4.2. Energetické využití biomasy

Obecně se biomasou rozumí jakákoliv obnovující se látka organického původu, tj. rostliny, živočichové a jejich odpady. Celosvětová roční produkce biomasy se odhaduje na 20.1011 t.
Biomasa je obrovský zdroj obnovitelných surovin a energie, kterého lze využít k mnoha účelům ve speciálních průmyslových, technických a energetických odvětvích (obr. 131 a 132)
Biomasa pro energiiRozdělení druhů biomasy. Obr. 131, 132
Biomasa byla před několika stoletími, než se začalo používat fosilních paliv, hlavním zdrojem energie. V současné době pokrývá 14 % celosvětové potřeby energie. Odhaduje se, že fotosyntézou se každým rokem na zemi vytváří 120 až 220 miliard tun biomasy, jejíž energetický obsah je pět krát vyšší než současná světová spotřeba energie. Proto se očekává, že v 21. století k energetickým zdrojům ve světě významně přispěje i biomasa.
V celosvětovém měřítku je rozdělení spotřeby energie následující (1987): biomasa 14 %, atomová energie 5 %, vodní energie 6 %, plyn 17 %, uhlí 26 %, nafta 32 % (obr. 133).
Vývoj objemu zdrojů Obr. 133
V Evropě pokrývalo spotřebu energie v roce 1992 z 21 % hnědé uhlí, 44 % ropa, 19 % zemní plyn, zbytek tvořila jaderná energie a obnovitelné zdroje energie.
Podíl energie z biomasy (%) na celkové produkci energie byl v roce 1997 následující: Finsko 23, Švédsko 18, Rakousko 12,6, Irsko 12, Dánsko 7, Francie 4,6, Norsko 4,4, Itálie 2,1, Slovensko 1,5, Holandsko 1,1, Belgie 0,7, ČR 0,6. V Řecku tvoří spotřeba bioenergie 5 % a USA 4 % z celkové spotřeby primární energie.
V EU v blízké budoucnosti předpokládají, že z potravinové produkce bude vyčleněno kolem 80 mil. ha půdy. Kdyby se na ní teoreticky pěstovaly vytrvalé rostliny s produkcí 20 t sušiny . ha-1 s energetickým obsahem 18,5 GJ na tunu, potom by byl produkován každoročně ekvivalent 30 EJ. Přitom roční spotřeba fosilních paliv v EU je obdobná a činí 36 EJ.
Evropská komise přijala dne 26. 11. 1997 dokument s názvem "White paper" pro zahájení prvních kroků v souborné strategii a akční plán určený k tomu, aby se do roku 2010 dosáhlo zdvojnásobení ze 6 na 12 % celkového podílu obnovitelných zdrojů na produkci energie EU. Podíl biomasy z celkových obnovitelných zdrojů energie byl 60 % v roce 1995. V roce 2010 se počítá s navýšením na 84 %.

V ČR energetická potřeba představuje cca 1750 PJ.r-1 a je ze 62,9 % kryta ekologicky nevhodným hnědým uhlím, z 26 % zemním plynem a naftou z dovozu, z 10,5 % jadernou a vodní energií a pouze z 0,6 % energií z biomasy.
Situace ve využívání biomasy v ČR není v porovnání se státy EU nejlepší (tab. 2), i když u nás jsou celkem vydatné zdroje biomasy, které by se daly daleko lépe využívat (tab 3).

Finsko
23 %
Švédsko
18 %
Rakousko
12,60 %
Irsko
12 %
Dánsko
7 %
Francie
4,60 %
Norsko
4,40 %
Itálie
2,10 %
Slovensko
1,50 %
Holandsko
1,10 %
Belgie
0,70 %
ČR
0,60 %

Tab. 2
Podíl energie z biomasy na celkové produkci energie (1997)


tis. ha
%
Výměra zem. půdy (1998)
4 284
100
Předpokkládaný převod do jiných kategorií pozemků
84
2
Výměra marginálních oblastí
1 000
23
Půda pro produkci potravin
2 700
63
"Set-asude" plochy
500
12
Odhad množství odpadní fytomasy
Forma
Množství (106 t)
Úhory, rezerva pícnin, marginální oblasti
stébelniny
1,3
Obiloviny
stébelniny
2,6
Lesní dendromasa
štěpka, polena
3,2
Celkem

7,1

Tab. 3
Předpokládaná struktura zemědělské půdy a odhad množství odpadní fytomasy

Ministerstvo životního prostředí ČR chce v souladu s plány EU do roku 2010 ztrojnásobit obnovitelné zdroje energie u nás ze současných 2 % na 6 %. Také v ČR bude perspektivní hlavně využívání biomasy (obr. 134,  tab. 4).
Zdroje EVB Obr. 134

Palivo
Zdroj
Množství za rok (t)
Palivové dřevo
Odpady lesní těžby a zpracovatelského průmyslu,
sady stromořadí (asi 40 %přírůstků)
2 600 000
Sláma obilovin
25 % celkové sklizně slámy při výnosu 4 t/ha
1 600 000
Sláma olejnin
100 % celkové sklizně při výnosu 4 t/ha
900 000
Energetické traviny, rákos
20 % ploch trvalých porostů při výnosu 2 t/ha
800 000
Polní dříví a energetické obilí
Energetické plodiny na vyčleněné půdě při výnosu 10 t/ha
4 000 000
Dřevní a další spalitelný komunální odpad
Dřevní "šrot", odpady
600 000

