrojov tak, aby sme neohrozili možnosti ich využívania pre budúce generácie.

Spojené štáty severoamerické ( U.S.) majú významné zdroje fosílnych palív i dostatok "environmentálneho priestoru". Venujú však významné finančné čiastky na ekologické výskumné a realizačné programy ako vyplýva z materiálov konferencie v Portlande- -Oregon [1] a z mojich skúseností z pobytu na Kalifornskej univerzite v Berkeley, v Národnom ústave obnoviteľných zdrojov energie v Golden- Colorado i na U.S.Department of Energy vo Washingtone D.C. v auguste a v septembri 1995.

V odbornej literatúre ani v zborníku z konferencie v Portlande sa nenašli súhrnné údaje o potenciále biomasy v U.S. Je to pochopiteľné. Máme však údaje o produkcii a spotrebe energie i o zdrojoch, z ktorých pochádza.

Celková produkcia a spotreba energie v U.S. a podiel jednotlivých zdrojov je uvedená na obrázku 1 v prílohe. [3]. (88,5 Quads = 93349,8 PJ). Z obrázku 1 vyplýva, že energetika U.S. je založená na fosílnych palivách (75,5%).

Celkove je v U.S. v prevádzke viac ako 1000 zariadení na energetické využívanie biomasy, s celkovým inštalovaným výkonom asi 8 500 MW (r.1995), ktoré vyprodukujú 2 785 trillion Btu (British Termal Unit), čo odpovedá 2 937,6 PJ, teda 3,147% z celkove spotrebovanej energie v U.S.

Produkcia energie z biomasy v U.S. a zdroje sú uvedené na obr.2 v prílohe. [5]. Z obrázku 2 vyplýva, že drevo tvorí 81% energetickej biomasy. Vyplýva to z toho, že v U.S. a Kanade je silný drevársky a celulózopapierenský priemysel, v ktorom má energetické využívanie odpadov tradíciu. Súčasným trendom je rozširovať energetiku drevopriemyslu, spaľovať lesné štiepky nevhodné na technologické využitie a vyrábať elektrickú energiu v kogeneračných jednotkách.

Okrem odpadovej biomasy z lesníctva, drevopriemyslu, poľnohospodárstva a tuhých domových odpadov sú významným zdrojom v USA tekuté palivá, hlavne etanol pre dopravu, vyrábaný z cukru, škrobu, a odpadov potravinárskeho priemyslu. Bionafta (metylestery rastlinných olejov, MERO) nezaznamenala v U.S.taký rozvoj ako v Európe. Je to dôsledok nízkych cien motorových palív. (1,2 - 1,45 USD/gallon benzínu) Výskumne sa rieši v tomto smere i využitie živočíšnych tukov. Pozoruhodný je podiel etanolu na celkovej bilancii (79 trilion litrov - 3%). [4].

Významné miesto má i produkcia bioplynu (CH₄) anaeróbnou fermentáciou. V prevádzke je 79 zariadení - spolu 645 MW v r.1994.[5] - čo predstavuje nárast od r.1984 o 400%. Projektuje sa výstavba ďalších asi 120 prevádzok. [5].

Celkove odetvie bioenergetiky zamestnáva v U.S. asi 66 000 pracovníkov. Program rozvoja počíta s vybudovaním ďalších kapacít so zdvojnásobením produkcie do r.2000 a zvýšením na 50 000 MW do r.2010. [6].

Okrem toho sú študované látky z biomasy pre farmaceutické účely, detergenty na báze enzýmov tvoria 10% ponuky. Vyrábajú sa mazadlá na báze rastlinných olejov, čierne tlačiarenské farbivá zo sóje - 6%, biofarby na báze rastlinných olejov tvoria 3% ponuky i biodegradibilné plasty na báze škrobov.[2].

Biomasa poskytuje asi 15% svetovej spotreby energie. V rozvojových krajinách je až 38% spotrebovanej energie z biomasy. [2].

Na rozdiel od Európy, kde sa budujú prevažne malé spaľovne biomasy (Rakúsko 20 kW-10 MW, Dánsko 2-18 MW), v U.S. sú v prevádzke hlavne spalovne s kapacitou 10-60 MW, produkujúce elektrickú energiu hlavne v kogeneračných jednotkách.

Pre názornosť uvádzam niektoré údaje o najväčšej elektrárni na báze biomasy v Severnej Amerike vo Williams Lake, 300 míl severne od Vancouveru, ktorá bola uvedená do prevádzky v r.1993. [7].

