Biomasa pro energetické účely – zdroje a potenciály biomasy
Jan Weger odd. fytoenergetiky VÚKOZ, v. v. i. Průhonice Jaroslav Knápek Fakulta elektrotechnická ČVUT Praha Praha ELEN 2012 11-12.9.2012
1
Cíl prezentace
Aktuální informace o strategických plánech rozvoje OZE a roli biomasy v nich Přinést aktuální informace o proporcích a distribuci potenciálu biomasy v ČR Identifikovat hlavní existující omezení pro využití potenciálu biomasy zejména na úrovni přírodní, ekonomické a legislativní
2
Přínosy biomasy v našich podmínkách Strategické (politické) Významný domácí zdroj– vhodný pro snížení závislosti na dovozu fosilních paliv (regionální a příp. národní) a pro krizové situace Diverzifikace paliv a jejich zdrojů Nízké bezpečnostní riziko (konflikt, terorizmus) zejména v lokálním kontextu Splnění politických cílů a mezinárodních závazků ČR
Environmentální (při využití správných postupů a technologií) Snížení znečištění ovzduší náhradou fosilních paliv Krajinné přínosy: protierozní, biodiverzita, mikroklimatická Diverzifikace zemědělské výroby
3
Příspěvek OZE k PEZ v roce 2010 Wind power 1,0%
Solar thermal 0,3% Liquid fuelsHeat pumps 1,5% 8,2%
PV 1,9%
Biogas 6,2%
Biomass industrial 28,8%
Biolog. degradable waste 3,0%
Hydro 8,4%
Biomass households 2010 total: 119,2 PJ 40,7%
Podíl OZE na PEZ v 2009:
5,7 %
Podíl OZE na PEZ v 2010:
6,4 %
Klíčová role biomasy 69,5 % 4
Výroba elektřiny z OZE v roce 2011
Small hydro 12% PV 30%
Wind 6% Mun. waste 0%
Large hydro 17%
Biogass 12%
Biomass 23,2%
2011: 7,196 TWh
5
Vývoj výroby elektřiny z OZE 10,21%
7000 10,00%
8,30%
6000 Indikativní závazek ČR
GWh
8,00%
6,79%
5000 4000
4,48%
4,91%
5,18%
6,00%
4,74%
4,04%
3000
4,00% 2000 2,00% 1000 0
Share of RES on gross power generation
12,00%
8000
0,00% 2000
2001
Small hydro Biomass Mun. waste PV
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
Large hydro Biogass Wind Share of RES on gross power generation
Prudký nárůst výroby zejména díky PV a bioplynu v 2009-2011 (a splnění cíle 8% brutto elektřiny v 2010 z přístupové smlouvy k EU)
6
Vývoj vícenákladů z titulu výroby elektřiny z OZE 30,00
25,00
27,16
solar brake: soubor legislativních opatření
If no "solar23,12 brake" 16,8
EUR/MWh
20,00
-------
Effect of "solar brake"
15,00
10,00 6,65 5,00 1,12
1,37
1,63
2,09
2006
2007
2008
2009
0,00 2010
2011
2012
Odhadované vícenáklady v roce 2012: až 35-38 mld. Kč Projekce na další období: další nárůst až na více jak 45 mld. Kč v roce 2020 7
Změny v systému podpor OZE Chaotický boom PV v 2009-2010: pozdní reakce státu (až v 2010, kdy je již pozdě) zastavení vydávání souhlasů k připojení v únoru 2010 2010: omezení podpory nových PV na aplikace do 30 kW kombinované financování vícenákladů (fotovoltaická daň, zdanění emisních povolenek, atd.) stávající systém podpor dle zákona 180/2005 zůstává v platnosti do konce 2012 – zakládá se pokračování současného stavu vícenákladů na dobu cca dalších 20 let (nárok stávajících zdrojů) vícenáklady pro rok 2012 (odhad) dosahují výše 35-38 mld. Kč, nelze vše přenést na konečné spotřebitele, podíl státu (PV daň, zdanění povolenek, ...) PV daň časově limitovaná (3 roky), zdanění povolenek končí 2012, kde vzít peníze, když stát je nemá ? 8
Změny v systému podpor OZE – zákon 165/2012 Sb. Platnost květen 2012 kompletní změna systému podpor, snaha mj. reagovat na nárůst nákladů systému podpor OZE podpora OZE na výrobu elektřiny – základní kritérium je zajištění (pouze) prosté návratnosti 15 let, výrazný pokles výnosu na vložený kapitál z cca 6.3% na 3.3-3.6% (!), u zařízení s 15 lety doby životnosti je to pak 0% ! nárok na výkupní cenu mají pouze malé zdroje do 100 kW (s výjimkou malých vodních elektráren, kde je to do 10 MW), ostatní pouze nárok na zelený bonus a musejí prodávat elektřinu na trhu omezení výše podpory na 4,5 Kč/kWh podporu lze nepřiznat pro daný druh OZE, pokud již v daném roce dosaženo hodnoty v NAP OZE