Tab. 4
Odhad potenciálu pevných biopaliv pro Českou republiku po roce 2000

V prvé fázi využívání rostlinných energetických zdrojů bude u nás nejjednodušší využívat stávající a v současné době málo využívané zdroje jako jsou odpady z lesů nebo slámu některých zemědělských komodit. V druhé fázi bude potřebné nastartovat program s využíváním nadbytečné zemědělské půdy nově zakládanými plantážemi energetických rostlin (obr. 135).
Výhled enegetického potenciálu Obr. 135
Jednou z možností je lépe a intenzivněji využívat zdroje lesní biomasy.
 V ČR bylo k roku 1997 2 025 653 ha obhospodařované lesní půdy. V současné době se v ČR těží cca 13,2 mil. m3 dřeva. Z těžby je v různých fázích od kácení až do zpracování velké množství odpadu, který by se dal využít v energetice (obr. 136). Jenom v dřevozpracujících podnicích ČR vzniklo 350 tis. tun technologicky a energeticky nezužitkovatelné odpadové suroviny z toho je asi 50 % jemného odpadu (piliny, hobliny apod.) (obr. 137). Nezužitkované odpady vznikají především v malých a středních zpracovatelských podnicích. Důvodem je nízká spotřeba tepla na technologické účely daná výrobní činností menších podniků nebo nedostatek finančních prostředků na vybudování bezodpadových technologií.
Drtič odpaduObr. 136 Drtič odpadu
Biomasa  Onr. 137 Biomasa
V ČR bylo zatím nejobvyklejší úpravou dřeva pro energetické využití štěpkování (obr. 138). Cena vstupního materiálu se neuvažovala, protože se předpokládalo, že jde o využití odpadního jinak neprodejného materiálu. Průměrná hodnota úplných vlastních nákladů na výrobu lesní štěpky v ČR je odhadována na cca 400 Kč.m-3
Dalším zdrojem energie je sláma. V ČR zaujímá výměra zemědělské půdy 4 280 tisíc ha, z toho orná půda činí 3 143 tisíc ha, louky 630 tisíc ha a pastviny 272 tisíc ha. Ve všech zemědělských podnicích je ještě cca 50 % zastoupení obilnin. Celková produkce vedlejších produktů našeho zemědělství (sláma, nať, skrojky aj.) představuje přibližně 12,608 mil. tun (viz tab. 24). Z tohoto množství může být již dnes využito pro energetické účely kolem 11,8 %. Produkce slámy obilovin kolem 419 tis. tun (po odečtení produkce na krmení, stlaní, částečné zaorávky, ztrát při provozu atd.) by mohla být ihned využita na spalování. s produkcí slámy řepky (celkem 1 328 tis. tun) by mohla zabezpečit takové množství energie, které by stačilo na zajištění provozu 47 elektráren s parním turbo-generátorem s výkonem 5,0 mW. Nebo toto množství by zajistilo vytápění cca 239 000 rodinných domků (obr. 139).
 Zařízení na plnění Obr. 138 Zařízení na plnění štěpky do kotle
Výtopna Obr. 139 Výtopna
Produkce bioplynu Obr. 140 Produkce bioplynu z 1 t různých substrátů
V neposlední řadě je možno spalovat pevný domovní odpad, jehož roční produkce z celkových odpadů v ČR je 0,4 %, což představuje cca 2,6 mil. tun.

Surovinový zdroj
Plocha (ha)
Výnos z ploch celkem
Zdroje lesní biomasy


těžba v lesích celkem
2 024 653
13 200 000 m3
produkce klestu celkem

590 860 m3
odpad při manipulaci na místech odvozu

80 000 m3
odpad při manipulaci na manipulačně-expedičních skladech

139 000 m3
palivové dřevo

780 000 m3
biomasa z prořezávek

60 000 m3
odpady v dřevozpracujícím průmyslu

350 000 t
Pevný domovní odpad

2 600 000 t

Tab. 5
Zdroje možné biomasy k energetickému využití v ČR. (Podle různých autorů)

Důležité na všech uvedených komoditách (kromě domovního odpadu) je, že v sobě obsahují relativně vysoký obsah energie. Jejich výhřevnost na hmotnostní jednotku je větší než u běžného hnědého uhlí. Výhřevnost dřeva a slámy však obecně klesá se zvyšující se vlhkostí. Přesto však např. dřevo s obsahem vody kolem 25 % má v průměru výhřevnost 13,5 MJ.kg-1, což je podobná výhřevnost jakou má běžné hnědé uhlí .

Plodina
Sklizňová plocha
(1994) (ha)
Výnosy
Produkce fytomasy
Zaorávka a
ztráty slámy *
(tis. t.)
Krmení a stlaní
(tis.t.)
Sláma pro
energii
(tis.t.)
hlavní produkt
(t.ha-1)
vedlejší produkt
(t.ha-1)
hlavní produkt
(tis. t.)
vedlejší produkt
(is.t.)
Pšenice ozimá
765
4,65
5,28
3 557
4 268
1 067
3 201
-
Pšenice jarní
47
3,51
4,21
165
198
50
148
-
Žito
79
3,51
4,27
277
416
104
104
208
Ječmen ozimý
184
4,38
5,69
806
1 048
262
786
-
Ječmen jarní
457
3,54
3,54
1 618
1 618
405
1 213
-
Oves
77
2,72
3,81
209
293
73
220
42
Tritikale
15
3,75
5,63
56
84
21
63
-
Produkce. celk.




7 925
1 982
5 735
250
Kukuřice na zrno 30
3,39
5,76
102
173
43
-
130
Ostatní obiloviny
6
2,22
2,66
13
16
4
-
12
Obiloviny celkem




8 114
2 029

342
Hrách setý
61
2,42
2,90
148
177
177
-
-
ostatní luskoviny
9
1,57
1,88
14
17
17
-
-
Luskoviny celkem




194
194

-
Brambory rané
18
14,00
5,60
252
101
101
-
-
Brambory pozdní
konzumní, prům.
59
16,65
6,66
982
393
393
-
-
Cukrovka
91
35,57
28,46
3 237
2 589
650
1 939
-
Krmná řepa
12
34,45
10,43
413
124
-
124
-
Ostatní okopaniny
2
20,82
8,33
42
17
17
-
-
Okopaniny celkem




3 224
1 161
2 063
-
Řepka
191
2,38
4,76
455
909
-
-
909
Slunečnice na sem.
16
1,90
8,17
30
131
-
-
131
Mák
29
0,57
1,24
17
36
-
-
36
Olejniny celkem




1 076


1 076
Pícniny na o.p.
887
14,77**

12 569




Louky a pastviny
861
3,23**

2 781




Celkem





12 608



     Bereme v úvahu, že ztráty vedl. produktů (sláma , nať, chrást) činí 285 %
**     Výnosy sena

