,

BIOPALIVA Z ROSTLINNÉ BIOMASY JAKO ZDROJ ENERGIE Petr Jevič, Zdeňka Šedivá - VÚZT Praha tel: 02/33022 302, fax: 02/33312507, e-mail: [email protected] 1. ÚVOD Využití biopaliv z rostlinné biomasy k získání energie se dnes pokládá za důležitou cestu ke snížení skleníkového efektu produkcí antropogenního CO2 ekv., vzniklého především v důsledku používání fosilních nosičů energie. Využití domácích nosičů energie má dále národohospodářské přednosti ve zvýšení jistoty energetického zásobování, zmírněním odlivu kupní síly a odlehčením devizové bilance. Protože oblast uplatnění biomasy daleko přesahuje tepelné zhodnocení (výroba elektrické energie, pohonných hmot a další surovinové využití), ukazují se další aktivity v této perspektivní oblasti účelným vkladem do budoucnosti. Mezi tuhou biomasu určenou k výrobě pevných biopaliv (v souladu s členěním v rámci přípravy Evropských norem pro pevná biopaliva CEN/TC 335) náleží: • produkty zemědělství a lesnictví, • rostlinné odpady ze zemědělské a lesnické výroby, potravinářského a zpracovatelského průmyslu, • dřevní odpady s výjimkou: - dřevních odpadů, které mohou obsahovat halogenové organické složky nebo těžké kovy jako výsledek ošetření dřeva - ošetřeného dřeva pocházejícího ze staveb a demoličního odpadu. Při celkovém posouzení pevných biopaliv používaných ve výtopnách se uvažují následující aspekty: • vlastnosti pevných biopaliv, • třídy jakosti a standardizace, • interakce s topeništěm a možnosti ovlivňování • trh s pevnými biopalivy. 2. CHARAKTERISTIKY BIOPALIV Mezi chemické charakteristiky lze především zařadit: obsah vody, elementární složení, obsah popele, mikrobiální odbourávání. K energetickým charakteristikám patří především spalné teplo, výhřevnost, hustota energie. Hořlavina, prchavá a neprchavá hořlavina, teploty měknutí, tavení a tečení popelovin, korozní poměry, tvorba aerosolu, emisí jsou hlavními technickými spalovacími charakteristikami. Mezi fyzikální charakteristiky patří: rozměry a forma, zrnitost, hustota, sypná hmotnost, soudržnost, sypnost, sklon ke klembovitosti, otěruvzdornost, tvorba prachu atd. K hygienickými charakteristikám především patří tvorba hub a spor při skladování. Parametry výhřevnosti, obsahu vody a hustoty energie ovlivňují velikost zařízení. Koncentrace N (dusíku), S (síry), Cl (chlóru) - viz tab. 1 a také podstatných popelotvorných elementů Ca (vápníku), Mg (hořčíku) a K (draslíku) v biopalivech, jak potvrzují prováděné rozbory vzorků, je poměrně velmi široká. Právě z důvodu vysokého množství minerálních látek - popelovin je nutné považovat slámu a další stébelniny za technicky obtížnější palivo. Možnosti ovlivňování tvorby dusíku vyplývají z geometrie spalovacího prostoru a z odstupňovaného přívodu spalovacího vzduchu. Nejvíce limitujícím faktorem koncentrace Cl (chlóru) v biopalivu je jeho korozívní účinek při spolupůsobení s alkalickými prvky. Obsah popela určuje rozhodujícím způsobem druh separace popela, jeho dopravu a využití. Rozdělení velikosti zrn popílku různých druhů biomasy ukazuje na podstatně větší množství částic polétavého popílku u stébelnin oproti dřevním biopalivům. To je spojeno s podstatně vyšším znečištěním výměníku tepla a následným požadavkem na jeho vhodnou konstrukci umožňující automatické čištění (svislé uspořádání a možnost použití tlakového 1

Tabulka 1: Analýza vzorků jednoletých a dvouletých stébelnin, zrna ovsa a dřevin topolu Lesknice kanárská

Saflor 4)

Oves - zrno

Lněná sláma

7,08 73,58

6,30 68,34

7,15 71,43

8,06 75,81

18,64

17,16

19,14

18,13

3,14 43,66 6,21 39,03 0,075 0,61 0,26 16,41 19,54

2,18 45,09 5,98 38,58 0,062 0,91 0,12 16,53 19,74

6,22 42,24 5,90 38,20 0,10 0,59 0,45 16,25 19,70

3,29 43,70 5,75 39,02 0,045 0,82 0,22 16,15 19,99

Pupálka

Parametr

Symbol

Jednotka

Obsah vody Prchavá hořlavina Neprchavá hořlavina Popel C - uhlík veškerý H - vodík veškerý O S - síra veškerá N Cl Výhřevnost CO2 max. Poznámka:

Wrt Vr

% hm. % hm.

