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

Zdroje biomasy a její energetické využití

Jaroslav Kára

Základní východiska

Nejdříve si uveďme, jaké jsou vlastně možnosti využít biomasu k energetickým účelům.

Tab. 1: Zemědělsky a lesnicky využitelná půda světa z hlediska přírodních podmínek

Pramen: Dublin, Lotka.

V tabulce č. 1 uvádíme plochy využitelné k produkci kulturních plodin v celosvětovém měřítku.

Tato plocha je velmi malá, 7 - 21 % pevniny. V osvojování zemského povrchu pro pěstování kulturních plodin jsou značné rezervy.

Přitom je ovšem nezbytně nutné postupovat značně opatrně, neboť jsou zde rizika změn ekosystémů a klimatických podmínek velkých oblastí (viz likvidace amazonských pralesů, vysýchání Aralského jezera, vznik Saharské pouště).

V České republice je situace podstatně lepší (tab.2.). Celková rozloha státu je 7 886 tis. ha, z toho pak:

Tab.2: Rozloha zemědělské a lesní půdy v České republice

Tato značná část rozlohy státu umožňuje poměrně významné využití odpadních i pěstovaných biopaliv ve venkovských regionech. Nelze ale předpokládat, že v nejbližší době nahradí uhlí, nebo ostatní fosilní paliva, to by nebylo reálné.

Přebytek zemědělské půdy

Nárůst přebytku zemědělské půdy vlivem zvyšování intenzity zemědělské produkce je celoevropským problémem. V České republice zatím problém přebytku není tak markantní, neboť přechodný pokles intenzity zemědělské výroby byl provázen i prudkým poklesem poptávky. Tím je využití ploch zemědělské půdy stále vysoké.

Výhled po roce 2000 však ukazuje, že při stávajícím poměru soběstačnosti bude nutné z tradičního využití uvolnit asi 400 tis. ha orné půdy.

Při větším tempu zvyšování intenzity zemědělské výroby lze předpokládat uvolnění až 500 tis. ha orné půdy. Zvýšení intenzity výroby proti současnému stavu je nezbytné z hlediska vstupu do EU a zlepšení konkurenceschopnosti našeho zemědělství.

Současná zemědělská politika řeší postupné projevy tohoto problému vývozem zemědělských komodit, systémem údržby luk a pastvin, zatravněním a zalesněním. Tento přístup je z velké části jednosměrný. Nemůže ve své podstatě plně podpořit udržení potřebné ekonomické a sociální úrovně venkova. Má svá omezení ve vztahu k zajištění potravinové bezpečnosti, udržení osídlení a kvality života.

Rozsah výhledového nevyužití zemědělské a orné půdy je tak velký, že ho nevyřeší pouze současně uplatňovaný přístup. Jednou z nejperspektivnějších možností řešení využití nadbytečné zemědělské půdy je orientace produkce na energetické plodiny, to znamená rychlerostoucí dřeviny (r.r.d.), řepku, obiloviny, různé traviny (např. Miscantus) a výrobu etanolu ze zemědělských produktů (obilí, brambory, cukrovka), na této půdě vypěstovaných.

Výhledové trendy ve využití zemědělské půdy do roku 2000 a dále

Celková výměra zemědělské půdy v České republice je 4 270 tis. ha, z čehož produkci, kterou může Česká republika spotřebovat jako potraviny, dokážeme výhledově po roce 2000 vyprodukovat na ploše 2 700 tis. ha. Po odečtení plochy 1 mil. ha, která se nachází v podmínkách nevhodných k intenzivní zemědělské produkci (marginální oblasti) a 80 tis. ha, které budou postupně převedeny do jiných kategorií půdy (stavební pozemky, komunikace) zůstává 500 tis. ha, která se nachází v produkci oblasti a je využitelná pro intenzivní zemědělskou výrobu.

Rovněž nemůžeme pominout plochu 1 mil. ha v marginální oblasti, jejíž problematika se navrhuje řešit podporou chovu masného skotu a uvedením půdy do klidu, což předpokládá náklady státu cca 4 mld. Kč ročně.

Tab. 3: Předpokládané využití zemědělské půdy po roce 2000

Zatím je u mnohých komodit problém tržního zhodnocení obnovitelných surovin vzhledem k jejich nedostatečné ekonomické efektivnosti (někdy jejich výroby a někdy průmyslových produktů z nich vyrobených) v porovnání s konvenčními surovinami, které jsou k dispozici na světovém trhu.

Obecně ovšem lze považovat zemědělskou půdu za produkční plochu pro obnovitelné surovinové zdroje.

Specifikace biomasy jako paliva

Mezi biomasu rostlinného původu využitelnou k palivářským účelům počítáme zejména stébelnaté a dřevnaté materiály.