9
Změny v systému podpor OZE – zákon 165/2012 Změny biomasa změny v kategorizaci biomasy (důležité z hlediska výše podpory) – zůstane lesní štěpka v kategorii 2 ? spalování biomasy vázáno na požadavek vysoce účinné kogenerace (biomasa již nemá být mařena na výrobu elektřiny s tím, že většina energie biomasy je nevyužita) faktický konec spoluspalování biomasy a uhlí k roku 2015 bioplyn – změna kategorizace – pouze jedna kategorie, striktní požadavek, aby část vstupů nebyla cíleně pěstovaná biomasa (požadavek na využití odpadů), požadavek na efektivní využití části odpadního tepla podpora biometanu provozní podpora výroby tepla z OZE
10
Nové koncepční dokumenty pro OZE a biomasy MZe: Akční plán pro biomasu (APB) – tvorba 2011-2012 jako vstup do SEK, na jaře vrácen k úpravám, podzim 2012 - předložen vládě? např. analýzy potenciálu, bariér, analýzy efektivnosti užití biomasy, návrhy nástrojů pro efektivní podporu biomasy a politiku energetického užití zemědělské půdy (včetně potrav. bezpečnosti) MPO: aktualizace státní energetické koncepce (SEK 2012), rozeslána k připomínkám v 8/2012 – schválení 2012? později ? MPO: Národní akční plán (NAP) pro OZE – aktualizace 2012. Původní NAP OZE schválen v září 2010, aktualizace v přípravě strategie naplnění cíle v oblasti OZE k roku 2020 (29/2008 EC) Pro ČR =13,25% podíl OZE na konečné spotřebě důležitý z hlediska limitace podpor OZE pro výrobu elektřiny Uvedené dokumenty však nejsou provázány!? 11
Definice cílů ve využívání biomasy - NAP OZE NAP OZE verze 2010 (29/2008 EC) – cílový rok 2020 výroba elektřiny v roce 2020: spalováním tuhé biomasy: 3,3 TWh (1,4 TWh v 2009) na bázi bioplynu: 2,9 TWh (0,44 TWh v 2009) více jak 50% z celkové očekávané výroby 11,7 TWh v 2020 příspěvek biomasy k PEZ celkem v roce 2020 (13,25% podíl OZE): tuhá biomasa: 105 PJ bioplyn: 17 PJ biomasa celkem (tuhá a bioplyn): 67% 12
Definice cílů ve využívání biomasy II Nárůst biomasy mezi 2009 a 2020 dle NAP OZE je nárůst užití biomasy ve výši cca 45 PJ (bez kapalných biopaliv) pokud 2/3 tohoto nárůstu kryty cíleně pěstovanou biomasou potřeba cca min. 300 tis. ha zemědělské půdy
13
Definice cílů ve využívání biomasy – návrh SEK 2012 Vývoj a struktura OZE na PEZ 350 Solární kolektory 300
Tepelná čerpadla Geotermální energie
250 Fotovoltaické elektrárny 200
PJ
Větrné elektrárny Vodní elektrárny
150
Biopaliva 100
Biologicky rozl. část PRO a ATP Biologicky rozložitelná část TKO
50
Bioplyn 0 2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
Biomasa
SEK 2012: rychlý růst biomasy, kde ji vzít ?
14
Definice cílů ve využívání biomasy – návrh SEK 2012
Vývoj a struktura hrubé výroby elektřiny z OZE 25 000
Geotermální energie
20 000
Fotovoltaické elektrárny 15 000
GWh
Větrné elektrárny Vodní elektrárny
10 000
Biologicky rozložitelná část TKO 5 000 Bioplyn Biomasa
0 2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
15
Aktuální stav ve využívání biomasy Rychlý nárůst užití biomasy pro energetické účely výroba elektřiny: důsledek podpor dle zákona 180/2005 Sb. výroba tepla: teplárny a menší zdroje + decentralizovaná spotřeba snaha substituovat jiná paliva (např. hnědé uhlí) průmyslové využití (cihlárny, OSB, papírny) biomasa se stává rychle nedostatkovou komoditou
16
Aktuální stav ve využívání biomasy Zdroje zbytkové a odpadní biomasy se rychle vyčerpávají – pouze omezený potenciál ! Předpokládaná rozhodující role biomasy cíleně pěstované na zemědělské půdě nejde však o snadno dosažitelný cíl lze dokumentovat na omezených plochách půdy v současnosti použitých pro energetické plodiny
např. z plánovaných 200tis. ha pro přímé spalovaní je zatím vysazeno cca 2,5tis ha (RRD, ozdobnice, lesknice aj.)