Tab. 6
Rozbor produkce fytomasy pěstovaných plodin na zemědělské půdě v ČR

Vedle již uvedených zdrojů, které mohou sloužit k energetickému využití se v současné době začínají speciálně pěstovat rostliny za účelem produkce fytomasy. Při výběru energe-tických plodin by se mělo přihlížet k několika základním faktorům. Ideální energetická plodina (ideotyp) by měla mít následující kritéria:
Rychlý růst.
Biomasu nad zemí (běžně ne plodiny s hlízami). Sklizeň nadzemní části snižuje cenu a chrání půdu.
Obsah prvků, zvláště N, co nejnižší zvláště v sklízených částech. Popeloviny snižují kvalitu paliva.
Vytrvalé rostliny, vyrůstající z rhizomů a pařezů. Nemusí se financovat setí a další pěstební technologie. Měly by dobře přežívat zimní období.
Rašící časně na jaře a hynoucí pozdě na podzim s návratem části živin do přežívajících částí rostliny. Plodina by měla růst relativně rychle též při nízkých teplotách. Recyklace živin umožňuje nízké inputy živin.
Vysoká odolnost proti chorobám. Přítomnost jedovatých alkaloidů, která tvoří rezistenci plodin, není problém, neboť plodiny nejsou určeny pro potravu.
Vysoká konkurenceschopnost proti plevelům. Jestliže budou rychle vyrůstat brzy na jaře nebude velký problém s plevely.
Nízká spotřeba vody a odolnost proti suchu.
K energetickým účelům se dají rostliny přímo záměrně pěstovat, nebo se dá využívat rostlinných zbytků. Při využívání biomasy k energetickým účelům existují některé výhody oproti konvenčním palivům. Zdroj energie má obnovitelný charakter. Jsou menší negativní dopady na životní prostředí (emise CO2 jsou na úrovni množství CO2 přijatého při fotosyntéze, zatímco u fosilních paliv jsou emise CO2, ale i dalších látek výrazně vyšší). Jelikož jde o místní zdroj energie, snižuje se potřeba dovozu energetických zdrojů. Zdroj biomasy není lokálně omezen a jeho řízená produkce přispívá k vytváření krajiny a péči o ní. Jde mnohdy o rostlinné zbytky, které se tímto účelně využívají.
Způsob využití rostlinné hmoty závisí na množství látek, na jejich skladovatelnosti, obsahu vody, struktuře a látkovém složení. Látky s vysokým obsahem vody je nejlépe zpracovávat kvašením, látky s nízkým obsahem vody se hodí pro spalování nebo suchou destilaci. Hodnota 50 % sušiny je přibližná hranice mezi mokrými a suchými procesy.

Způsoby získávání energie z biomasy:

Pokud jde o ekonomiku, potom nejméně investičně náročná jsou zařízení na spalování (dřevo, sláma, domovní odpady apod.), rekuperační výměníky tepla a bionafta. Vyšší investiční náklady mají tepelná čerpadla, bioplynové stanice.
Vedle obnovitelných zdrojů energie existují i další alternativní druhotné zdroje energie. V zemědělství lze získat odpadní teplo z odpadních jímek, při větrání stájových prostorů apod. a to pomocí tepelných čerpadel a rekuperačních výměníků.

4.2.1. Termochemická přeměny biomasy

4.2.1.1. Spalování biomasy

Spalování je nejstarší známou termochemickou přeměnou biomasy. Při vysokých teplotách nad 660 °C dochází k rozkladu organického materiálu na hořlavé plyny, destilační produkty, uhlí a dále oxidací na oxid uhličitý a vodu (tab. 7). Spalování biomasy slouží k výrobě tepla, páry (ohřev vody) nebo elektrické energie.
Pro spalování biomasy se používají kamna nebo kotle nejrůznějších velikostí, výkonů a systémů. Pro spalování biomasy nelze použít kotelní zařízení konstruovaná na uhlí. Také topeniště kotlů musí být uzpůsobeno druhu a stavu paliva, které bude použito (obr. 10, 11). Na rozdíl od fosilních paliv, které po vytěžení nevyžadují velkých úprav, aby je bylo možno spalovat, je třeba paliva z biomasy většinou upravit (krácení, štípání, sekání, lisování, mletí, sušení apod.). Množství uvolněné energie závisí také na výhřevnosti spalované látky.

Složka
Dřevo
Kůra
Hnědé uhlí
jehličnaté
listnaté
smíšené
C
51,0
50,00
50,5
51,4
69,5
H2
6,2
6,15
6,2
6,1
5,5
O2
42,2
43,25
42,7
42,2
23,0
S
-
-
-
-
1,0
N2
0,6
0,60
0,6
0,3
1,0
A5
1,0
1,00
1,0
2,3
2,5

Tab. 7
Chemické složení hořlaviny dřevní hmoty (%)

Druh paliva
Výhřevnost (MJ.kg-1)
Motorová nafta
42,5
LTO
42,5
TTO
41,45
Uhlí černé *
29,3
Uhlí hnědé (české)
10-16
Dřevo palivové při obsahu vody 20 %
14,23
Dřevo palivové při obsahu vody 50 % 8,1
Sláma obilovin (obsah vody 10 %)
15,5
* Nejlepší světová kvalita

Tab. 8
Porovnání výhřevnosti některých paliv (podle Sladkého)

Z uvedené tabulky je patrné, že výhřevnost paliv silně závisí na vlhkosti spalovaného materiálu (tab. 9)

Palivo
Obsah vody (%)
Spalné teplo (MJ/kg)
Výhřevnost (MJ/kg)
Sypná hmotnost (kg/m3)
Energetická hustota (GJ/m3)
Dřevní palety
10
19,8
16,6
600
9,9
Štěpka, tvrdé dřevo, předsušená
30
19,8
12,2
320
3,9
Štěpka, tvrdé dřevo, surová
50
19,8
7,9
450
3,6
Štěpka, měkké dřevo, předsušená
30
19,8
12,2
250
3,1
Štěpka, měkké dřevo, surová
50
19,8
7,9
350
2,8
Seno suché, balíky
18
18,4
13,7
200
2,7
Kůra
50
20,2
8,1
320
2,6
Žito, celá rostlina, balíky
15
18,7
14,4
175
2,5
Dřevní piliny
50
19,8
7,9
240
1,9
Sláma pšeničná, balíky
15
18,7
14,4
120
1,7
Sláma řepková, balíky
13
19,0
14,5
115
1,7
Sláma stébelnin, řezaná
15
18,7
14,4
45
0,65
Křídlatka řezaná
14
17,9
15,4
43
0,66
Křídlatka paketovaná
14
17,9
15,4
295
4,5
Sláma stébelnin briketovaná, rovnaná
15
18,7
15,2
730
11,1
Stonky lnu briketované, rovnané
13
19,0
16,0
560
9,0

