Biomasa pro energetické účely

17.3.2010, Ing. Vítězslav Šťastný, CSc. a kolektiv, Zdroj: Verlag Dashöfer

6.8.4

Biomasa pro energetické účely

Ing. Vítězslav Šťastný, CSc. a kolektiv

Biomasu je možné použít jako palivo pro výrobu tepla, chladu, elektřiny, pro výrobu bioplynu a dřevoplynu, pro výrobu kapalných paliv. Očekává se, že podstatný podíl požadované výroby z OZE dle EU bude pokryt zařízeními využívajícími biomasu.

 NahoruDefinice pojmu biomasa

Asi 0,1 % slunečního záření dopadajícího na zem je přeměněno v chemickou energii. Podle směrnice Evropského parlamentu a Rady 2001/77/ES se v definici "biomasa“ rozumí biologicky rozložitelná část výrobků, odpadů a zbytků ze zemědělství (včetně rostlinných a živočišných látek), lesnictví a souvisejících průmyslových odvětví a rovněž biologicky rozložitelná část průmyslového a komunálního odpadu.

V podmínkách ČR jde především o využití biomasy z dřevních odpadů (štěpky, piliny, kůra aj.), rychle rostoucích dřevin (r.r.d.), nedřevní fytomasy (zelená biomasa, sláma obilní i řepková, rychle rostoucí energetické plodiny – nová biomasa), průmyslové a komunální odpady rostlinného původu (papírenské odpady aj.), kejda a chlevská mrva pro produkci a využití bioplynu, kapalná paliva, kaly z čistíren odpadních vod, bioplyn ze skládek odpadů, tříděné komunální odpady (TKO).

 NahoruDřeviny jako zdroj biomasy

Využití biomasy z odpadů je potřebné a záslužné, nemůže však splnit požadovanou výrobu elektřiny z OZE podle dohody s EU. Jedině cílené pěstování energetických bylin na půdě nepotřebné k produkci potravin umožní splnit požadované množství elektřiny z těchto zdrojů. Významné pro další rozvoj je využití biomasy pro výrobu bioplynu.

Orientační hodnoty pro průměrné složení biomasy a TKO, prvkový rozbor biomasy, obsah prchavé hořlaviny jsou uvedeny v části "Paliva“ tab. 6, 7, 8. V tabulce 9 jsou energetické vlastnosti Rumexu OK2, v tabulce 10 vlastnosti vzorku suché topolové štěpky (rychle rostoucí dřevina).

Pro pěstování energetických bylin je vytvořen seznam MZe a MŽP povolených rostlin jednoletých, dvouletých, víceletých a vytrvalých. Nejdůležitější energetické plodiny bylinného charakteru jsou rostliny víceleté a vytrvalé.

 NahoruVýběr rostlin jako zdroje biomasy

Při výběru rostlin vhodných pro pěstování pro energetické účely jsou kromě agrotechnických hledisek důležité i jejich vlastnosti, které ovlivňují hospodárnost využití biomasy.

Důležité jsou tyto ukazatele:

• energetický výnos biomasy [GJ/ha]

• výnos suché hmoty [t/ha]

• výhřevnost rostliny [MJ/kg]

• energetická výtěžnost [GJ/ha]

• obsah vody [kg/kg]

• obsah popela v biomase [kg/kg]

• ρ_v, ρ_s hustota vlhké, suché biomasy [kg/m³]

• m_v, m_s hmotnost vlhké, suché biomasy [kg]

• ceny biomasy [Kč/t], [Kč/GJ] C_Bio = m_Bio / Q_n [Kč/GJ]

Využití biomasy, která patří mezi tuhá paliva, je určeno fyzikálními a chemickými vlastnostmi použité biomasy. Konstrukce a provedení spalovacích zařízení i dalších zařízení pro energetické využití musí vycházet z těchto vlastností. Podobně jako u běžných druhů paliv jsou i u paliv z biomasy ukazateli kvality paliva zejména obsah vody, chemické složení hořlaviny paliva, obsah popela, obsah prchavé hořlaviny a výhřevnost paliva.

V dřevozpracujícím průmyslu se používá jiné vyjadřování obsahu vody proti běžné energetické praxi. V dřevozpracujícím průmyslu se obsah vody v dřevní hmotě určuje podle vztahu

kde m₁ [kg] je hmotnost vzorku surové dřevní hmoty, m₂ [kg] hmotnost vzorku po vysušení, ∆ W [kg] úbytek hmotnosti vzorku vlivem vysušení [kg].

V energetice se vyjadřuje obsah vody vztahem

Z výše uvedených vztahů vyplývá, že dle energetických zvyklostí pro W = 50 [%] odpovídá v dřevařské praxi obsah vody W_dř = 100 [%]. Pro vzájemné porovnání obsahu vody mezi oběma metodami lze orientačně použít obrázek 1

Obrázek 1 – Porovnání vyjadřování obsahu vody energetického a dřevařského

 NahoruVýhřevnost biomasy

Výhřevnost biomasy je závislá na obsahu vody. Protože obsah vody v biomase značně kolísá, hodnota výhřevnosti se rovněž pohybuje v širokém rozmezí.

