Biomasa ako palivo
Z hľadiska svojej
perspektívy je biomasa považovaná za kľúčový obnoviteľný zdroj energie na
úrovni malých i veľkých technologických celkov. Už dnes sa podieľa asi 14
percentami na celosvetovej spotrebe primárnych energetických zdrojov.
Pre tri štvrtiny obyvateľstva Zeme, prevažne v rozvojových
krajinách, je najdôležitejším palivovým zdrojom. Jej podiel na spotrebe energie
v týchto krajinách predstavuje v priemere asi 38 % (v niektorých krajinách až
90 %). Biomasa je významným zdrojom aj v niektorých
rozvinutých krajinách. Vo Švédsku alebo v susednom Rakúsku sa podieľa asi 15 %
na spotrebe energie. Navyše biomasa pestovaná na výrobu etanolu by dokázala
nahradiť viac ako 50 % dovážanej ropy. Najrozšírenejšie palivo z biomasy
je drevo. Môže byť využívané ako kusové, ako drevný odpad (štiepky alebo
pelety), alebo môže byť špeciálne pestované ako energetická rastlina (napríklad
vŕba). Existujú však aj iné zdroje, ktoré sú významné v energetickej bilancii
mnohých krajín. Patria k nim aj organické zvyšky z poľnohospodárskej výroby,
napríklad slama. Biomasou je aj bioplyn získavaný zo skládok komunálneho
odpadu, čističiek odpadových vôd alebo hnojovice zo živočíšnej výroby.
Energetická hodnota
Vzhľadom na rôzne formy biomasy, je v nich obsiahnuté rôzne množstvo energie.
Energetický obsah suchých rastlín (obsah vlhkosti 15 – 20 %) sa pohybuje okolo
14 MJ/kg. Úplne suchú biomasu môžeme z pohľadu energetického obsahu porovnávať
s uhlím (výhrevnosť hnedého uhlia je 10 až 20 MJ/kg, výhrevnosť čierneho uhlia
je 30 MJ/kg). V čase zberu obsahuje biomasa veľké množstvo vody: 8 až 20 %
slama, 30 až 60 % drevo. Obsah vody v uhlí sa pohybuje medzi 2 a 12 %. Z toho
vyplýva, že energia z biomasy je v čase zberu nižšia, ako v prípade uhlia.
Chemické zloženie biomasy z nej robí podstatne ekologickejšie palivo ako je
uhlie. Súvisí to s nižším obsahom síry. Z hľadiska znižovania emisií síry a
obmedzovania kyslého spádu (kyslé dažde) má využívanie biomasy tiež veľký
význam, nakoľko obsah síry v nej je podstatne nižší ako v uhlí a rope. Navyše
biomasu je možné primiešavať do uhlia a tak ďalej znižovať emisie síry v
klasických elektrárňach alebo kotolniach. Množstvo popola je tiež nižšie ako v
prípade uhlia. Navyše, tento popol neobsahuje toxické kovy a pre obsah živín ho
možno využiť ako hnojivo.
Využívanie biomasy na
energetické účely poskytuje aj ďalšie ekologické výhody. Medzi najdôležitejšie
patrí zlepšenie kvality lesov, vôd alebo zamedzenie erózie pôdy. Nevýhodou
biomasy ako paliva je, že takmer všetky druhy surovej biomasy podliehajú v
normálnych podmienkach rýchlemu rozkladu. Z tohto dôvodu je len málo z nich
vhodných na dlhodobé skladovanie. Vzhľadom na ich relatívne nízku energetickú
hustotu sú aj náklady na ich dopravu relatívne vysoké. Preto sa stále hľadajú
cesty, ako čo najužitočnejšie využiť tento zdroj energie.