Tab. 9
Průměrné hodnoty obsahu vody, výhřevnost, sypné hmotnosti a energetické hodnoty biopaliv

Spalování biomasy má své kladné a záporné stránky. Při spalování biomasy nevzniká více CO2 než bylo předtím rostlinami přijato. Biomasa neobsahuje téměř síru (ve slámě je asi 0,1 %, ve dřevě téměř není, nejvíce je v seně do 0,5 %, hnědé uhlí má min. 2 %) (obr. 141, 142). Tvorbu NOX je možno kontrolovat udržováním optimální teploty plamene. Obsah těžkých kovů v biomase je velmi nízký a se spalinami se do ovzduší nedostane. Něco může zůstat v popeli, kterého je oproti uhlí velmi málo (obsah popelovin slámy 5 %, dřeva 0,5 %). Z negativních jevů je to nebezpečí úletu jemného popílku (jsou používány odlučovače a filtry). Při spalování vlhké biomasy existuje nebezpečí vzniku kouře (aromatické uhlovodíky). Proto musí být palivo suché, nebo musí mít čas aby proschlo než přijde k místu zapálení.(obr. 143)
Obsah síry v biopalivech Obr. 141 Obsah síry v biopalivech
Obsah chlóru v biopalivechObr. 142 Obsah chlóru v biopalivech
Vliv vlhkosti na způsob zpracování biomasy Obr. 143 Vliv vlhkosti na způsob zpracování biomasy
Ke spalování se v největší míře používají dřevo, sláma, odpadové dřevo nebo různé posklizňové zbytky, které se spalují buď samostatně nebo se mísí s uhlím. Samotné dřevo se spaluje ve formě polen, štěpků, pilin, briket (obr. 144) nebo pelet (obr. 145). Slámu lze spalovat volně loženou, ve formě různých typů balíků, briket, pelet.
Briketovací lis Obr. 144 Briketovací lis
Příjem suroviny pro výrobu pelet Obr. 145 Příjem suroviny pro výrobu pelet
Tyto komodity představují obrovské množství energie, které je velmi málo využíváno. V ČR je předpokládaná roční těžba palivového dřeva 678 000 m3. Další zdroje z prořezávek, těžby, odpadů z dřevozpracujícího průmyslu, odpadů na odvozových místech, manipulačních skladech apod. se odhadují na dalších 700 000 m3, což představuje roční energetický ekvivalent 12 600 TJ. Na obrázku vidíme kotel na spalování dřevěných polen (obr. 146 - 148)
Kotel na polena Obr. 146 Kotel na polena
Kotelna na dřevní odpad Obr. 147 Kotelna na dřevní odpad
Kotle na spalování dřeva Obr. 148 Kotle na spalování dřeva

Plodina
Průměrný výnos (ha-1)
(různé plochy)
Energitický obsah
(MJ.kg-1)
Energetická výtěžnost
'GJ.ha-1)
Konopí
10,52
18,060
190,0
Hyso
10,66
17,657
188,2
Čirok zrnový
5,78
17,633
101,9
Čirok cukrový
11,48
17,588
201,9
Křídlatka
20,43
19,444
397,2
Slunečnice
8,31
16,700
138,8
Len (sláma)
4,78
18,580
88,7
Koriandr
5,14
18,880
297,0
Řepka ozimá (sláma)
4,74
17,484
82,8
Lnička
4,71
18,840
88,9
Ozdobnice (Miscanthus)
15,00
17,887
268,3
Sláma obilí
4,50
15,200
68,4

Tab. 10
Energetická výtěžnost rostlin (podle Petříkové)

Rostlina
Výnos suché hmoty
t/ha/rok
Spalné teplo
MJ/kg
Produkce energie
GJ/ha
Tritikale
9,0
15,0
135,0
Žito
9,0
15,0
135,0
Sláma obilovin
4,5
14,3
64,4
Lesknice rákosovitá
15,0
14,5
217,5
Třtina rákosovitá
N
14,5
N
Šťovík krmný
18,0
17,8
320,4
Slézy, proskurník
8,8
19,6
154,3
Bělotrn modrý
16,5
17,5
323,6
Dřevní štěpka - plantáž
11,7
15-17,5
190,0
Pozn. N - neuvedeno
Tab. 11
Teoretické energetické výtěžnosti fytomasy pro přímé spalování (dle údajů VÚRV)

Kromě nejjednoduššího energetického využívání spalováním je možné využívat pro každoročně narůstající biomasu (hlavně dřeva) i dalších možností jako je zplyňování, zkapalňování a chemické zpracování některých derivátů, kdy se vytvářejí zušlechtěná paliva.

4.2.1.2. Zplyňování biomasy

Zplyňování biomasy je proces termochemické přeměny pevného materiálu na plyn, který se dále používá jako palivo nebo dále pro chemickou syntézu na výrobu metanolu. V porovnání s biochemickými reakcemi, je zplyňování rychlou reakcí, která nevyžaduje velká, investičně nákladná zařízení (obr. 149). Rozklad biomasy na plynné palivo je možný různými způsoby:
  1. Pyrolýza (zplyňování teplem) je rozklad, kdy se biomasa při nízkých teplotách rozkládá na dehet, olejová paliva a plyny (H2, CO) při současném vzniku kyslíku.
  2. Zplyňování vzduchem je rozklad biomasy za přítomnosti vzduchu přidávaného v limitovaném množství do reaktoru. Při tomto způsobu se uvolňuje plyn s nízkou výhřevností (pod 8000 kJ.m-3).
  3. Zplyňování kyslíkem je rozklad biomasy, kdy se do reaktoru vhání kyslík. Tím jsou odstraněny nespalitelné složky. Získaný plyn má střední výhřevnost (8000-14000 kJ.m-3).
Anaerobní fermentace fytomasy Obr. 149 Anaerobní fermentace fytomasy
Při zplyňování vodíkem dochází k přeměně biomasy pod tlakem ve vodíkovém prostředí. Vzniklý plyn má vysokou výhřevnost (nad 20000 kJ.m-3).
Zplyňování vodní parou probíhá spolu s vháněným vzduchem. Vodní pára je vedena přes rozžhavené uhlí. Získaný plyn je středně výhřevný.
Rozklad biomasy na plynné palivo různými způsoby je uveden v obr. 150. Toto rozdělení není jediné. Další dělení je možné podle druhu katalyzátoru nebo kontaktu mezi pevnou látkou a vznikajícím plynem.
Procesy zplynování Obr. 150 Procesy zplynování