17
Projekt „Metodika a analýza potenciálu biomasy v ČR“ 2007-2010 a jeho hlavní výstupy VÚKOZ, v. v. i., Průhonice VÚRV, v.v.i., Praha-Ruzyně ÚHÚL Brandýs nad Labem CENIA GALLO PRO s.r.o. ČVUT FEL, Praha
18
Různé odhady potenciál biomasy
Dokument
potenciál
Celkový potenciál
Rozdělení biomasy
SEK 2004
Využitelný
285,8 PJ
sláma obilná, řepková E-plodiny lignocelulózní lesní (LTZ) zbytková - dřevozpracující průmysl Bioplyn a Kapalná biopaliva
APB MZe 2010
Využitelný
151,3 PJ (potravinové bezpečnost), 201,9 PJ (bez potr.bezpečnosti),
Zemědělská včetně energetických plodin Lesní 42,5 PJ Zbytková
Využitelný
276 PJ
Zemědělská včetně energetických plodin Lesní Zbytková
Využitelný
94 PJ 222 PJ
Zpráva NEK 2008 SEVEn
Krátkodobý: dlouhodobý:
Sláma a plevy, zrní (přebytky), energetické plodiny
Využitelný potenciál je dostupný potenciál, který je omezen využitím přírodního zdroje pro jiné účely než energetické, jako je například využití zemědělské půdy pro produkci potravin, surovin atd. Tyto bariéry jsou již hůře definovatelné zejména pro velké územní celky a proto se jejich rozsah nebo časový vliv řeší pomocí vhodných metodických postupů využívajících relativních hodnot a expertních odhadů. 19
Zdroje biomasy hodnocené v analýze Zbytková biomasa pro přímé spalování a bioplyn
• • • •
Sláma obilná a řepková Kukuřice na siláž TTP – trvalé travní porosty Lesní těžební zbytky
Záměrně pěstovaná biomasa pro přímé spalování a bioplyn
• •
• • • • •
Dřevnaté energetické plodiny topoly a vrby (RRD – rychle rostoucí dřeviny) Nedřevnaté energetické plodiny šťovík, ozdobnice, lesknice rákosovitá, sveřep bezbranný, ovsík vyvýšený, srha laločnatá.
20
Metodika analýzy potenciálu s využitím GIS
Metodika je založena na „agronomickém přístupu“, kdy jsou na jednotlivé pozemky s definovanými vlastnostmi (dle bonitace zemědělských půd a lesních stanovišť) přiřazovány výnosy biomasy plodin odpovídajícími pěstebními (ekologickými) nároky
Metodika umožňuje:
geografické vyjádření potenciálu (výnosové mapy) – např. definovat hlavní zdrojové oblasti nebo oblasti vhodné pro konkrétní energetické plodiny
hodnocení ekonomicky využitelného potenciálu jednotlivých zdrojů biomasy (cenové mapy)
hodnocení v různých časových horizontech
aktualizaci podle změn vstupních parametrů např. rozlohy plodin a výnosů (po krajích) nebo nákladových položek 21
Scénáře pro stanovení potenciálu biomasy Dva scénáře alokace zemědělského půdního fondu
•
•
První scénář – veškerá obdělávaná půda je používána pro konvenční zemědělskou produkci (potenciál je tvořen pouze zbytkovou biomasou). Druhý scénář využívá cca 10 % orné půdy a cca 2 % rozlohy TTP pro záměrně pěstované energetické plodiny
Scénář 2 předpokládal využití nejméně kvalitní zemědělské půdy pro pěstování konvenčních plodin (obiloviny, řepka). Jednotlivé energetické plodiny jsou na „uvolněné“ pozemky vybírány na základě jejich nároků na půdní a klimatické podmínky (dle názoru zemědělských expertů) Metodika pracuje s fondem obdělávané zemědělské půdy (LPIS), které je o cca 710 tis. ha menší než často využívaný ZPF (zemědělský půdní fond)
22
Energetické plodiny 1. generace: podíl vložené a získané energie = 1 : 1,3 – 2,5 Jednoleté potravinářské plodiny: řepka, pšenice (a kukuřice), žitovec (obilnina) 2. generace: podíl vložené a získané energie = 1 : 2 – 15 Vytrvalé lignocelulozní plodiny: Topoly, vrby, energetický šťovík, lesknice rákosovitá, ozdobnice, traviny