Výkon (MW)	60,0	63,0
Kapacita (%)	12	105
Btu/kW	13,753	11,664
Účinnosť	71,2

Spotreba 600 000 ton drevných odpadov z blízkych drevárskych podnikov a lesov.

Na úpravu odpadov je inštalovaný drvič 75 t/hod. Zásoby na 60 dní na ploche 1,9 ha. Kotol spĺňa ekologické normy pre exhaláty.

Problémom veľkých kapacít je trvalé zabezpečenie suroviny. Vyžaduje to dlhodobé zmluvy s dodávateľmi vrátane cien.

Zo štátov sú v tomto smere významné Main (500 MW, 21 kogeneračných jednotiek) a Kalifornia.

Okrem priameho spaľovania je výskum a vývoj zameraný na splyňovanie a skvapalňovanie biomasy, teda produkciu ušľachtilejších palív.

National Renevable Energy Laboratory - NREL Golden (Colorado) a Renugas Inštitút úspešne riešili energetické využitie bagasy splyňovaním a využitím plynu na výrobu el. energie v plynoturbínovom generátore, ktorý má oveľa vyššiu účinnosť ako parný generátor. Splyňovač môže pracovať so vzduchom alebo kyslíkom, pri zvýšenom tlaku, pri teplote 850-9000C. V r.1995 splyňovač spracoval 50 t/deň bagasy, zároveň bola pripravovaná turbína s výkonom 3-5 MW, ktorá bude napojená na splyňovač v polovici roka 1996. Výkon splyňovača sa zvýši na 100 ton bagasy/deň. Systém bude v kyslíkovom režime produkovať syntézny plyn na syntézu metanolu, ako budúceho paliva pre automobily. Na tento projekt podobne ako na ďalšie výskumné a vývojové projekty prispieva U.S.Department of Energy - DOE do 50%. Druhú časť financií poskytuje priemysel a vláda štátu Hawaj. [8].

Iný demonštračný projekt na splyňovanie biomasy a výrobu elektrickej energie je realizovaný vo Vermont. Tento pracuje v inom režime a produkuje plyn, ktorý môže byť využívaný v neupravených bežne vyrábaných plynových turbínach. Turbogenerátor výkonu 15 MW, ktorý bude súčasťou existujúcej elektrárne s výkonom 50 MW ( palivo biomasa). Jednotka bude uvedená do prevádzky v r.1996.

Splyňovanie biomasy sa rieši tiež v Brazílii a na viacerých miestach v Európe, čo prináša súťaž. [8]

Pyrolýza - kvapalné palivá sú ďalším smerom konverzie biomasy, pri ktorej dochádza ku "krakovaniu" bez prístupu kyslíka. Výsledné palivo môže byť skladované, prečerpávané a použité ako ťažký vykurovací olej s nízkym obsahom síry (pod 0,1%). Táto technológia je v U.S. do značnej miery zvládnutá.

V U.S. sa biomasa často spaľuje spolu s uhlím. Má to ekonomické i ekologické výhody (zníženie exhalátov SO₂a "skleníkových plynov, hlavne CO₂). Tejto problematike bol venovaný pomerne rozsiahly výskum.

Spaľovanie 2-5% biomasy s uhlím, nevyžaduje úpravu kotla. Veľmi dobré skúsenosti sú so spaľovaním biomasy s práškovaným uhlím (Knoxwill Te.). V Memphis bolo spaľované 10% biomasy s uhlím v cyklónovom kotle. Tento systém sa bude aplikovať v ďalších prípadoch.

Pri spaľovaní jednoročných rastlín sa znižuje bod tavenia popola z 1 300°C na 650°C (slama), čo má za následok spekanie popola, inkrustovanie niektorých častí kotla, zníženie účinnosti kotla, prípadne jeho poškodenie. Spaľovanie slamy a jednoročných rastlín vyžaduje kotol osobitnej konštrukcie.

"Balená bio-centrála" s plynovou turbínou a generátorom ( palivo biomasa) výkonu od 200 kW po niekoľko MW má nahradiť diesel-generátory.

Iní výrobcovia vyvíjajú balenú bio-centrálu s jednoduchšou technológiou.