Fytomasa
Růstové stadium
Sušina
(%)
 Z toho (%)
pH
Pufr. Kap.
popeloviny
vláknina
protein
Jílek italský
Výhonky
17,2
10,5
24,4
12,9
5,9
79,4
Jílek italský
Začítek kvetení
25,2
6,8
25,1
6,8
6,0
68,5
Jílek italský
Po odkvětu 26,6
5,0
28,6
6,6
6,3
21,6
Jílek anglický 60 kg N-2
Po odkvětu 26,6
9,3
26,2
10,6
6,1
25,7
Jílek anglický 80 kg N-2 Po odkvětu 15,7
9,4
30,8
15,3
6,5
32,3
Jílek anglický 120 kg N-2 Po odkvětu 21,4
7,6
30,7
15,3
6,5
64,3
Kukuřice
Listové stadium
14,0
8,2
25,1
12,0
5,4
77,1
Kukuřice
Silážní zralost
23,3
6,8
25,5
8,9
5,3
54,6
Slunečnice
Listové stadium
8,3
21,4
14,4
14,7
6,7
154,8
Procesní tekutina

3,9
33,0
8,2
45,4
8,1
461,1

 
Tab. 12
Pufrovací kapacita fytomasy v závislosti na kvalitě fytomasy a pufrovací kapacita recyklované procesní tekutiny po biozplynování fytomasy (Künzel, 1984) 

4.2.2. Biochemická přeměna biomasy (mokré procesy)

4.2.2.1. Metanové kvašení

Sem patří výroba bioplynu, což je uměle vyvolaný anaerobní rozklad organického materiálu. Zemědělství vytváří velké množství organických odpadů, které anaerobní fermentace umožňuje nejen likvidovat ale také energeticky využívat. Pro výrobu bioplynu se dají využívat také městské odpady a komunální odpadní vody. Ze zemědělských odpadů se nejvíce využívají kejda (obr. 151), sláma, zbytky travin apod.(tab. 13)
Fermentační reaktor Obr. 151 Fermentační reaktor

Rostlinný materiál
Výnos spalitelných
látek (t/ha)
Výtěžnost metanu
Energetický zisk
(GJ/ha)
(l/kg sp.l.)
(m3/ha)
Listy květáku (Č)
4,9
352
1725
65,0
Nať slunešnice topinamburu (Su)
10,5
252
2646
99,8
Kukuřice stébla (Č)
6,8
257
1747
65,9
Listy bílého hlávkového zelí (S)
5,2
243
1784
67,3
Nať cukrovky (S)
5,6
381
2134
80,4
Nať kostivalu (S)
10,4
323
2259
126,6
Nať reveně (S)
15,1
330
7983
187,9
Ovesná sláma (Su)
6,3
293
1846
69,6
Stébla řepky ozimé (Su)
6,1
192
1171
44,1
Stébla slunečnice topinamburu (Su)
9,4
192
1805
68,0

Tab. 13
Bioplynový energetický potenciál typických rostlinných materiálů

Z výkalů dospělé krávy nebo 6 prasat (velká dobytčí jednotka) se denně vyprodukuje cca 1,5 m3 bioplynu. Obecně se počítá s produkcí 0,7-1,0 m3 z 1 kg biologicky rozložitelných látek (obr. 152 - 3).
Produkce bioplynu z různých substrátů Obr. 152 Produkce bioplynu z různých substrátů
Produkce biplynu z 1 t různých substrátů Obr. 153 Produkce bioplynu z 1 t. různých substrátů
K anaerobnímu rozkladu se používají dvě skupiny bakterií - kyselinotvorné a metanotvorné. Metanové bakterie vyžadují ke své činnosti specifické prostředí, které je dáno hodnotou pH, teplotou, obsahem živin, dobou zdržení, koncentrací pevných látek, mícháním apod. Pro výrobu bioplynu se používají jednoduché nebo složité systémy (obr. 154). Složité systémy se sestávají prakticky ze stejných částí jako jednoduché. Mají však při provozu vyšší energetickou náročnost a jsou tedy méně hospodárné než jednoduchá zařízení.
Bioplynová stanice ZD Šebetov Obr. 154 Bioplynová stanice ZD Šebetov
Základními stavebními prvky jsou čerpací jímka, vyhnívací nádrž (fermentor), zásobník plynu, kotelna a příslušné řídící a monitorovací přístroje. V počáteční fázi se nahromaděné odpady předzpracovávají (míchání a rozmělňování). Následuje plnění vyhnívacích nádrží. Zde probíhá zahřívání, míchání a nakonec vyprazdňování. Plyn se odvádí a skladuje v plynojemech, vyhnilý kal se skladuje a využívá k různým účelům. Vyhnilý kal obsahuje po fermentaci nerozložené složky výchozí biomasy a mikroorganizmy. Obsahuje dusíkaté látky, je tedy využitelný jako hnojivo a po usušení i jako krmivo. Fermentory jsou stavěny z různých materiálů jako je ocel, beton a plasty a to podle konkrétních specifických podmínek. Existuje několik systémů výroby bioplynu (obr. 155). Dnes je standardním průtokový (kontinuální) systém. K dalším základním typům patří zásobníkový (diskontinuální) systém a systém střídavých zásobníků (obr. 156). Bioplyn obsahuje 55-80 % metanu, 20-45 % oxidu uhličitého, síru ve formě sirovodíku, dusík, vodu aj. (tab. 14 a 15).
Dvoufázový anaerobní proces Obr. 155 Dvoufázový anaerobní proces
Schém toku v bioplynové stanici na travní fytomasu Obr. 156 Schém toku v bioplynové stanici na travní fytomasu

