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

Technika potřebná pro využívání biomasy pro energii

Ing. Václav Sladký,CSc.

Výzkumný ústav zemědělské techniky Praha 6-Řepy

Úvod

Česká republika kryje své energetické potřeby z více jak 60% ekologicky poněkud závadným hnědým uhlím a malým podílem využívání obnovitelných paliv patří mezi světové výjimky. Dřevo a sláma se podílejí na energetických zdrojích necelým 1% a zaostáváme tak zatím daleko za sousedním Rakouskem s 12%, Německem s 5% a zejména za Dánskem a Švédskem s více než 18%. Situace se však neustále, i když pomalu, zlepšuje a to zásluhou řady výrobců, kteří zavedli na trh dřevozplyňující kotle pro rodinné domky, kotle na spalování slámy pro zemědělské podniky a doplnili tak jednak stávající výrobu velkých kotlů na biomasu a dovoz. V současné době je v České republice již dostatek nabízených strojů a zařízení nejen ke spalování, ale i k přípravě biopaliv a rozvinula se i poradenská a projektová služba. Za hlavní překážky potřebného rozvoje se však považuje podceňování významu biopaliv jako obnovitelného zdroje energie v materiálech státní energetické politiky, rozsáhlá plynofikace vesnic, kde biopaliva mají největší šance na uplatnění a nedostatek financí pro realizaci větších akcí. Přitom výroba a využívání biopaliv by mohly mít za určitých podmínek vedle významu ekologického i význam ekonomický pro výrobce i spotřebitele biopaliv.

Biopaliva – základní charakteristika

Každoročně narůstající rostliny na sebe váží v procesu fotosyntézy atmosférický CO₂ do organických sloučenin využitelných ve formě dřeva a stébelnin jako energetických zdrojů. Paliva rostlinného původu sloužila lidstvu jako zdroj tepla odjakživa a z používání byla ve vyspělých zemích vytlačena až v posledních dvou stech letech fosilními, více standardními a výhřevnějšími palivy. Přestože výhřevností se vhodně předsušená biopaliva dají srovnat s dobrým hnědým uhlím, některé jejich základní vlastnosti a další skutečnosti brání jejich širšímu používání bez nezbytných úprav a speciálního zařízení.

Obsah vody

Obsah vody v ”živé” biomase se pohybuje od cca 60% u dřevin do 85% u stébelnin a výhřevnost u takto vlhkého dřeva činí pouze 6 MJ/kg, stébelniny s původní vlhkostí jako palivo se nedají použít vůbec. Teprve po vysušení na obsah vody pod 30% u dřeva a 20% u stébelnin je možno biopaliva úspěšně spalovat. Sušení, přirozené nebo umělé, je tedy první a základní podmínkou pro využití biopaliv jako energetického zdroje, kterou se liší od většiny fosilních paliv. Absolutně suchá biopaliva dosahují výhřevnosti kolem 18-19 MJ/kg, což je hodnota vyšší než dosahuje běžné hnědé uhlí. Z různých, zejména bezpečnostních důvodů se doporučuje spalovat biopaliva vždy s určitým obsahem vody. Suchý dřevní nebo obilní prach je výbušnina.

Tvarové úpravy

Druhou podmínkou využitelnosti biopaliv jsou jejich tvarové úpravy, u dřeva řezání, štípání, štěpkování nebo peletování, u stébelnin řezání, lisování, briketování. Tyto způsoby se liší stupněm stlačení a velikostí produktu. Zatímco dnes běžné obří balíky slámy mají stlačení na cca 150 kg/m³, brikety do 1 000 kg/m³ a pelety přes 1 000 kg/m³ (v přepočtu na jednici paliva); volná řezaná sláma má pouze 40-50 kg/m³. U dřevních paliv je tomu obdobně, kdy dřevní štěpka má sypnou hmotnost 220-260 kg/m³, polena kolem 500 kg/m³ a brikety 800 – 1 100 kg/m³. Každá tvarová úprava zdražuje biopaliva, která do zpracovatelského procesu sice přicházejí často jen s dopravními náklady, ale jejich konečná cena na trhu může být překážkou masového používání.