7,02 71,20

(NV)r

% hm.

Ar Crt Hrt Or Srt Nr Clr Qri -

% hm. % hm. % hm. % hm. % hm. % hm. % hm. MJ.kg-1 % obj.

1)

Komonice bílá 2)

3)

Štěpka suchá Štěpka čerstvá Topolová

- topoly

- topoly

7,97 74,57

8,86 74,57

42,73 50,14

53,57 41,08

13,78

14,96

14,92

5,70

2,74

2,35 42,90 6,40 39,26 0,068 0,90 0,065 15,58 19,35

2,35 40,62 7,57 41,61 0,057 0,70 0,007 15,84 19,22

1,65 44,02 6,03 38,64 0,010 0,78 0,012 17,48 19,68

1,43 27,17 4,43 23,80 0,006 0,43 0,009 9,58 18,60

2,61 20,14 3,69 19,77 0,008 0,20 0,007 6,99 18,34

kůra

Vzorky č. 1, 2, 3, 4 pro rozbory poskytl Výzkumný ústav pícninářský, spol. s r. o., z pokusů v rámci řešení projektu EP 0960996286 "Nové plodiny pro pěstování v marginálních oblastech a jejich energetické a průmyslové využití".

2

vzduchu). Zatímco Ca (vápník) a Mg (hořčík) zvyšují bod tání popele, vedou K (draslík), chloridy a nízko tající alkalické silikáty k poklesu bodu tání. U kritického druhu stébelnatých paliv jako sláma, celé rostliny obilovin a seno by neměla být teplota spalovacího prostoru vyšší než 800 - 900 oC. Koncentrace těžkých kovů v biopalivech - z ekologického hlediska jsou aktuální v případě popela z biomasy, především koncentrace kadmia (Cd) a zinku (Zn) ovlivňuje složení popela a mají proto vliv na použitelnost jednotlivých frakcí: podroštový popel, cyklónový, polétavý popílek a jemný polétavý popílek (na tkaninových filtrech). Výsledek výzkumu ukazuje, že tento jemný popílek v množství 2 - 10 % hm., obsahuje nejvíce těžkých kovů. To z technologického a ekologického hlediska znamená, že jemný polétavý popílek je třeba odděleně shromažďovat a deponovat. Ostatní frakce popela se mohou využít v hospodářském koloběhu rozmetáním jako hnojivo. Z výše uvedeného vyplývá, že je nutné pečlivě navrhnout limitní hodnoty pro diskutované prvky v biomase, při jejichž dodržení vystačí technologické zařízení odpovídající běžnému stavu techniky. Při překročení těchto směrných hranic jsou nutná speciální technologická opatření, což může značně ovlivnit již tak v současnosti problematickou ekonomickou efektivnost. 3. TVORBA EVROPSKÝCH NOREM PRO BIOPALIVA 3.1 Výchozí podmínky Evropská komise si stanovila ambiciózní cíl zvýšit podíl trhu s obnovitelnou energií na 12 % do r. 2010. Způsoby a prostředky používané pro splnění tohoto cíle, tj. vytvoření pravidel a nařízení týkajících se vytváření příznivých podmínek pro energii z obnovitelných zdrojů, jsou shrnuty v "Bílé knize o energii z obnovitelných zdrojů". Při realizaci závazku ze zasedání v Kyotu, kde je hlavním cílem snížení skleníkových plynů jako CO2 ekv, se předpokládá, že používání a obchod s biopalivy bude významně vzrůstat. Mezinárodní obchod se uskutečňuje jak v rámci zemí EU, tak také se zeměmi, které členy nejsou. Mezinárodní obchod v rámci EU představuje v současnosti okolo 1 miliónu tun ročně. Biopaliva používaná pro tento účel jsou zejména: bionafta, dřevní štěpka z mladých porostů, dřevní pelety z odpadů dřevozpracujícího průmyslu a dřevní palivo získávané z různých zdrojů. V současné době se stupeň vývoje národních norem pro pevná biopaliva v rámci EU značně liší. Zatímco některé země právě (v průběhu posledních dvou let) začaly uvažovat o tvorbě norem, týkajících se požadavků na třídění biopaliv, jejich vlastností a způsobů odebírání vzorků a testování, jiné země působí jako průkopníci v oblasti tvorby norem pro biopaliva. Normy pro biopaliva byly až dosud tvořeny a zpracovávány výhradně na národní úrovni a tudíž zde byl nedostatek výměny informací mezi různými evropskými skupinami působícími v oblasti tvorby norem pro biopaliva. Evropská komise pověřila CEN (Comité Européen de Normalisation) vytvořením norem pro bionaftu používanou jako palivo pro naftové motory a jako palivo pro výrobu tepla, jakož i vytvořením nezbytných norem týkajících se aplikovaných testovacích metod. V současné době je bionafta používána nejen jako palivo pro vznětové motory, ale i jako palivo používané pro výrobu tepla. Tudíž pověření zajišťuje vytvoření následujících norem: - bionafta jako jediné palivo pro naftové motory (100%) - bionafta jako doplněk k palivu naftových motorů podle EN 590 - bionafta jako jediné palivo nebo doplněk k výrobkům z minerálních olejů, zejména pro výrobu tepla.