Dřevo bylo vždy tradičním zdrojem energie především v lesnatějších zemích. Vzhledem k pracnosti vytápění a nízké účinnosti tehdejších topenišť ustupovalo postupně topení dřívím jiným palivům. Obrat nastal v sedmdesátých letech, kdy se pozornost pod vlivem tzv. první energetické krize obrátila na obnovitelné zdroje energie - mezi nimi i na dřevo. Protože pálení fosilních paliv je produkováním CO₂ (zařazovaného mezi "skleníkové plyny"), tj. jednou z možných příčin skleníkového efektu, urychlila se orientace na obnovitelné zdroje energie i celosvětovým prohloubením ekologického cítění. Při pálení biomasy - tedy i dříví - se do ovzduší uvolňuje jen takové množství CO₂, jaké bylo do hmoty rostliny akumulováno fotosyntézou v období jejího růstu. Pálení biomasy má tedy "nulovou bilanci CO₂". Je proto logické, že jednotlivé státy i mezinárodní organizace realizují rozsáhlé programy energetického využívání biomasy od pěstování "energetických trav" přes energetické využívání dřevních odpadů až po pěstování "energetických lesů".

Udává se, že se za posledních 20 let celosvětový podíl biomasy (v převážné většině dřeva) na celkové spotřebě primárních energetických zdrojů zvýšil o 8 %. Tento nárůst se projevuje nejen v rozvojových zemích, ve kterých je dříví často jediným zdrojem energie na venkově (čtyři pětiny dříví vytěženého v některých rozvojových zemích se spotřebovávají na pálení), ale spotřeba palivového dříví - resp. paliv na bázi dřeva - vzrůstá i ve vyspělých zemích. Např. ve Finsku bylo postaveno více než 100 tepláren na spalování štěpky o celkovém výkonu 226 MW.

Zatímco zahraniční zkušenosti technické a technologické lze přejímat bez zásadních korekcí, nelze stejně přejímat ekonomická hodnocení, protože ekonomické podmínky jednotlivých států se mohou výrazně odlišovat. Současný podíl biomasy na energetické bilanci zemí severu a jihu ukazuje tabulka 4.

Tab. 4: Současný přínos OZE a podíl jednotlivých zdrojů v Mtoe za rok.

Pramen: Podkladové materiály světové konference o životním prostředí Rio de Janeiro, 1992 Pozn.: 1 Mtoe = 41 868 PJ

V tabulce 4 se pod pojmem nekomerční dřevo rozumí produkt přírodního lesa (pralesa), komerční dřevo je produktem pěstovaného lesa. Energetické kultury jsou zde rychlerostoucí dřeviny, řepka pěstovaná pro výrobu bionafty a plodiny pěstované pro výrobu bioetanolu.

Odpady zahrnují komunální odpad, spalitelný odpad z průmyslové výroby a zemědělský odpad (z živočišné a rostlinné výroby).

Na bilanci obnovitelných zdrojů energie se biomasa podílí ve státech severu 54 % a ve státech jihu 75 %, celosvětový průměr je 66 %.

Obnovitelné zdroje energie (OZE) v posledním období začínají tvořit v mnoha zemích poměrně významnou část primárních energetických zdrojů.

Technické možnosti energetických zařízení pro spalování biomasy

Zatím se jediná logicky podložená námitka proti spalování biomasy týkala dokonalosti spalovacího procesu zařízení pro spalování biomasy.

Ještě je nutné řešit celou řadu těchto problémů v závislosti na velikosti spalovacího zařízení a druhu spalované biomasy. Ale obecně lze říci, že dnešní kotle na spalování biomasy byly vyvinuty až k úrovni, kdy z pohledu emisí nespálených materiálů (CO, uhlovodíky), mohou být srovnány s olejovými, nebo dokonce plynovými kotli. Obecně lze uvést, že emise prachu musí být redukovány separačními zařízeními. Dnes jsou dostupné ekonomicky výhodné elektrostatické filtry.

Co se týká oxidu dusíku u kotlů na spalování biomasy, je další úsilí směrováno k vývoji ekonomicky efektivním technologiím, zatím se omezuje tvorba NO_x řízením spalovací teploty do 1100 °C.

Současné ceny fosilních paliv a energií – porovnatelnost s cenami biopaliv

Porovnání cen fosilních paliv s cenami nejrozšířenější formy biopaliva – dřevní štěpky jsou na obr. 1. Cenová úroveň paliv a energie je červenec 98. Ceny za 1 GJ v palivu jsou včetně DPH a nutných nákladů (doprava a manipulace). Cena za 1 GJ na prahu objektu zahrnuje účinnost jednotlivých spalovacích zařízení, ztráty v rozvodech a náklady na provoz zařízení.

Přes poměrně nízké ceny energie v Kč.GJ^-1 nejsou zatím příliš centrální kotelny (ústřední vytápění budovy, bloku, výtopna obce, sídliště) rozšířeny. Příčinou jsou vysoké investiční náklady na pořízení nových zařízení (budova, technologie, tepelná síť), v takových místech obvykle bývají přístupné zdroje biomasy.

Jiná situace by mohla být u rekonstrukcí. Výměna kotle a úprava skladového prostoru na štěpku nejsou až tak finančně náročné. Je však nutno přiznat, že v obcích nebo městech , kde je možné takto relativně levně úpravy provést, je pak problematičtější získat zdroj levné biomasy.