Procesy
využívané na výrobu energie z biomasy
- priame spaľovanie
- termochemické procesy na zvýšenie
kvality biopaliva (pyrolýza, splyňovanie)
- biologické procesy (aneróbne hnitie,
fermentácia) – výsledkom je produkcia plynných a kvapalných biopalív
Výroba energie z biomasy
Hoci priame spaľovanie je najjednoduchšou a najbežnejšou
metódou využitia energie biomasy, nie vždy je to účinný proces. Príkladom môže
byť zohriatie vody nad ohňom. Energetický obsah 1 m3 suchého dreva
je asi 10 GJ alebo 10 milión kJ. Na zvýšenie teploty jedného litra vody o jeden
stupeň je potrebných 4,2 kJ tepla. Na zovretie litra vody by preto malo
postačiť asi 400 kJ, čo zodpovedá približne 40 kubickým centimetrov dreva. V
praxi však pri otvorenom ohni potrebujeme oveľa viac dreva, často až 50-krát
viac, čo znamená že účinnosť spaľovacieho procesu pri otvorenom ohni je asi 2
%. Súvisí to s tým, že väčšia časť energie dreva uniká bez úžitku.
Pyrolýza
Pyrolýza je jednoduchý a pravdepodobne najstarší spôsob úpravy biomasy na
palivo vyššej kvality – drevené uhlie. Na jeho výrobu je okrem dreva možné
využiť aj iné suroviny, napríklad slamu. Pyrolýza spočíva v zohrievaní biomasy
v neprítomnosti vzduchu na teplotu 300 - 500 °C, až kým z nej neuniknú
všetky prchavé látky. Zvyšok – drevné uhlie je palivo, ktoré má takmer
dvojnásobnú energetickú hustotu v porovnaní so vstupnou surovinou. Nižšie
emisie pri pyrolýze viedli aj k pokusom so spaľovaním plastov a pneumatík.
Splyňovanie
Celý proces je založený na nedokonalom (čiastočnom) horení a ohrievaní biomasy
teplom vznikajúcom pri horení. Produktom je zmes plynov s vysokou energetickou
hodnotou, ktorá môže byť použitá na výrobu tepla a elektriny, ale aj v motorových vozidlách. Nedostatok kyslíka spôsobuje nedokonalé horenie.
Pri úplnom horení uhľovodíkov (z ktorých sa drevo skladá) sa kyslík spája s
uhlíkom pričom vzniká CO2 a H2O. Pri procese sa uvoľňujú
aj iné zložky ako napr. uhlík, ktorý tvorí dym. Teplo vznikajúce pri
nedokonalom spaľovaní sa využíva na to, aby sa porušovali väzby medzi
uhľovodíkovými atómami. V závislosti na konštrukcii splyňovacieho zariadenia je
možné zvýšiť podiel produkovaného metánu alebo iných plynov. Splyňovanie je
teda jednoduchý proces výroby plynných palív z pevných palív.
Kotly na spaľovanie dreva
Účinnosť spaľovania je v
moderných kotloch veľmi vysoká (75 – 90 %). Zlepšenie bolo dosiahnuté v stavbe
spaľovacej komory, dodávke vzduchu a automatickej regulácii spaľovania. Možno v nich spaľovať všetky druhy biomasy (suchú drevnú hmotu, prírodné drevné
odpadky cez polená s dĺžkou až 80 cm a priemerom až 30 cm až po drevené brikety
alebo pelety). V kotloch by sa však nikdy nemalo spaľovať drevo natreté farbou
alebo lepené lepidlom, nakoľko prímesy vedú pri spaľovaní k tvorbe toxických
látok.
Kotly s
prehorievaním dreva
Najjednoduchšie sú kotly, ktoré pracujú na podobnom princípe ako klasické pece
na drevo. Ich usporiadanie je také, že vzduch vniká do kotla v spodnej časti a
prechádza hore cez palivo. Drevo prehorieva veľmi rýchlo a plyny nezhoria
úplne, pretože teplota kotla je relatívne nízka. Väčšina plynov uniká do komína
a spolu s nimi aj užitočná energia. Plyny majú aj veľmi malý priestor na
odovzdanie svojej energie inému médiu (napríklad vode). Takéto kotly zväčša nie
sú vhodné na spaľovanie dreva, pretože ich účinnosť je nízka (približne 50 %).
Kotly so spodným
horením
Vzduch sa neprivádza k celému objemu paliva naraz, pričom horí len spodná
vrstva dreva. Zvyšok dreva sa vysušuje a pomaly sa z neho uvoľňujú plyny.