3. generace: podíl vložené a získané energie = 1 : 36 GMO řasy nebo topoly
23
Topoly a vrby - výmladkové plantáže RRD
Sortiment: topoly, vrby Hustota: 6-15 tis. ks / ha Obmýtí: 2-6 (10) let Počet sklizní: 3-7x Životnost: 15-25 let Produkt: štěpka, palivo Celkem se pěstuje > 35tis. ha v EU (sever – vrby, jih – topoly) V ČR: cca 1200 ha (převážně topoly – klon J-105)
24
Ozdobnice (Miscanthus × giganteus)
Vytrvalá tráva – rostlina typu C4, dobře využívá sluneční energii, vodu, živiny, odolná proti chorobám a škůdcům biomasa ze zimní sklizně je lepší pro přímé spalování 25
Lesknice rákosovitá (Phalaris arundinacea) stav porostu koncem září a koncem února
domácí vytrvalá tráva – velmi nenáročná plodina biomasa z letní sklizně využitelná pro výrobu bioplynu a ze zimní sklizně vhodná pro přímé spalování 26
Schavnat (Rumex OK2; energet. šťovík)
vytrvalá dvouděložná plodina, výhodou je brzké dozrávání (VII), v současné době je využíváno cca 1 000 ha, nevhodná pro pozemky s vyšší hladinu podzemní vody (× RRD) pro bioplyn příp. spalování
27
Typologie zemědělských půd pro energetické plodiny Pro jednotlivé energetické plodiny byla vytvořena typologie zemědělských půd na podkladě české bonitace zemědělských půd (tzv. BPEJ-ky) a výsledků polního testování Výnosy byly získávány: pro energetické plodiny – prováděném na více lokalitách
z
výsledků polního testování
pro konvenční potravinové plodiny – z průměrných tabulkových výnosů podle jednotek bonitace půd
28
Výsledek: hlavní faktor výnosu je stanoviště 16
Výnos (t (suš)/ha/rok)
14 12 10
Dalovice Libědice Nová Olešná Doubravice Average
8 6 4 2 0
1. sklizeň (3. rok)
2. sklizeň (6. rok)
3. sklizeň (9. rok)
Podklad pro vytvoření rámcové typologie půd a výnosových křivek pro pěstování vrb a topolů na zemědělské půdě 29
BPEJ: bonitované půdně ekologické jednotky
sdružují zemědělské pozemky s shodnými nebo podobnými
vlastnostmi pro pěstování konvenčních zemědělských plodin udává hlavní půdní a klimatické podmínky, které mají vliv na produkční schopnost zemědělské půdy celkem je u nás cca 500 jednotek HPKJ
30
Mapové výstupy pro scénáře projektu Scénář 1 : potenciál zbytkové zemědělské biomasy Scénář 2: Stanovení výnosů EP na 11,5% půdy
31
Stanovení výnosů a potenciálu slámy z obilnin, kukuřice a řepky
Energetický potenciál z konvenčního zemědělství Plzeňský kraj
Využití pro spalování vt zbytková obilná sláma řepková sláma celkem
v GJ
352 725
5 537 782
65 830
1 152 018
418 555
6 689 800
Pozn. započtena spotřeba ŽV
32
Stanovení výnosů a potenciálu biomasy z travních porostů (TTP)
Energetický potenciál z konvenčního zemědělství Plzeňský kraj Využití např. pro bioplyn vt kukuřice na siláž
v GJ
870 286
3 916 287
TTP
1 721 035
5 679 417
celkem
2 591 321
9 595 704
Pozn. bez započtení ŽV
33
Kategorizace potenciálu lesní biomasy
34
Výnosová mapa RRD na orné půdě
35
Výnosová mapa lesknice rákosovité
36
Cenová mapa RRD na orné půdě
37
Cenová mapa lesknice rákosovité
38
Cenová mapa biomasy z TTP
39
Výsledky Scénáře 1 : Energetický potenciál zbytkové biomasy na zemědělské půdě Zdroj biomasy
v PJ
zbytková obilná sláma
79, 4
řepková sláma
10, 9
celkem biomasy pro spalování
90, 3
kukuřice na siláž (s odečtením skotu)
- 2,2
TTP
47,9
celkové množství biomasy pro bioplyn
45, 7
Celkem (včetně lesních zbytků 9,3 PJ)
145,3