Spalování

Třetí podmínkou efektivního používání biopaliv je použití vhodných skladovacích a dopravních zařízení u kotlů, jejichž konstrukce, sestava a investiční náročnost závisí na tepelném výkonu kotlů a způsobu používání a zejména systému topenišť. Je to relativně nízká objemová hmotnost a nízká koncentrace energie v jednici paliva a vysoký podíl zplyňujících látek, kterými se biopaliva podobají plynným palivům. Při teplotách nad 200°C dochází postupně ke zplynování biopaliv, kdy se až 80 i více % hmoty mění v plyn, který by měl perfektně prohořet dříve než vzniklé teplo přejde v teplosměnných plochách do topného media. Toto zplynování trvá řádově jen několik minut na rozdíl od prohořívání zbylých 20-25% dřevního uhlí. Topeniště i uspořádání kotlů musí proto vyhovovat požadavkům na prostor jednak lehčího paliva, ale zejména požadavkům na prohoření vznikajících spalných plynů.

Sekundární vzduch

V topeništích na spalování biopaliv nepostačuje proto přívod spalného vzduchu po rošt (primární vzduch) jako u kotlů na spalování koksu nebo černého uhlí, ale do hořících plynů musí být zaváděn turbulentně i sekundární vzduch nebo dokonce u velkých zařízení i terciální vzduch. Jinak snadno dochází k tepelným ztrátám v komínových plynech, usazování sazí a kondenzaci dehtů. Z toho vyplývá, že zařízení na spalování biopaliv se liší od kotlů na spalování koksu, uhlí i kapalných paliv. Hnědé uhlí tvoří přechod mezi ”klasickými” fosilními palivy a biopalivy, protože obsah zplyňujících látek u něj bývá až 45% (u koksu je 5% a u černého uhlí asi 25%).

Chloridy

Čtvrtou podmínkou efektivního používání biopaliv je zohlednění chemického obsahu spalin, zejména u stébelnin, kde se může ve spalinách vyskytovat chlorovodík, napadající při vyšších teplotách (přes 550°C) teplosměnné plochy přehřívačů páry. V topeništích všech typů může docházet k poškozování vyzdívek nižších kvalit. V chlorovodíku může být ve spalinách až 180 mg/Nm³.

Cena paliv

Pátou podmínkou efektivního používání biopaliv je nezbytnost zachování přiměřené ceny konečné formy paliva před topeništěm, event. ceny vyrobeného tepla. Zatím se do ekonomických efektů nezapočítávají ekologické výhody spalování biopaliv jako je redukce skleníkových plynů, popele, ochrana přírody a tak rozhodování se zakládá na prostém porovnání cen tepla. Ukazuje se, že cena paliva, resp. vlastně cena jeho úprav, má význam pouze u tepelných zařízení nejnižších tepelných výkonů, tj. u vytápění rodinných domků a menších objektů, zatímco u velkých tepelných zařízení rozhoduje o cenách tepla zejména odpis investic a úroky z úvěrů. Na druhé straně potřebná úprava paliv, jako je štěpkování a briketování má v praxi velkou variabilitu nákladovosti, která je dána především stupněm využití potřebného zařízení. Briketovaná sláma může mít cenu nižší než 1 000 Kč/t v zařízeních, která jsou využita celý rok na dvě směny, ale také se můžeme setkat s dřevními briketami, které stojí v přepočtu 4 000 Kč/t. Stejně tak je tomu u dřevních paliv, polínek a štěpky. S výkonností a využitím strojů podstatně klesá cena paliva.

