Využití biomasy pro výrobu biopaliva Bakalářská práce

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky

Využití biomasy pro výrobu biopaliva Bakalářská práce

Vedoucí práce: Bc. Ing. Zdeněk Konrád, Ph. D.

Vypracovala: Dana Vránová

Brno 2013

ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE

2

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Využití biomasy pro výrobu biopaliva vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne ………………………………… podpis ……………………….……. 3

PODĚKOVÁNÍ Ráda bych touto cestou poděkovala Bc. Ing. Zdeňku Konrádovi, Ph.D. za odborné vedení při zpracování bakalářské práce. 4

ABSTRAKT V práci jsou vymezeny základní pojmy v oblasti zpracování biomasy ve vztahu k platným právním předpisům. Úkolem této práce je uvést možnosti využití biomasy jako alternativní zdroj energie, pro výrobu biopaliv. Jsou zde popsány technologické přeměny biomasy za účelem výroby biopaliva. Dále jsou v publikaci konkrétní situace použití biopaliv a jejich srovnání vůči palivům z neobnovitelných zdrojů.

Klíčová slova: biomasa, biopaliva, obnovitelné zdroje energie

ABSTRACT The bachelor's thesis defines basic concepts in the processing of biomass in relation to the existing legislations. The goal of this work is to introduce the potential of biomass as an alternative energy source for the production of biofuels. There are described the technological transformation of biomass for the production of biofuels. Furthermore, the publication contain specific situations and use of biofuels compared to fuels from renewable resources.

Keywords: biomass, biofuels, renewable energy 5

Obsah 1 ÚVOD ............................................................................................................................ 9 2 CÍL PRÁCE ................................................................................................................. 10 3 LITERÁRNÍ PŘEHLED ............................................................................................. 11 3.1 Obnovitelné zdroje energie ....................................................................................... 11 3.2 Potenciál obnovitelných zdrojů energie .................................................................... 11 3.3 Co je to biomasa ....................................................................................................... 12 3.4 Podmínky vzniku biomasy........................................................................................ 12 3.5 Rozdělení biomasy.................................................................................................... 12 3.5.1 Záměrně pěstovaná biomasa .............................................................................. 12 3.5.2 Odpadní biomasa ............................................................................................... 12 3.6 Klasifikace tuhé biomasy podle původu a zdroje ..................................................... 13 3.6.1 Dřevní biomasa .................................................................................................. 13 3.6.2 Bylinná biomasa ................................................................................................ 13 3.6.3 Ovocná biomasa ................................................................................................. 13 3.7 Vymezení základních pojmů v oblasti zpracování biomasy ve vztahu k platným právním předpisům ......................................................................................................... 14 3.7.1 Zákon č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší ........................................................ 14 3.7.2 Zákon č. 165/2012 Sb., o podporovaných zdrojích energie a o změně některých zákonů ......................................................................................................................... 15 3.7.3 Zákon č. 351/2012 Sb., o kritériích udržitelnosti biopaliv ................................ 16 3.8 Možnosti využití biomasy pro výrobu biopaliva ...................................................... 16 3.8.1 Procesy při zpracování biomasy ........................................................................ 18 3.8.1.1 Spalování .................................................................................................... 18 3.8.1.2 Anaerobní fermentace ................................................................................. 19 3.8.1.3 Pyrolýza ...................................................................................................... 21 3.8.1.4 Zplyňování .................................................................................................. 22 3.9 Rostliny a energie ..................................................................................................... 22 3.10 Biopaliva ................................................................................................................. 23 3.11 Dělení biopaliv ........................................................................................................ 24 3.11.1 Biopaliva tuhá .................................................................................................. 24 3.11.1.1 Dřevní štěpka ............................................................................................ 25 3.11.1.2 Pelety ........................................................................................................ 26