Využití biopaliv v evropské unii

V Evropské unii byla schválena koncepce náhrady 15 % paliv a energií z obnovitelných zdrojů do r. 2010. Na obr. 2 je graf, který znázorňuje podíl obnovitelných zdrojů energie na energetické bilanci zemí EU. Na obr. 3 je podíl biomasy na energetické bilanci ve vybraných státech. Velmi markantní je rozdíl mezi rokem 1993 a 1996 (značný nárůst objemu využití OZE a zejména biomasy) v Irsku. Je to dáno širokým využitím dřeva z lesů a nově založenými plantážemi rychlerostoucích dřevin.

Nejrozšířenější využití biomasy k výrobě tepla je v současné době ve Švédsku, Finsku, Rakousku, Irsku a Dánsku, pomineme-li využití dřeva a biomasy v rozvojových zemích, jako například spalování bagasy v Egyptě, na Kubě a Brazílii.

V Rakousku se biopaliva podílejí na celkové výrobě energie 13 %. Ze 70 % je tento podíl kryt dřevem, sláma se podílí zatím jen 1 % - v pěti výtopnách. Moderních kotlů a kamen na polena a polínka je v provozu asi 66 000 a topenišť na dřevní štěpku asi 18 000, z toho výtopen a tepláren s výkonem přes 1 MW 254! Energetických plantáží bylo od roku 1980 v Rakousku založeno více než 900 ha, převážně topolových. Pro sklizeň rychlerostoucích dřevin byly vyvíjeny potřebné stroje, ale jejich sériová výroba zatím nebyla zahájena.

V energetickém hospodářství Dánska se uvažuje se vzrůstem využití biomasy ze současného objemu 30 PJ na 90 PJ v roce 2000. V tomto programu se výrazně uplatňuje spalování slámy v objemu 10 PJ a dřeva s energetickým potenciálem 20 PJ ročně. Tomuto programu se přikládá veliký význam i z hlediska snížení emisí CO₂, SO₂, NO_x a jiných škodlivin.

V Dánsku bylo v roce 1994 instalováno zařízení na spalování biomasy v šesti lokalitách o výkonech od 10 do 100 MW. Zatím se používají prášková a fluidní oběhová ohniště. Pozornost je věnována i výrobě plynu z biomasy. Do konce roku 1998 by mělo být zprovozněno několik dalších tepláren na spalování biomasy (celkový počet cca 17).

Pro studium problematiky spalování biomasy v různých ohništích jsou v Dánsku a SRN instalována testovací zařízení o tepelných výkonech od 0,3 do 5 MW_t. Velmi podrobně jsou sledovány i otázky korozívního působení spalin ze spalované biomasy na teplosměnný tlakový systém kotlů.

V teplárnách využívajících kombinovaná paliva byly zavedeny tři systémy:

• prášková technologie (mleté uhlí + šrotovaná sláma),
• spalování hruboprachu uhlí na roštu s přídavkem slámy,
• fluidní spalování směsi uhlí a slámy (jemné frakce).

Tyto technologie jsou vyspělé a drahé, proto je nutné jejich využití pro kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie.

Tepelná energie vzniklá spalováním biomasy může být za určitých podmínek zčásti přeměněna na energii elektrickou, tj. univerzálně použitelnou s vyšší tržní hodnotou. Tím se celková účinnost zařízení podstatně zvyšuje. Někteří odborníci předpokládají, že masové rozšíření tepláren na spalování biopaliv s kogenerací tepla a elektřiny by mohlo v budoucnu nahradit i několik velkých elektráren se spalováním uhlí. Výroba elektřiny v teplárně kryje potřebu nejen vlastního objektu, sídliště, či podniku, ale přispívá i tržbou za prodej do veřejné sítě k efektivnosti provozu. Vlastnímu uskutečnění záměru v praxi kromě ekonomických, tj. investičních problémů, brání někdy i další okolnosti: zájmy malých výrobců elektřiny z biomasy, stejně jako u malých vodních elektráren narážejí na ochranu zájmů velkých, monopolních výrobců a bez vhodné legislativy se prosazuje na trhu spíše velký výrobce.

Literatura :

Kára, J. a kol.: Využití biomasy a zemědělských odpadů. Z-AD 1092/2, VÚZT Praha, 1992, 102 s.

Kára, J. a kol.: Energetické využití fytomasy. Z-2245, VÚZT Praha 1991, 59 s.

Kára, J. a kol.: Kvantifikace a využití obnovitelných a druhotných zdrojů energie v zemědělství. VÚZT Praha, 1995, 143 s.

Kol. autorů: Biomasse - nachwachsende Energie aus Land und Forstwirtschaft. CMA Bonn, 1996,72 s.

Pokorný, Z.: Systémy aplikace a využití motorových biopaliv v zemědělském provozu. Z-2291, VÚZT Praha, 1995, 28 s.