Pridaním dodatočného vzduchu priamo do plameňa dochádza k horeniu plynov. V
moderných kotloch tohto typu je spaľovacia komora z keramiky, ktorá je dobrým
izolátorom a udržuje teplo vo vnútri komory. Tým sa dosahuje vysoká teplota
spaľovania a účinnejšie horenie. Bežná účinnosť takýchto kotlov je 65 – 75 %.
Kotly so splyňovaním dreva
Splyňovacie kotly sú najúčinnejšie zariadenia a sú konštruované tak, aby pri
horení paliva dochádzalo k pyrolytickej destilácii, pri ktorej sa všetky
spáliteľné zložky paliva splyňujú. Spaľovanie prebieha trojstupňovým procesom v
jednotlivých zónach kotla: vysúšanie a splyňovanie
drevnej hmoty, horenie drevného plynu na tryske s prívodom predohriateho
sekundárneho vzduchu, dohorievanie v nechladenom spaľovacom priestore. Takto riadený systém spaľovania zaručuje vysokú
účinnosť - často až 90 %. Spaľovací priestor vrátane trysky býva vyrobený zo
špeciálnych žiaruvzdorných materiálov. Vzhľadom na vysoký stupeň automatizácie
splyňovacích kotlov vznikajú minimálne nároky na obsluhu. Obsah násypky dreva
postačí minimálne na 8 - 12 hodín pri strednom výkone kotla. Pri výpadku
elektrického prúdu prejde kotol automaticky do tepelnej rezervy. Odstraňovanie
popola sa vykonáva približne raz za 3-5 dní. Kotol zvyčajne musí mať samostatný
komín, ktorý by mal byť dostatočne tepelne izolovaný.
Slama ako palivo
Odpady z poľnohospodárskej produkcie sú z hľadiska obsahu energie veľmi
významným zdrojom. Do tejto skupiny patrí najmä slama alebo hnojovica. Tieto
zdroje sú dnes intenzívne využívané vo viacerých krajinách vrátane rozvojových.
Slama má vyššiu mernú výhrevnosť ako hnedé uhlie a ako palivo na vykurovanie sa
dnes využíva aj v mnohých vyspelých krajinách. Niekoľko stoviek takýchto
zariadení na vykurovanie celých obcí alebo poľnohospodárskych podnikov sa
nachádza vo Veľkej Británii, Dánsku či Rakúsku. Budovanie spaľovní slamy vo
vyspelých krajinách bolo podporované čiastočne z dôvodov ochrany životného
prostredia (spaľovanie slamy na poliach je zakázané) a čiastočne aj preto, že
je to ekonomicky výhodné a takéto spaľovne poskytujú dodatočný zdroj príjmov
pre poľnohospodárov. Pri pohľade na polia je evidentné, že na nich zostávajú
milióny ton slamy bez úžitku. Na základe skúseností z vyspelých krajín vyplýva,
že z polí je možné bez problémov zozbierať až 35 % odpadov bez dopadu na
kvalitu pôdy a budúcu rastlinnú produkciu. Z dánskych údajov vyplýva, že až 59
% slamy je nadbytočnej. Približne jedna pätina z tohto množstva sa v tejto
krajine využíva na energetické účely.
Pomer
slamy a obilia v našich klimatických podmienkach
- pšenica 1,3 ton
slamy/tonu obilia
- ovos 1,1 ton
slamy/tonu obilia
- jačmeň 0,8 ton slamy/tonu obilia
Slama dodávaná do spaľovní musí vyhovovať istým
požiadavkám. Hlavne obsah vlhkosti je kritickým parametrom. Vlhkosť sa zvyčajne
pohybuje na úrovni 10 – 25 %, avšak môže byť i vyššia. Problémom je, že rôzne
typy slamy sa počas spaľovania správajú odlišne. Niektoré horia výbušne, kým
iné veľmi pomaly, pričom takmer všetok popol zostáva na rošte.
vytvorené v spolupráci s časopisom Dom a Byt
|