dnes je 28.6.2022

Input:

Biomasa pro energetické účely

17.3.2010, , 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.

Definice 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).

Dřeviny 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.

Výběr 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]

  • ρv, ρs hustota vlhké, suché biomasy [kg/m3]

  • mv, ms hmotnost vlhké, suché biomasy [kg]

  • ceny biomasy [Kč/t], [Kč/GJ] CBio = mBio / Qn [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 = 100 [%]. Pro vzájemné porovnání obsahu vody mezi oběma metodami lze orientačně použít obrázek 1

Obrázek 1 – Porovnání vyjadřování obsahu vody energetického a dřevařského

Výhřevnost 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

Druh Výhřevnost [MJ/kg] Při vlhkosti [% hm]
Dřevo kusové 15,30 14,40
Dřevo-brikety 17,54 7,42
Dřevo-pelety 17,54 7,42
Dřevo-štěpka 9,84 41,74
Dřevěná kůra, mix 15,92 4,82
Dřevo+kůra, pelety 15,80 10,26
Dřevo+kůra, brikety 15,80 10,26
Papír, brikety 11,98 4,61
Sláma obilní 15,46 10,00
Sláma řepková 15,90 5,56
Sláma pšeničná 14,58 13,01
Sláma lisovaná, role, kvádry 15,46 10,00
Pelety 15,46 10,00
Sláma řepková, brikety 15,42 11,16
Řepkové šroty granulované 16,70 9,21
Slunečnicové slupky 24,05 5,22
Městské odpadky 8,14 33,00

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

Tabulka 2 – Vliv vlhkosti na výhřevnost a hustotu

Druh paliva [%] Obsah vody [%] Výhřevnost [MJ/kg] Objemová hmotnost volně ložená [kg/m3]
polena
(měkké dřevo)
10 16,40 375
20 14,28 400
30 12,18 425
40 10,10 450
50 8,10 530
dřevní štěpka 10 16,40 170
20 14,28 190
30 12,18 210
40 10,10 225
sláma obilovin 10 15,50 120 (balíky)
sláma kukuřice 10 14,40 100 (balíky)
lněné stonky 10 16,90 140 (balíky)
sláma řepky 10 16,00 100 (balíky)

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

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

pro dub ρdu = 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)

prms 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

dřevo plm prm prms
plm 1,00 1,54 2,50 – 2,86
prm 0,65 1,00 1,61 – 1,86
prms 0,35 - 0,40 0,54 – 0,62 1,00

Nová 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

Rostliny netradiční, krmné [t/ha] Rostliny planě rostoucí [t/ha]
Šťovík krmný 10 až 12 Křídlatka 35 až 40
Mužák prorostlý 11 až14 Topolovka 13 až 15
Boryt barvířský 10 až 12 Komonice bílá 18 až 20
Sléz krmný 10 až 11 Bělotrn 14 až 17
Jestřabina východní 6 až 8 Vratič 15 až 18
Druh rostlin Pěstební lokalita
zemědělská půda složiště popele důlní výsypky
Čirok zrnový 8,9 8,2 10,9
Čirok cukrový 10,5 12,5 18,9
Súdánská tráva 8,7 9,1 12,3
Hyso 10,3 10,6 12,3
Konopí seté 8,0 16,6 7,8

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.

Topné 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

Údaj Hodnota Rozsah
Rozměry: průměr mm 4, 6, 8, 10, 20, 25
délka mm do 50, 100 nebo 4 – 6 x Ë
Hustota kg/l [dm3] 1 – 1,4
Obsah vody % 10, 12 (u kůry 18)
Sypná hmotnost kg/m3 500 – 600
Obsah popele % 0,7 – 1,5 (u kůry až 8)
Výhřevnost MJ/kg 15,1 – 19,5
Obsah síry % 0,04 – 0,08
Obsah dusíku % 0,3 – 0,6
Obsah chlóru % 0,02 – 0,04
Obsah arsenu mg/kg 0,8
Obsah kadmia mg/kg 0,5
Obsah chrómu mg/kg 8,0
Obsah mědi mg/kg 5,0
Obsah rtuti mg/kg 0,05
Obsah olova mg/kg 10,0
Obsah zinku mg/kg 100,0
Obsah EOX mg/kg 3,0

Z důvodu údržby našich serverů budou v úterý 28. 6. 2022 od 17:30 nedostupné naše služby. Plánovaná doba výpadku je jedna hodina. Omlouváme se.
Více informací

Nahrávám...
Nahrávám...