3

3.2 Pevná biopaliva 3.2.1 Charakteristika pevných biopaliv Bioenergie může být vyráběna ze zdrojů různého původu a chemického složení. To může být klasifikováno jejich původem v následujících rozsáhlých oblastech: - zemědělské výrobky (energetické plodiny) a zbytky (sláma, vedlejší produkce ze zemědělsko-potravinářského zpracování), - lesní výrobky (dřevo z probírek) a zbytky (větve a vršky stromů ponechané v lese) a produkty ze zpracování dřeva (kůra, piliny atd.), - odpady vytvářené konzumní společností (roztříděné spalitelné biologicky odbouratelné frakce městských a průmyslových pevných odpadů). Současné využití obnovitelných zdrojů energie (RES) v členských zemích EU se významně liší. Je to dáno politickou podporou jednotlivých zemí, existencí rezerv fosilních paliv, jakož i racionální možností využití biopaliv a zejména specifikací opatření pro podporu zajištění RES na národní úrovni. Úloha pevných biopaliv v rámci RES v EU je čím dále více důležitá. Jejich příspěvek v r. 1997 činil 2 200 000 TJ, což představuje 64 % celkové výroby energie z RES (obr. 1).

tuhý komunální odpad 7,3% dřevo v jednotlivých domácnostech 29,4%

jiné 1,2%

hydro 31,7%

geotermální 3,5%

dřevo v oblastním vytápění 1,7%

Biomasa 63,6%

dřevo v průmyslu 10,5% dřevo/odpady v elektrárnách 12,3% bioplyn a biopaliva 2,4%

Obr. 1: Obnovitelné zdroje energie používané v EU v r. 1997 Obr. 2 a 3 ukazují podíl RES na celkové výrobě tepla a elektřiny v EU. Z těchto údajů je zřejmé, že pevná biopaliva jsou dnes nejdůležitější obnovitelné palivo v rámci výroby tepla (98 %), ale představují jen malou část pro výrobu elektřiny.

4

geotermální energie 1,0% hydro 89%

biomasa 8%

tuhý komunální odpad 3% dřevo/odpady v elektrárnách 4%

vítr 2%

bioplyn 1,0%

Obr. 2: Podíl jednotlivých obnovitelných zdrojů při produkci elektrické energie v EU v r. 1997

tuhý komunální odpad 5,0%

solární panely 1%

dřevo v jednotlivých domácnostech 55,0% biomasa 98%

geotermální 1%

dřevo v oblastním vytápění 3,0% dřevo v průmyslu 20,0% dřevo/odpady v elektrárnách 14,0% bioplyn 1,0%

Obr. 3: Podíl jednotlivých obnovitelných zdrojů při produkci tepla v EU v r. 1997

V 5. rámcovém programu je využití biomasy a odpadové hospodářství pro výrobu biopaliv začleněno do zvláštních programů Energie a životní prostředí a kvalita života (zemědělsko-průmyslová oblast). 3.2.2 Biopaliva z pohledu životního prostředí Pevná biopaliva nebo využívané energetické plodiny mohou obsahovat složky, které mohou vytvářet značné znečištění, jsou-li použity v nevhodných konverzních systémech. Příkladem je chlór ve slámě (z hnojení chloridem draselným) a v lesních produktech v pobřežních oblastech a těžké kovy v energetických plodinách. Biopaliva s vysokým obsahem chlóru mohou během tepelně-chemické konverze produkovat dioxiny. Proto je 5

důležité hledat a definovat různé vlastnosti, normovat přijatelné úrovně a používat správné metody a nástroje pro zjišťování a měření těchto vlastností.