Informativní údaje o závislosti výhřevnosti na obsahu vody u dřevních odpadů je v obrázek 2

Obrázek 2 – Výhřevnost dřevních odpadů v závislosti na obsahu vody

Informativní hodnoty závislosti výhřevnosti biomasy na obsahu vody jsou v tabulce 1.

Tabulka 1 – Výhřevnost biomasy v závislosti na obsahu vody

V tabulce 2 je příklad vlivu vlhkosti na výhřevnost a hustotu.

Tabulka 2 – Vliv vlhkosti na výhřevnost a hustotu

Vyšší obsah vody v surové hmotě biomasy klade zvýšené nároky na vhodnou konstrukci spalovacích a dalších zařízení. Se zvyšujícím se obsahem vody klesá výhřevnost paliva a tím i teoreticky dosažitelná teplota nechlazeného plamene ve spalovací komoře.

Hustota biomasy [kg/m³] je závislá na obsahu vody. Je třeba rozlišovat hustotu volně sypané, lisované nebo kompaktní hmoty biomasy. Znalost hustoty biomasy je potřebná při bilančních výpočtech, navrhování dopravních zařízení a skládek.

Orientační hodnoty hustoty dřeva lze určit ze vztahů

pro smrk ρ_sm = 0,15·W² – 0,52·W + 462,98 [kg/m³; %]

pro borovici ρ_bo = 0,15·W² – 0,65·W + 510,55 [kg/m³; %]

pro dub ρ_du = 0,15·W² – 0,97·W + 663,79 [kg/m³; %]

Přibližně lze tyto hodnoty určit z obrázku 3.

Obrázek 3 – Hustota dřeva v závislosti na obsahu vody

Při objemových bilančních a projekčních výpočtech spotřeby paliva se v praxi dřevozpracujícího průmyslu používají tyto objemové jednotky:

plm plnometr dřeva (1 m³ skutečné dřevní hmoty)

prm prostorový metr dřeva (1 m³ složeného dřeva štípaného nebo neštípaného)

prm_s prostorový metr sypaného dřeva (1 m³ volně sypaného, nezhutňovaného drobného nebo drceného dřeva)

V tabulce 3 jsou uvedeny vzájemné orientační přepočty

Tabulka 3 – Orientační přepočty

 NahoruNová biomasa

Pěstování biomasy pro energetické účely je v EU i ČR dotováno státem. V ČR je známé cílené pěstování rostlin pro průmyslové využití v případě řepky pro bionaftu nebo obiloviny či brambory pro výrobu technického bioetanolu.

Existuje řada vytrvalých a jednoletých rostlin, jejichž pěstování by bylo možné pro užití v elektroenergetice. Možnosti jejich pěstování a využití je hodnoceno podle výnosů suché hmoty [t/ha], energetické výtěžnosti, nákladů a další ukazatelů. Jako příklad jsou informativně uvedeny v tabulce 4 některé vytrvalé a jednoleté rostliny.

Tabulka 4 – Ukazatele jednoletých a vytrvalých rostlin

Pěstování energetických rostlin se v ČR věnuje několik výzkumných ústavů a dalších organizací.

V současné době bylo u nás dosaženo příznivých výsledků s pěstováním a využíváním šťovíku. Již několik let je úspěšně ověřováno jeho pěstování a využívání (Rumex OK2 – Uteuša). Kvalitativní parametry šťovíku Rumex OK2 jsou v části "Palivo“ v tabulce 9.

Další řada výzkumných prací byla a je realizována pro pěstování rychle rostoucích dřevin (r.r.d.) pro využití v energetice. Tyto produkční porosty jsou v češtině označovány jako (výmlatkové) plantáže rychle rostoucích dřevin (r.r.d.). Součástí produkčního systému jsou i reprodukční porosty určené k zajištění produkce sadebního materiálu označované jako matečnice r.r.d. Produktem plantáží r.r.d. je dřevní biomasa, obvykle ve formě štěpky. V současné době připadají u nás v úvahu pro zakládání porostů vybrané klony topolů a vrb.

 NahoruTopné pelety, brikety

Topné pelety jsou druhem tuhého paliva vyráběného z biomasy, s vysokou výhřevností, nízkým obsahem popelovin a vody. Biomasa se nejdříve podrtí, vysuší a slisuje vysokým tlakem a teplotou do biobriket nebo drobných válcových biopelet o vysoké hustotě. Po výstupu z peletizátoru musí být peletky chlazeny pro získání potřebné pevnosti a trvanlivosti.

Pro výrobu topných pelet se používá dřevní hmota (piliny, drť) nebo drcená sláma a energetické rostliny o sušině cca 90 % (nejlepší způsob sušení je horkým vzduchem o teplotě cca 160 °C). Peletizačním zařízením je obvykle protlačovací mechanický lis, zpracovaná biomasa se protlačuje otvory matrice. Vzniklé teplo změkčuje v biomase obsažený lignin. Přehled o normách dřevních peletek je v tabulce 5 a chemické složení pelet v tabulce 6.

Tabulka 5 – Evropské normy dřevních peletek – rozsah hodnot