Biopaliva a půda

Za poslední podmínku efektivního používání biopaliv je možno považovat nutnost překonání agronomických námitek ke spalování biopaliv jako fenoménu ochuzujícího půdu lesní i zemědělskou o humusotvorné látky. K tomu je třeba uvést příklad dánského zemědělství s jeho 50% vývozem produkce a plánovanou 50% spotřebou řepkové a obilní slámy k energetickým účelům a práce německých výzkumníků, kteří dokázali, že prosté zaorání, zejména řepkové slámy nepřináší zvýšení obsahu humusu v půdě. Většinou se projevuje snížením výnosů v důsledku vazby dusíku z půdy na mikroorganismy rozkládající slámu, přesycháním půdy na podzim a snížením vzcházivosti semen, podporováním rozvoje chorob rostlin a škůdců včetně hlodavců. Zkoušky VÚZT však také dokázaly, že i při sklizni řepkové slámy pro energetické účely v množství kolem 3 tun po hektaru zůstává většina organické hmoty na poli ve formě vysokého strniště a drobného propadu včetně bohatého kořenového systému. Skutečný biologický výnos řepkové slámy se totiž pohybuje kolem 8 tun po hektaru. Efektivnější je energetické využití řepkové slámy v hodnotě paliva 3 000 – 4 000 Kč/ha místo využití hnojivového účinku ve výši cca 300 Kč/ha. Získané prostředky je možno použít pro zajištění zeleného hnojení, kompostu, případně k zajištění jiných hnojiv, když nejlepšího hnojiva – chlévské mrvy je stále nedostatek.

Technika pro získávání a využití biopaliv

Technikou pro využívání biopaliv rozumíme především sklizňové a zpracovatelské stroje, sušící zařízení, tvarovací zařízení, stroje pro dopravu a skladování a konečně i zařízení topenišť a kotlů včetně regulačních a automatizačních prvků. Jedná se tedy o rozsáhlý komplex zařízení, která jen v některých rysech jsou shodná se zařízením na využití fosilních paliv.

Sklizňové a zpracovatelské stroje

Soubor sklizňových strojů biopaliv se liší podle toho, zda jde o stroje na získávání paliva dřevního charakteru nebo paliva ze stébelnin. U dřeva jsou to v oblasti lesních provozů běžná těžební zařízení, doplněná štěpkovacími stroji na zpracování jinak obtížně využitelného odpadu, případně štípacími stroji a kombinovanými řezacími a štípacími stroji. Piliny z dřevozpracujícího průmyslu jsou zpracovávány na sušičkách pilin a briketovacími a peletovacími stroji.

Stébelniny mají v současné době jako rozhodující sklizňové stroje lisy na obří válcové nebo kvádrové balíky s hmotností 300 až 500 kg, doplněné rozpojovacím zařízením v linkách zpracování slámy do briket nebo před spalovacím zařízením. Při sklizni, zejména celých energetických rostlin nastojato nebo i z řádků mohou být nasazeny i sklízecí, většinou samojízdné řezačky. Ty po úpravě mohou být používány i ke sklizni ”polního dříví”, topolů a vrb.

Výhledově je možno předpokládat, že energetické stébelniny sklízené v suchém stavu z řádků budou sklízeny také samojízdnými briketovacími nebo peletovacími stroji a z polí se bude vozit také již ”hotové” palivo. Nezbytnou ekonomickou podmínkou však je, aby tyto stroje byly využity pro výrobu během celého roku jako stacionární v tvarovacích linkách biopaliv.

Do oblasti získávání i zpracování paliva patří i oblast sušení, která má význam především u rychlerostoucích dřevin sklízených s běžnou biologickou vlhkostí. Existují v podstatě dvě metody:

  dosoušení hrubé štěpky na roštech pod střechou přirozeným průvanem nebo nucenou ventilací,

  dosoušení ”snopkovaných” rychlerostoucích dřevin na hromadách přes léto před jejich seštěpkováním.

Surové piliny se suší výhradně uměle horkým vzduchem před jejich briketováním. Jako paliva se k tomu zpravidla využívá až 25% samotných pilin. Umělé sušení podstatně zdražuje výrobu biopaliv a mělo by se omezovat, resp. toto palivo by se mělo spalovat pouze ve speciálních zařízeních, která to umožňují, neboť jsou vybavena velkými ”dosoušecími” spalovacími komorami a kondenzátory unikající páry.

Tvarovací stroje na biopaliva

K tvarovacím strojům na biopaliva patří především pístové briketovací stroje s průměrem briket 50 až 100 mm, paketovací stroje – kompaktory s průměrem výrobků 150 až 300 mm a peletizační protlačovací a formovací stroje s výrobky o průměru 8 až 20 mm. Všechny tyto stroje se buď do republiky dovážejí nebo se vyrábějí u nás.