6

3.11.1.3 Brikety ...................................................................................................... 27 3.11.2 Biopaliva kapalná ............................................................................................ 28 3.11.2.1 Bioetanol (obecně kvasný líh) .................................................................. 28 3.11.2.2 Bionafta ..................................................................................................... 29 3.11.3 Biopaliva plynná .............................................................................................. 31 3.11.3.1 Bioplyn...................................................................................................... 31 3.11.3.2 Dřevní plyn ............................................................................................... 32 4 MOŽNOSTI VYUŽÍTÍ BIOPALIV V PRAXI ........................................................... 33 4.1 Využití pevných biopaliv .......................................................................................... 33 4.1.1 Zařízení na spalování kusového dřeva ............................................................... 33 4.1.2 Zařízení na spalování dřevní štěpky .................................................................. 34 4.1.3 Zařízení na spalování slámy .............................................................................. 35 4.1.4 Zařízení na spalování pelet ................................................................................ 36 4.1.5 Zařízení na spalování briket ............................................................................... 36 4.1.6 Třebíčská teplárenská společnost – TTS energo s. r. o. ....................................... 37 4.1.7 Automatický kotel s hořákem FERROLI – Kadria s.r.o. ................................... 37 4.1.8 Zplyňovací kotel DC 30 RS – ATMOS ............................................................. 38 4.2 Využití kapalných biopaliv ....................................................................................... 38 4.2.1 Čistý řepkový olej jako motorové palivo ........................................................... 39 4.2.2 Metylester řepkového oleje (MEŘO) jako motorové palivo ............................. 40 4.2.3 Bioetanol jako motorové palivo ......................................................................... 41 4.2.3.1 Osobní automobil Škoda Octavia 1.6 MPI Multifuel ................................. 42 4.3 Využití plynných biopaliv ........................................................................................ 43 4.3.1 Výroba bioplynu v bioplynových stanicích ....................................................... 43 4.3.1.1 Schéma zařízení pro výrobu bioplynu – hlavní části .................................. 44 4.3.1.2 Bioplynová stanice v Budišově .................................................................. 45 5 DISKUSE..................................................................................................................... 47 5.1 Zhodnocení tuhých biopaliv ..................................................................................... 47 5.1.1 Porovnání kotlů a více typů paliv ...................................................................... 48 5.2 Zhodnocení kapalných biopaliv ................................................................................ 52 5.3 Zhodnocení plynných biopaliv ................................................................................. 52 6 ZÁVĚR ........................................................................................................................ 54 7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ......................................................................... 56 8 SEZNAM TABULEK ................................................................................................. 60 7

9 SEZNAM OBRÁZKŮ ................................................................................................. 61 10 SEZNAM PŘÍLOH.................................................................................................... 62

8

1 ÚVOD Předmětem této bakalářské práce je biomasa a její využití jako biopalivo. Energie z fosilních paliv (ropa, zemní plyn aj.) je v dnešní době stále využívaná v obrovské míře a zásoby těchto neobnovitelných zdrojů energie rapidně klesají. To mimo jiné vede ke zvyšování cen fosilních paliv. Touto problematikou a možnostmi využívání alternativních zdrojů (energie biomasy, větru, vody, slunečního záření, přílivu oceánů apod.) jako paliva, se v současnosti zabývá mnoho odborníků. Využití rostlinné i živočišné biomasy jako zdroj při výrobě biopaliv je velice zajímavé téma, především aktuální. Zpracování organických materiálů, které by se jinak nevyužily, vede ke zvyšování ekonomiky. Ve své práci se zaměřím na možnosti využití biomasy pro výrobu biopaliv a její technologie zpracování. Využívání paliv z biomasy směřuje ke snižování negativních vlivů na životní prostředí. Omezuje se produkce skleníkových plynů, emise oxidu uhličitého a dalších. Zvýšeným používáním biopaliv by mělo vést k ustálení klimatu, zmírnění globálního oteplování a dalších antropogenních změn. Pojmem biomasa je označován biologický materiál, rostlinného či živočišného původu. Tento materiál může být záměrně pěstovaný (energetické plodiny a dřeviny) nebo jsou využívané odpady z různých výrob (zemědělství, zvířecí exkrementy, potravinářský průmysl, péče o městskou zeleň atd.). Záměrně pěstovaná biomasa je navíc ukazatelem efektivního využití půdy. Biopalivo může mít mnoho podob a využití. Tuhými biopalivy rozumíme např. dřevní štěpku, brikety, pelety, slámu. Kapalná biopaliva jsou bionafta a bioetanol. Bioplyn a dřevní plyn jsou paliva plynná. Energie vytvořená z biomasy se využívá především k vytápění budov, ohřevu vody či jako elektrická energie a její všestranné využití. Vstupem České republiky do Evropské unie se stát zavazuje k plnění mnoha požadavků. V roce 2010 měla výroba elektrické energie z obnovitelných zdrojů tvořit 8 % z celkové produkce elektrické energie. To se podařilo přibližně splnit. Rokem 2020 by tato část výroby elektrické energie z alternalivních zdrojů měla být 13,5 %. V roce 2011 Skupina ČEZ vyprodukovala v elektrárnách z biomasy, na území České republiky, cca 428 GWh elektřiny.