Od celkového množství obilné slámy je odečtena spotřeba na podestýlku příp. krmení pro živočišnou výrobu. Pozn. Jelikož nebylo možno získat přesný počet ustájeného skotu a počet na pastvinách, uvažovalo se, že veškerý skot je ustájen. Z toho plyne záporná hodnota množství energie u kukuřice (jde jen o matematický výpočet, teoreticky se pro krmení využívá i TTP). 40
Výsledky Scénáře 2 : Energetický potenciál na zemědělské půdě při pěstování e-plodin na 11,5 % Zdroj biomasy
v PJ
zbytková sláma
69,7
řepková sláma
9,8
RRD na orné půdě i TTP
4,3
ozdobnice, šťovík, lesknice
11,3
celkem biomasy pro spalování
95,1
kukuřice na siláž (s odečtením skotu)
- 5,5
TTP
46,5
srha, ovsík, sveřep
2,5
celkové množství biomasy pro bioplyn
43,5
Celkem (včetně lesních zbytků 9,3 PJ)
147,9
navýšení o 2,6 PJ oproti Scénáři 1 (energ. plodiny 15,6 PJ)
41
Výsledky analýzy potenciálu metodikou GIS
Scénář 1: Celkový energetický potenciál zbytkové biomasy je 145,3 PJ (včetně lesní biomasy 9,3 PJ) Scénář 2: Celkový energetický potenciál biomasy je 147,9 PJ včetně lesní biomasy a pěstování energetických plodin na 11,5% půdy (9,3 + 15,6 PJ)
Celkový potenciál je nižší než u předcházejících analýz, zejména kvůli poklesu LTZ a započtením nových omezení pro využívání pěstování (ochrana přírody, živočišná výroba, obdělávaná půda)
Časová realizovatelnost potenciálu ve Scénáři 2 je v optimálním případě v horizontu roku 2030 harmonizace politik na podporu efektivního pěstování a využívání biomasy
42
Limity a bariéry potenciálu biomasy v ČR Přírodní a životní prostředí Teoretický výnos našich ekosystémů: 8,5-17 t(suš.)/ha/rok Ochrana přírody (5-15% území) – pouze původní druhy rostlin (vrby, topol černý, lesknice?) Ostatní krajina: nutný souhlas s pěstováním „nepůvodních druhů rostlin “, což je velká část energetických plodin Omezení odnímání lesní biomasy a pěstování energetických plodin Zemědělství: Neochota zemědělců pěstovat nebo najímat pozemky na dlouhou dobu pro vytrvalé energetické plodiny (Pozemkový fond dtto) Vysoké dotace na jiné činnosti např. na travní porosty (jistý příjem za standardní činnosti) Nedůvěra a chybějící znalosti zemědělců o nových energetických plodinách a komoditách 43
Limity a bariéry 2 Ekonomická motivace a snížení rizika pro pěstitele
Primárním produkčním faktorem je půda – a „kanibalismus“ užití
rozhodování o založení víceletých porostů (např. RRD) má zcela jiný charakter než každoroční rozhodování o klasické zemědělské produkci
Vyšší potenciální rizika pro producenta biomasy (vysoký podíl nákladů na založení porostu víceletých a vytrvalých energetických plodin )
Efektivnost a rizika projektů energetických plodin podstatně závisí na výši a způsobu zemědělských podpor
Rizika lze omezit
Transparentní a stabilní politikou podpor pěstování biomasy
Podporou uzavírání dlouhodobých smluv s „cenovým“ vzorcem pro rozložení rizik mezi producenta a spotřebitele biomasy
44
Celkové shrnutí
Zdroje biomasy v ČR jsou pestré a jejich potenciál se pohybuje cca na úrovni 150 PJ (2030) Realizaci tohoto potenciálu však mohou ještě omezit některé bariéry (zejm. v oblasti zemědělské a ŽP) Primárním faktorem je užití omezeného rozsahu zemědělské půdy – nutno optimalizovat její užití z hlediska energetické potřeb, ekonomické efektivnosti a potravinové bezpečnosti Rozvinutí potenciálu biomasy v budoucnu závisí na harmonizaci politik a odstraňování v současnosti působících bariér Zpracovaná metodika analýzy potenciálu biomasy je vhodným nástrojem plánování rozvoje biomasy v ČR 45
Děkujeme za pozornost
[email protected] [email protected]
46