Zařízení na spalování pevných biopaliv

Rozmanitost forem biopaliv a jejich tepelného obsahu a požadavky uživatelů ovlivňují především výkonnost a provedení topenišť a na ně napojených výměníků tepla – kotlů. Prvním požadavkem vedle určení druhu biopaliva je požadavek na tepelný výkon, který se dnes udává v kW nebo MW. Ten se pohybuje od cca 5 kW u výkonnějších pokojových kamen s účinností kolem 50% (velká komínová ztráta) přes 20-50 kW u dřevozplyňujících kotlů pro rodinné domy až k vysoce výkonným zařízením pro vytápění vesnic a měst s tepelným výkonem vysoko přes 10 MW, i když už řada těchto tepláren zpravidla spaluje s biomasou i uhlí.

Vedle speciálních zařízení jako jsou krby s ohřívacími vložkami na ohřev vody nebo klasická kachlová kamna s podobným zařízením praxi zajímají především dřevozplyňující kotle, které v celkovém množství asi 30 000 ks dodalo několik našich výrobků v čele s firmami CANKAŘ (ATMOS) a VERNER na náš trh. Jsou to po tisíciletém ”běžném” provedení topenišť na spalování dřeva první topidla vyvinutá na vědeckém základě, odpovídající požadavkům na dokonalé zplyňování a katalytické prohoření spalných plynů s efektivním předáním tepla do vody. Zejména poslední vývoj umožňující společné spalování dřeva a hnědého uhlí stojí za zmínku a to hlavně z hlediska nízkých emisí škodlivin.

Střední kategorii kotlů s výkonností 600 až 2 000 kW je určena pro větší podniky a malé obce. Palivem je zpravidla dřevní štěpka nebo sláma, případně tvarovaná paliva a kusové dřevo. Do této kategorie patří jednak zcela nová zařízení uplatněná například v kotelně DEŠNÁ firmou VERNER nebo rekonstrukce kotelen s kotli VSB IV, původně na koks a uhlí s předtopeništi, např. v kotelně RUDÍKOV, uplatněná VÚZT Řepy a ŽDB VIADRUS. Patří sem i rekonstrukce roštových kotlů na přidávání dřevní štěpky, které navrhla a realizovala Vysoká škola báňská Ostrava pod vedením Ing. Juchelkové. Významné práce v adaptaci uhelných kotlů vykonává společnost KOVOSTA FLUID HRANICE při náhradě posuvných roštů fluidními systémy spalování a to s cílem ekologizace provozu ale i umožňující i spalování dřevní štěpky s uhlím.

Nejvyšší výkonovou kategorii kotlů na spalování dřevních paliv představují výrobky ČKD DUKLA Praha a ROUČKA Slatina s tepelnými výkony přes 2 MW a dovoz kotlů firmy VOLUND z Dánska, které jsou v provozu v Pelhřimově, Hartmanicích a jinde. Významný je i dovoz dřevozpracujících kotlů firmy VYNCKE z Belgie a řada kotlů firmy DE DIETRICH z Francie.

Česká republika tak významně dohání letité zpoždění ve využití pevných biopaliv, přestože podpora ze strany státu je v porovnání s podporou plynofikace a ”přímotopů” minimální. Ze zařízení, která jsou v zahraničí v této oblasti poměrně rozšířená, není u nás realizováno společné spalování uhlí a biopaliv v elektrárnách a teplárnách a kogenerační výroba tepla a elektřiny soustrojím na pohon rostlinnými oleji a kogenerace s výrobou tepla a elektřiny zařízením na bázi využívání bioplynu.

Také využívání přebytků nevyužitých travin nepřekročilo ve stávajících bioplynových stanicích zatím etapu pokusů, i když v zahraničí je již tento způsob využívání ”vlhkých” rostlinných zbytků dosti rozšířen.