Charakteristika
Metan CH4
CO2
H2
H2S
Bioplyn
60 % CH4
40% CO2
Objemový díl (%)
55-70
27-47
1
3
100
Výhřevnost (MJ/m3)
35,8
-
10,8
22,8
21,5
Hranice zápalnosti (obj. %)
5-15
-
4-80
4-45
6-12
Zápalná teplota (°C)
650-750
-
858
-
650-750
Hustota (kg/m3)
0,72
1,98
0,09
1,54
1,2

Tab 14
Chemické složení a vlastnosti bioplynu


Materiál
Produkce bioplynu (1 kg-1 organické hmoty sušiny)
Obsah metanu (%)
Uhlohydráty
790
50
Tuky
1250
68
Proteiny
700
71

Tab. 15
Produkce bioplynu z hlavních složek organických látek

Bioplyn je nízko výhřevný plyn, jehož energetická hodnota je 20 000-25 000 kJ.m-3 (při 60 % metanu). Jeho kvalitu lze zvýšit čištěním. Obtížný je obsah sirovodíku v bioplynu. Tento plyn je toxický a má korozivní účinky. Proto se obvykle provádí odsiřování bioplynu. Nejjednodušším řešením je aplikace 3 až 5 % vzduchu do bioplynu v nádrži, jehož působením dojde k rozložení sirovodíku na vodu a elementární síru. Po zapravení fermentovaného materiálu na pole je síra zpětně využita rostlinami.
V celosvětovém měřítku je využití bioplynu poměrně nízké. Pouze v Indii a Číně má určité uplatnění. V Evropě včetně ČR nemá v současné době produkce bioplynu z organických odpadních látek, kromě Dánska, větší praktický význam (tab. 16).


Zahájení provozu
Fermentovaný materiál
(m3/den)
Objem fermentorů
(m3)
Teplota fermentace
(°C)
Produkce bioplynu
(m3/den)
Využití bioplynu
Třeboň
1973
P/Č 200/40
3200 + 2800
39-41
4200
kongenerace
Kroměříž
1985
P/Č 180/100
2x980, 2x3500
35-40
3800
teplo
Kladruby
1989
P 100
2x1200
39-41
2200
kongenerace
Plevnice
1991
P/Ku 70/10
2x1100
39-41
1700
kongenerace
Mimoň
1994
P 120
2x1800
42-45
3500
kongenerace
Šebetov
1993
P 120
2x2000
39-41
2000
kongenerace
Trhový Štěpánov
1994
P/K 70/10
700
42-44
1000
kongenerace
Jindřichov
1989
S 21t
6x85
35-40
600
kongenerace
Výšovice
1987
S 11t
6x110
35-40
350
teplo
Hustopeče
1986
S 44t
8x169
35-40
1200
teplo

Tab. 16
Zemědělské bioplynové stanice v ČR

Bioplyn má mnohostranné využití. V plynových motorech na pohon tlakových ventilátorů, čerpadel, generátorů. Po malých úpravách v plynových spotřebičích. V plynových motorech se dá měnit na elektrický proud. z 1 m3 se vyrobí 1,6-1,9 kWh. V poslední době se konají pokusy s využitím bioplynu na pohon traktorů a automobilů.

Systém
Výkon netto
(kW)
Roční využití
(h)
Náklady
investiční
Výrobní (DEM/kWh)
Bioplynová stanice
25
4 400
4 000
0,15
Termická konverze biomasy
400
3 000
 1 250
0,13
Uhelná elektrárna
420 000
5 000
2 500
0,19
Jaderná elektrárna
1 285 000
7 000
5 000
0,11
Větrná elektrárna
55
2 000
3 000
0,23
Fotovoltatická elektrárna
300
1 000
20 000
2,19

Tab. 17
Srovnání nákladů na výrobu energie v SRN (Schaefer, 1995)

4.2.2.2. Alkoholové kvašení

Výroba etanolu. Etanol vzniká alkoholovým kvašením cukrů. Výchozími surovinami jsou produkty obsahující cukr, škrob příp. celulózu. Teoreticky je možno vyrobit z 1 kg cukru 0,65 l čistého etanolu. V praxi je však výtěžnost 90-95 %, protože vedle etanolu se tvoří vedlejší produkty jako např. glycerin. Fermentace cukrů probíhá v mokrém prostředí, vzniklý alkohol je nakonec oddělován destilací.
Pro získání alkoholu musíme vynaložit 1 jednotku energie, abychom získali 1,5 až 2 jednotky pohonné hmoty. U olejů na 1 jednotku je to více a to 4 až 5 jednotek. Při spalování, zplyňování je to na 1 jednotku 10-15 jednotek.
Suroviny obsahující cukr (cukrovka, cukrová třtina) se pro výrobu etanolu rozmělňují, párou se extrahuje cukerný roztok a ten se fermentuje. K fermentaci cukrů se používá kvasnic (1 až 2,5 kg na 100 l) a kvašení probíhá 50-70 hodin. Destilací při 78 °C získáme vodu a 95% etanol. U surovin obsahujících škrob (obilí, brambory) je třeba tento škrob nejdříve rozložit na zkvasitelné cukry. K tomuto účelu slouží kyselá hydrolýza. Ve výpalcích zůstává obsah bílkovin zachován. To znamená že vedlejší produkt výroby je vysoce hodnotné krmivo.
V poslední době roste zájem o získávání alkoholu ze surovin obsahujících celulózu. Celulóza se chemicky hydrolyzuje kyselinami nebo louhy za zvýšeného tlaku a teploty. Protože je tento způsob nákladný, hledají se nové možnosti jako např. využití hub štěpících celulózu (např. Trichoderma viride) nebo se zkoušejí termofilní kmeny Clostridií, kde se celulóza při teplotách 60-70 °C kvasí na etanol.
Etanol je vysoce hodnotné palivo pro spalovací motory. Jeho předností je ekologická čistota a antidetonační schopnosti  (tab. 18). Nedostatkem etanolu jako paliva pro motory je jeho schopnost vázat vodu a působit tím korozi motoru, což je možné eliminovat přidáním antikorozních přípravků. V mnoha zemích (Brazílie, USA) se prodává motorové palivo jako směs benzínu a etanolu. Ve směsi s benzínem při 5 % etanolu je možné pohonnou směs spalovat bez zvláštních úprav motoru.