3.3 Potřeba tvorby norem K dispozici nejsou žádné evropské normy. Absence evropských norem je hlavní překážka pro vytváření trhu s pevnými biopalivy. Tento trh je nezbytný pro EU k dosažení jejího cíle v oblasti vývoje bioenergie. Tvorba norem pro pevná biopaliva pomůže regulovat trh a zajistit důvěru k výrobcům a uživatelům paliv. Normy pro pevná biopaliva s ohledem na kvalitu a vlastnosti umožní nalézt optimální použití různých biopaliv s ohledem na ochranu životního prostředí. Navíc normy pro pevná biopaliva zlepší účinnost používání biomasy, neboť uživatelé budou schopni produkovat paliva o takové kvalitě, která odpovídá specifikacím pro jejich vybavení. Na základě těchto problémů navrhla Evropská komise mandát pro CEN k tvorbě norem v oblasti pevných biopaliv. Bylo vzato do úvahy, že: 1. Odpad je definován v Nařízení 75/442/EEC o odpadech. 2. Spalování městských odpadů je regulováno Nařízením 89/369/EEC a 89/429/EEC pro nové a stávající městské spalovny. 3. Evropská komise prozkoumá Nařízení 75/442/EEC za účelem zjištění, za jakých podmínek přestává být odpad odpadem a stává se výrobkem. Je třeba zdůraznit, že odpady nebo výrobky, které nevznikly ze zdrojů začleněných do dále uvedeného seznamu, jsou explicitně vyloučeny z tohoto mandátu. Popis mandátu Předpokládané normy musí být navrženy s takovou strukturou, aby zajišťovaly odpovídající a jasné propojení mezi různými typy paliv, jejich původem a kvalitou pro použití ve specifických aplikacích. Struktura norem by měla poskytnout trhu a legislativě možnost rozlišovat mezi obnovitelnými a fosilními palivy. Pro tento účel musí být provedeno jasné a definitivní rozlišení mezi systémy tříd pro pevná biopaliva. Je třeba zdůraznit, že materiál naplňující určité specifikace norem není automaticky kvalifikován jako produkt. Komise pověřuje CEN vytvořit ucelenou soustavu evropských norem pro pevná biopaliva s cílem uspokojit požadavky výše uvedené, tj. vytvořit stabilní trh pro pevná biopaliva a pro příslušné vybavení. Požadované normy budou obsahovat: 1. názvosloví (termíny a definice) 2. třídící systém pro paliva z pevné biomasy 3. odběr vzorků a jejich přípravu 4. testovací metody. V průběhu 6 měsíců po jejich přijetí budou EN normy převedeny do národních norem. Odlišné národní normy budou staženy členskými státy EU. 4. EMISE PŘI SPALOVÁNÍ PEVNÝCH BIOPALIV Ekologickou závažnost ve smyslu ochrany před imisemi je při přeměně energie spalováním biopaliv z rostlinné fytomasy nutno posuzovat podle dílčích aspektů: udržení čistoty ovzduší, zbytkových hmot, využití tepla a bezpečnosti zařízení. Tvorba škodlivin ze spalování pevných biopaliv je závislá na složení paliva a na podmínkách při spalování. Vzhledem k tomu, že biopaliva nejdříve zplyňují a plyny pak následně vyhoří v plynném plameni, stává se spalování dvoustupňovým procesem. První dílčí