Na základe zmluvy Ministerstva energetiky a Ministerstva pôdohospodárstva U.S. bol v r.1995 prijatý projekt "Energia z biomasy pre rozvoj vidieka", ktorého cieľom je koprodukcia etanolu a el. energie, rozvoj infraštruktúry vidieka, tvorba pracovných príležitostí s cieľom redukovať vládnu podporu poľnohospodárskeho trhu. Projekt je financovaný 50/50 DOE a súkromným priemyslom. Projekt začínal vypracovaním 10 štúdií prevediteľnosti (Feasibility studies) pre plodiny: alfalfa, cukrová trstina, trávy, dreviny (vŕba, topoľ), Sorghum a Kenaf pre technológie: - splyňovanie - turbína, splyňovanie - syntézny plyn - metanol, pyrolýza, priame spaľovanie, spaľovanie s uhlím, etanol + energia.

Tento program má cieľ inštalovať viac ako 13 000 MW kapacít na využívanie poľnohospodárskej biomasy do r.2010. Viac ako 40% biomasy dodávať z 200 000 ha ako energetické plodiny a zbytok odpadná biomasa. To by zabezpečilo viac ako 170 000 pracovných miest v poľnohospodárstve. Okrem toho budú prínosy pre životné prostredie.

Pokles svetových cien energie v posledných rokoch mal nepriaznivý vplyv na rozvoj a stabilizáciu sektoru bioenergetiky i v U.S., kde

Podrobné analýzy nákladov na produkciu, dopravu, manipuláciu rôznych druhov biomasy a cien energie v U.S. sú zhodnotené v práci Hughesa [10]. Jeho stručné a jasné závery uvádzame v plnom znení:

"V kontexte, že ceny zemného plynu sú pod 2,50 USD/MBtu a ceny uhlia hodne pod 1,50 USD/MBtu, prvoradým záverom tejto práce je, že ceny energie z biomasy sú privysoké, aby táto mohla súťažiť na trhu energie, hlavne elektrickej. Výnosy biomasy sa musia zvýšiť výrazne, o 50 až 100% oproti dnes dosahovaným hodnotám, predtým ako ceny energie z nej budú porovnateľné s cenami na trhu."

V tejto situácii vláda U.S. prijala opatrenia na zmiernenie dôsledkov znižovania cien fosílnych zdrojov energie.

V r.1992 bol prijatý Energy Policy Act na podporu obnoviteľných zdrojov, ktorý má dve hlavné časti:

Tax credit je súčasťou General Business Credit a je použitý iba na podporu podnikov, ktoré produkujú a dodávajú biomasu na výrobu el. energie a je maximálne 1,5 cent/kWh.

Tieto podpory sú poskytované do 10.roku činnosti závodu a sú indexované v závislosti na inflácii.

Pri podporách sú zvýhodnené projekty, v ktorých je biomasa náhradou za fosílne palivá, je spaľovaná spolu s uhlím alebo ide o demonštračné projekty nových technológií, napr. splyňovanie.

[1] Apalovič R., Violová A.: Biomass - Energy Potencial and CO₂Mitigation in Slovak Republic. Proceedings. Second Biomass Conference of The Americas. Portland (Oregon), August 1995. (p.1446-1455)

[2] Harris W.L., Rosen H.N.: Sustainable Biomass Utilization. Proceedings. Second Biomass Conference of The Americas. Portland (Oregon), August 1995. (p.1456-1467)

[3] Sustainable Energy Strategy. National Energy Policy Plan. U.S. Department of Energy. Office of Policy. Apríl 1995. 73 strán

[4] Tillman D., Stahl R. and co.: Cofiring Wood Waste and Coal in Cyclone Boilers. Proceedings. Second Biomass Conference of Americas. Portland (Oregon), August 1995. (p.382-389)

[5] Berenyi E.B.: An Overview of Waste-to-Energy Systems in the U.S.A. Proceedings. Second Biomass Conference of The Americas. Portland (Oregon), August 1995. (p.88-99)

[7] McBurney B.: A Case Study of a Large Scale Wood Waste Power Generating Plant. Biologue - Regional Biomass Energy Program Report. The Official Publication of the National BioEnergy Industries Association. Vol.13. No.1, 1st Quarter 1995. (p.5-11)

[8] Biomass Power Program. Publication of The U.S. Department of Energy. June 1995.

[9] Biomass Power Industry. Assessment of Key Players and Approaches for DOE and Industry Interaction. Publication of The NREL and DOE National Laboratory. 35p. 1994

[10] Hughes E.E., Wiltsee G.A.: Comparative Evaluation of Fuel Costs from Energy Crops. Proceedings. Second Biomass Conference of The Americas. Portland (Oregon), August 1995 (p.1291-1301).