Kvasný líh pro výrobu ETBE v Kralupech nad Vltavou
Parametry kvasného lihu
Obsah vody
max. 790 mg.la-1 Molekulová hmotnost
46,07
Obsah Ca
max. 2 mg.la-1
Obsah O
34,7 % hm.
Obsah kyseliny octové
max. 8 mg.la-1
Hustota
0,79 kg.dm-3
Obsah aldehydů
max. 400 mg.la-1
Výhřevnost
29,4 MJ.kg-1
23,2 MJ.dm-3


Oktanové číslo
117


Cetanové číslo
8


Bod vzplanutí
11 °C

Tab. 18
Některé základní parametry etanolu pro palivářské potřeby

V ČR je do benzínu přimícháván mTBE (metyl-terc-butyl-eter). Roční dovoz metanolu (suroviny pro jeho výrobu) činí kolem 35 000 tun. MTBE lze nahradit ve složení benzínu ETBE (etyl-terc-butyl-eter). Lihovary v ČR mají v současné době kapacitu na výrobu 900 000 hl kvasného lihu za rok. Současná roční výroba lihu je kolem 600 000 hl. Při schválení náhrady mTBE v benzínech ETBE by mohly naše lihovary využívat plně svoji kapacitu.
K výrobě etanolu se dá používat široký sortiment plodin.

Druh
škrob/cukr
v % čerstvé hmoty
výnos
(t.ha-1)
výtěžnost etanolu
(l.t-1)
výtěřnost etanolu
(hl.ha-1)
Řepa krmná
9,7
90
59
53
Řepa cukrová
16,0
30-50
90-100
38-48
Brambory
18,0
20-30
100-120
22-33
Kukuřice zrno
60,0
4-8
360-400
15-30
Kukuřice na zeleno
11,0
47
67
31,9
Pšenice
62,0
2-5
370-420
8-20
Ječmen
52,0
2-4
310-350
7-13
Žito
55,5
3,5
36
12,8
Proso zrno
70,0
2-5
330-370
7-18
Čirok zrno
70,0
1-6
340
3,4-20
Bataly
26,0
10-20
140-170
16-31
Maniok
28,0
12-15
175-190
22-23
Topinambur
17,0
20-40
77
15-31

Tab. 19
Výnos etanolu u různých kulturních plodin (podle různých autorů)
 
Pro podmínky mírného klimatu, které jsou ve střední Evropě, se uvažuje pro výrobu etanolu na prvém místě cukrová řepa. Ke skupině plodin, které lze uvažovat pro produkci etanolu lze počítat také tykev, vodnici, tuřín, kedlubny, mrkev apod. (obr. 157).
Druhové spektrum pro výrobu etanolu Obr. 157 Druhové spektrum pro výrobu etanolu
Některé plodiny jako např. obilniny, luskoviny, kukuřici lze zpracovávat po celý rok jiné nikoliv. Proto zpracovatelský závod a okolní podniky dodávající suroviny by měly brát i toto do úvahy.


Etanol
Metanol
MTBE
ETBE
Autobenzín
olovnatý
Řepkový
olej
MEŘO
EEŘO
Motorová
nafta
Kyslík (% hm.)
34,7
49,9
18,2
15,7
-
11,4
11,4
10,9
-
Hustota (kg.l-1)
0,79
0,79
0,74
0,74
0,76
0,91
0,88
0,88
0,82
Výhřevnost (MJ.kg-1)
29,4
21,3
32,5
36
42,7
37,6
37,1
37,4
42,5
Výhřevnost (MJ.kg-1)
23,2
16,8
24,1
26,6
32,5
34,2
32,7
32,9
34,9
Oktanové číslo MON
97
99
101
102
85
-
-
-
-
Oktanové číslo RON
117
115
115
118
95
-
-
-
-
Cetanové číslo CN
< 10
< 10
-
-
-
42
54
59
52
Obsah bioetanolu (%)
100
0
0
45
-
0
0
15,8
0
MON - Motor Octane Number
RON - Research Octane Number
EEŘO - Etylester řepkového oleje, obdoba známějšího MEŘO
MEŘO - Metylester řepkového oleje

Tab. 20
Parametry etanolu a jiných látek v oboru tekutých paliv

4.2.3. Chemická přeměna biomasy

4.2.3.1. Esterifikace

Metylester kyselin řepkového oleje (bionafta) se liší chemicky od ropných produktů, avšak má podobnou hustotu, viskozitu, výhřevnost a průběh spalování jako motorová nafta obr. 158). To znamená, že při použití bionafty ve vznětových motorech není třeba žádných konstrukčních změn. Navíc se dá bionafta neomezeně mísit s motorovou naftou. Spotřeba bionafty je přibližně o 15 % vyšší než nafty motorové. Bionafta ve srovnání s motorovou naftou nezatěžuje životní prostředí. Bionafta se během tří týdnů biologicky odbourává z 90 %, běžná motorová nafta jen asi z 10 %. Bionafta má lepší parametry v emisích CO, SO2, kouřivosti a má sedmdesátkrát méně oxidů síry (tab. 21). Pouze mírně vyšší jsou emise NOX. Výfukové plyny z bionafty mají výraznější charakteristický zápach oproti motorové naftě. Mají však nižší obsah polycyklických aromátů (tab. 22)
Energetický obsah řepky Obr. 158 Energetický obsah řepky

Vlastnosti
Měrné jednotky
Mezní hodnoty
Zkouší se podle
Min.
Max.
Hustota při 15 °C
kg.m-3
870
890
ČSN EN ISO 3675
Kinematická viskozita při 40 °C
mm2.s-1
3,5
6,0
ČSN EN ISO 3104
Filtrovatelnost (CFPP)
°C

-5
ČSN 65 6166
Bod vzplanutí (PM)
°C
110

ČSN EN 22719
Síra
% hm.