Souhrn

Přestože využívání každoročně narůstajících biopaliv pro energetické účely není patřičně zakotveno v energetické politice České republiky, zásluhou výrobců a zájmem veřejnosti zejména na venkově, se v posledních letech spotřeba biopaliv přibližně zdvojnásobila. Vedle výkonných kotlů v oblasti dřevozpracujícího průmyslu existuje několik výtopen na spalování dřeva a slámy, v obcích a v rodinných domcích je v provozu 25 000 až 30 000 dřevozplyňujících kotlů. Rozvoj komunálních výtopen podle rakouského a dánského vzoru je brzděn nedostatkem investičních prostředků, zejména na financování rozvodných sítí a předávacích stanic. Rozvoj využívání slámy pro energetické účely je brzděn kromě finančních problémů i obavou o ochuzování půdy o humusotvorné látky.

I když je vyřešeno již hodně dílčích problémů spojených s přímým spalováním biopaliv, není vypracován jednotný systém založený na standardizaci paliv a propojení výrobců paliv se spotřebiteli tepla. Na řešení čeká ještě celá oblast pyrolýzy a zplyňování biomasy.

Některé údaje ke spalování biopaliv – srovnání

Skutečná výhřevnost = spalné teplo sušiny -bez tepla na odpaření vody z paliva

Paliva - bez tepla na odpaření vody vzniklé spálením vodíku

Teplo na odpaření vody (MJ/kg) =kg H₂O  x 2,442 MJ

Vody z vodíku (kg H₂O) =  kg H₂ x 8,94

Obsah vodíku v sušině biopaliva = 4,5 – 6 %

1 J – 1 Ws, 1 kal = 4,186 J, 1 kWH = 3 600 kJ = 3,6 MJ = 860 Kcal

Teoretická potřeba spalného vzduchu na spálení 1 kg paliva (Nm³/kg)

Běžný přebytek spalného vzduchu u biopaliv = uvedené hodnoty x 2 – 2,5

Tepelné zisky při spalování uhlíku C + 1/2 0₂ = CO + 123 MJ/kmol

CO + 1/2 0₂ = CO₂ + 283 MJ/kmol

C + 0₂ = CO₂ + 406 MJ/kmol

(asi 30 kg dřeva)

Obrázek 1: Technologie sklizně a zpracování energetických stébelnin

A - sklizeň zrnin sklízecí mlátičkou - odložení slámy na řádek; B - sečení energetických obilovin a travin žacím řádkovačem, odložení stébelnin na řádek k proschnutí, sběrací lis; C - sklizeň sklízecí řezačkou - přímé sečení nebo sběr ze řádku; D - přímá sklizeň nebo sběr ze řádku samojízdným nebo taženým lisem; E - přímá sklizeň nebo sběr ze řádků samojízdným peletizačním briketovacím lisem; F - svinování stébelnin ze řádků svinovacím kompaktorem.

Obrázek 2: Sklízecí řezačka r.r.d. CLAAS JAGUAR v akci. Pracovní záběr - dva řádky. Tažený vysokozdvižný překlopný zásobník.

Obrázek 3: Systémy sklizně a dopravy "polního dříví" v zahraničí

Obrázek 4: Velká kachlová kamna se zabudovaným systémem ohřívání vody pro systém ústředního vytápění domu nebo ohřev vody.

1 - keramická vyhřívací kupole kamen; 2 - horní ohřívací segment topné vody; 3 - dvířka pro přidávání paliva; 4 - topeniště na spalování polínek nebo briket; 5 - spodní ohřívací segment topné vody; 6 - keramické obložení kachlových kamen se zabudovanými měděnými trubkami pro přídavný předehřev vody; 7 - vnitřní keramická vyzdívka kamen

Obrázek 5: Systém vytápění zemědělské farmy mobilní kotelnou na válcové nebo hranaté balíky. Tepelný výkon 150 až 600 kW.

1 - kontejner se zabudovaným topeništěm, kotlem, akumulační nádrží, expansní nádrží, ventilátorem a čerpadlem; 2 - schéma kotle na válcové balíky - a) trysky tlakového vzduchu , b) šamotová vyzdívka, c) trubky kotle, d) izolace; 3 - systém rozvodu horké vody po farmě (Švédsko, Dánsko).

Obrázek 6: 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.