6

postup spočívá ve zplyňování, druhý postup je definován zplyňováním a tvorbou biopalivového uhlí. Škodliviny se rozčleňují na takové, které vyplývají z neúplného spalování a takové, které vznikají při úplném spalování. Protože je v palivu obsažen chlór nebo další prvky, vytváří se i jiné sloučeniny. Neúplně spálené látky, jako je oxid uhelnatý, uhlovodíky, dehet, saze a nespálené částice, mohou být eliminovány účelným specifickým postupem. K tomu je však zapotřebí vysokých teplot, dostatek kyslíku, jakož i dobré promísení plynů se spalovacím vzduchem. Zajištění vysokých teplot je problematické, jestliže jsou spalována biopaliva s vysokým obsahem vody. Pro vlhká biopaliva jsou vhodná topeniště s horkým ohništěm. Při protiproudovém principu s roštovými topeništi dochází k odsušování vkládaného paliva, a to zpětným sáláním horkého plamene. Vzhledem k tomu, že podíl povrchových ploch se proporcionálně snižuje s nárůstem velikosti topného zařízení, jsou ztráty sáláním do bočních stěn u velkých topných zařízení velmi nízké, zatímco u malých zařízení hrají rozhodující roli. Použití biopaliv s vysokým obsahem vody je proto možné jen ve větších automatických topeništích. V ručně ovládaných, jakož i menších automatických topeništích (do cca 75 kW) by neměla být biopaliva s vysokým obsahem vody (přes 30 % hm.) používána. S ohledem na složení biopaliv a průběh spalovacího procesu se vyskytují v kouřových plynech následující skupiny látek: • škodliviny z neúplného spalování - C, H, O a N: oxid uhelnatý (CO), uhlovodíky (CxHy), dehet, saze a nespálené uhlovodíkové částice (hořlavá část prachových emisí) a vodík (H2), neúplně okysličené sloučeniny dusíku (HCN, NH3, N2O), • škodliviny a požadované produkty z úplného spalování C, H, O a N: oxidy dusíku (NO, NO2), oxid uhličitý (CO2), vodní pára (H2O), • škodliviny ze stopových prvků nečistot z dřevní hmoty a biopaliv: částice prachu (nespalitelná část prachových emisí), síra, sloučeniny chlóru a stopy kovů, zvláště těžkých (Cu, Pb, Zn, Cd) v odpadovém plynu. Na základě různých druhů tvorby škodlivin musí být současně přijaty i různé druhy opatření pro jejich eliminaci. Emise oxidu uhelnatého (CO) jsou proporcionální k přeměněnému množství paliva a tím i přímo odvislé od vložené užitné energie a stupně využití topného zařízení. Snížení CO2 je možné především zvýšením účinnosti spalování. Vodní pára, vznikající zejména z vlhkých biopaliv, v prvé řadě představuje energetickou ztrátu ve formě výparného a citelného tepla. 5. EKONOMIKA ENERGETICKÉHO VYUŽÍVÁNÍ BIOPALIV Ekonomika zpracování biomasy na biopaliva a jejich využití pro výrobu tepla je především závislá na vstupních cenách rostlinné suroviny a investičních nákladech technického zařízení pro zpracování, skladování a tepelnou konverzi. Ty nejvíce ovlivňují nákladovou kalkulaci produkovaného tepla. V tabulce 2 jsou uvedeny ceny některých pevných biopaliv a klasických paliv (I. pol. 2000). U realizovaného pilotního zařízení v TOZOS Tošanovice pro spalování obilní a řepkové slámy se jmenovitým výkonem 400 kW činily celkové investiční náklady na realizaci 1430 tis. Kč, tj. 3600,- Kč.kW-1. Náklady na realizaci první české centrální výtopny pro obec Deštná, umožňující spalovat jak slámu, tak dřevní štěpku a piliny, činily 38,5 mil. Kč, z toho 17,5 mil. Kč rozvody tepla a předávací stanice. Tabulka 2: Ceny fosilních a pevných biopaliv (I. pol. 2000) Palivo

Hnědé uhlí SD a. s.

1)

Černé uhlí OKD a. s.

Dřevní štěpka s kůrou

Sláma Dřevní pelety 3)

obilní pšeničná triticale

řepková

7

Parametr Průměrná výhřevnost (MJ.kg-1) při vlhkosti (% hm.) Loco cena bez DPH (Kč.t-1) Loco cena bez DPH (Kč.GJ-1) 1) 2) 3)

ořech 2 ořech 1 20 - 40 10 - 25 mm 30 - 50 mm mm 17,6

29,8

30,2

5

14,9 17

∅ 14 mm

17,5 6,2

1071

2550

600 1250 2)

2450

61

86

40 - 84

140

velkoobjemové balíky

brikety

13,6

14,5

15,1

16

16

11,2

490 800

1600 1900

34 55

105 126

550 - 850 40 - 63

SD a.s. Chomutov - v ceně je zahrnuta doprava ČD do uhelného skladu ve výši 380,- Kč.t-1 Nižší cena se týká průmyslové štěpky, střední hodnota lesní štěpky a vyšší cena energetické topolové štěpky z plantáží Volně sypané, Pelletia spol. s r. o., Červený Kostelec

8