0,02
ČSN EN ISO 8754
Voda
mg.kg-1

500
ČSN 65 0330
Obsah mechanických nečistot
mg.kg-1

24
ČSN 65 6080
Conradsonův karbonizační zbytek (vztaženo na vzorek)
% hm

0,05
ČSN 65 6210
Popel
% hm

0,02
ČSN 65 6063 (metoda B-sulfátová)
Číslo kyselosti
mg KOH na 1 g

0,5
ČSN ISO 660, ČSN 65 6070
Korozivní působení na měď (3h při 50 °C)
stupeň koroze
třída 1
ČSN EN ISO 2160
Celkový obsah glycerolu
% hm

0,24
Příloha B normy
Volný glycerol
% hm

0,02
Příloha C normy
Fosfor
mg.kg-1

20
ČSN 58 8790
Cetanový index (informativně)

48

ČSN 65 6187
Esterové číslo (informativně)
mg. KOH na 1 g
185
190
ČSN 58 8763, ČSN ISO 660
ČSN ISO 6293, ČSN 65 6070
Alkalické kovy K, Na (informativně)
mg.kg-1

10
Příloha A normy
Výhřevnost (informativně)
MJ.kg-1
37,1
ČSN 65 6169

Tab. 21
Technické požadavky na MEŘO podle ČSN 65 6507 (změna 1997)

Ukazatel
Snížení proti běžné motorové naftě
Kouřivost
-40 %
Částice (emis)
-25 %
Aromatické uhlovodíky (emise)
-47 %

Tab. 22
Srovnání vybraných vlastností směsného paliva (30 % MEŘO + 70 % motorová nafta) s motorovou naftou (ADEME - Paříž)

Dalším určitým problémem je zředění motorového oleje při použití bionafty, který lze řešit volbou nižších intervalů výměny motorového oleje. Bionafta má nižší bod tuhnutí v porovnání s motorovou naftou. To má za následek, že dochází k určitým problémům při startování při teplotách pod +5 °C. Při teplotách pod bodem mrazu špatně startují studené motory a navíc vyvstávají problémy s dopravou paliva z nádrže do motoru. Tyto problémy lze odstranit přidáním vhodných aditiv.
Zkouší se pohon běžných a upravených vznětových motorů řepkovým olejem. Dobré výsledky byly získány u Elsbettova motoru, který má nové konstrukční řešení spalovacího prostoru a vstřikování.
Bionafta se vyrábí reesterifikací přírodních olejů a tuků metanolem (obr. 159) za přítomnosti alkalických katalyzátorů (NaOH, KOH). Při reesterifikaci se z triglyceridu (u nás výhradně řepkový olej) postupně uvolňují acylové zbytky, které se váží na methanol.
Schéma výroby MEŘO Obr. 159 Schéma výroby MEŘO
Obecně se dá reakce znázornit následovně:


                 (15 kg NaOH)

CH2OCOR                    CH2OH
│                         3 R OH katal.        │
CHOCOR     +                 CHOH     +     3 CH3OCOR
│                  Alkohol        │
CH2OCOR                                      CH2OH

Olej                        metanol                  glycerol                  metylester
(1000 litrů)              (130 l.)                (150 l.)                   (970 l.)

Vedle metylesteru mastné kyseliny se uvolňuje glycerol, který se uvolní z reakční směsi jako spodní, těžší fáze (obr. 160) . Nejdříve se ze semen olejnin lisuje olej, který jde dále do strojí linky, která je tvořena míchačkou pro triglycerid, provozovanou za normálního tlaku a teploty (event. s příhřevem na 60-80 °C), míchačkou pro směs alkohol - katalyzátor s rekuperátorem procesního tepla, usazovací nádrží pro těžkou glycerinovou fázi, odpařovač alkoholu pro jeho regeneraci z lehké esterové fáze tvořící se při reesterifikaci, propírací a sedimentační nádrž pro bionaftu zbavenou zbytku alkoholu, vysoušeč promyté esterové fáze a kondiční stupeň před uskladněním, event. expedici bionafty.
Technologický řetězec MEŘO Obr. 160 Technologický řetězec MEŘO
V roce 1995 byla ukončena výstavba výroben bionafty v rámci oleoprogramu mZe ČR, které tento program dotovalo celkovou částkou 750 mil. Kč. Byly vytvořeny kapacity na výrobu cca 60 tis. tun metylesteru (tab. 23). V současné době je u nás kolem 20 výrobců bionafty včetně soukromých (obr. 32). Největším z nich je akciová společnost milo Olomouc, která má výrobní roční kapacitu 30 000 tun.

Ukazatel
1997
1998
1999
2000
Výroba MEŘO v ČR
27 598
15 710
30 643
67 246
Dovozy MEŘO do ČR
20 100
26 360
22 909
3 237
MEŘO zpracované v ČR1
47 698
42 070
53 552
70 411
Výroba směsného paliva v ČR
149 056
131 209
167 350
227 331
Dovoz směsného paliva do ČR
18 600
14 113
10 370
8 463
Spotřeba směsného paliva v ČR2
157 565
145 322
177 720
231 754
1 V roce 2000 odečet vývozů MEŘO ve výši 72 t
2 V roce 2000 odečet vývozů směsného paliva ve výši 3 840 t

Tab. 23
Bilance výroby, dovozů, spotřeby MEŘO a směsného paliva (t)

Při reesterifikaci za studena zůstává v produktu 8-17 % tuků, což omezuje dobu sklado-vatelnosti v létě až na 4 týdny. Reesterifikace za tepla umožňuje zvýšit kvalitu bionafty, výtěžnost, ale i technologickou spotřebu energie. Spotřeba energie na výrobu bionafty činí 10,3 % energie obsažené v konečném výrobku. Je to méně, než při jiných způsobech přeměny biomasy na alternativní palivo (např. při výrobě etanolu z cukrovky to představuje 28,9 % z pšenice 26,1 %). Při výnosu 3 t.ha-1 řepkového semene lze získat minimálně 1 t bionafty.
Výrobna MEŘO Obr. 161 Výrobna MEŘO
Pokud jde o ekonomickou stránku lze konstatovat, že bionafta zatím nemůže v čistě hospodářsky pojímaném smyslu konkurovat ropným produktům. Opodstatněnou se výroba bionafty ukazuje při tendencích omezování zemědělské nadvýroby a při řešení ekologických otázek. Rozhodující vliv na výši nákladů na výrobu bionafty má cena základní suroviny (v nákladech na výrobu bionafty představuje cena řepkových semen 75 až 80 %). K podstatnému snížení nákladů na výrobu bionafty přispívá i zhodnocení vedlejších produktů výroby. Jde především o technický glycerin, pokrutiny, které se zkrmují a slámu. Sláma se dá lisovat do briket nebo balíků a může sloužit jako zdroj tepelné energie s výhřevností rovnající se hnědému uhlí.