9

2 CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce je vymezit základní pojmy v oblasti zpracování biomasy ve vztahu k platným právním předpisům. S využitím informačních zdrojů, popsat možnosti

využití

biomasy

pro

výrobu

všech

druhů

pevných,

kapalných

a plynných biopaliv. A uvést praktické příklady s obrázkovými přílohami. Dalším úkolem bakalářské práce je provést rekapitulaci získaných informací, doporučení pro další vývoj této problematiky a formulace závěrů.

10

3 LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Obnovitelné zdroje energie Obnovitelné zdroje energie jsou takové zdroje, které se při jejich čerpání, samy nebo s pomocí člověka, obnoví a nejsou vyráběné z ropy. Jedná se o energii větru, Slunce, vody, biomasy, přílivu a odlivu oceánů aj.

3.2 Potenciál obnovitelných zdrojů energie Efektivnost využívání obnovitelných zdrojů energie (dále jen OZE) je možné posuzovat podle několika parametrů. Z hlediska ekologie lze využíváním OZE předcházet vzniku emisí, omezit negativní dopady alternativních paliv, pomáhají řešit jiné ekologické problémy (zpracovávání odpadů). Z ekonomických hledisek jsou některé druhy alternativních zdrojů energie náročné pouze počátečními investicemi, ale následovně žádnou péči nevyžadují. Zpracování materiálu, který by se jinak již nevyužil, je možné efektivně využít. Silné je také strategické měřítko. Odpoutání závislosti na dovozu paliv, snižuje zranitelnost státu. OZE a jejich zpracování vede k vytváření pracovních míst a posiluje tak sociální pilíř (Kára, 1994). Česká republika, jako členský stát Evropské unie, má povinnost, při výrobě elektrické energie, využívat obnovitelné zdroje. Odhad příspěvku výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů (z biomasy) v ČR je zobrazen v tabulce č. 1. Tabulka č. 1: Odhad příspěvku výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů (z biomasy) v ČR (zdroj: www.mpo.cz, vlastní zpracování) Rok/ jednotka Biomasa (celkem) Pevná biomasa Plynná biomasa Rok/ jednotka Biomasa (celkem) Pevná biomasa Plynná biomasa

2005 2010 2011 2012 2013 2014 MW GWh MW GWh MW GWh MW GWh MW GWh MW GWh 36

721

118 2127 182 2683 212 3167 254 3449 284 3730

-

560

-

1492

-

1683

36

161

118

635

182

935

-

1837

-

1851

-

1865

212 1329 254 1597 284 1865

2015 2016 2017 2018 2019 2020 MW GWh MW GWh MW GWh MW GWh MW GWh MW GWh 304 3930 319 4075 334 4200 344 4307 354 4395 364 4483 -

1879

-

1893

-

1920

-

1920

-

1934

-

1948

304 2052 319 2182 334 2387 344 2387 354 2461 364 2536 11

3.3 Co je to biomasa Biomasa je definována jako hmota biologického původu. Biomasa se získává záměrně výrobní činností nebo se jedná o využití odpadů ze zemědělské, lesní a potravinářské výroby, dále z komunálního hospodářství, z údržby krajiny a péči o ni (Pastorek, Kára, 2004). Biomasa je tvořena rostlinnou i živočišnou hmotou. Rostlinná biomasa je z chemického hlediska tvořena širokou škálou sloučenin. Největší význam má celulóza, škrob, lignin, oleje a pryskyřice (Murtinger, Beranovský, 2006).

3.4 Podmínky vzniku biomasy V přírodě neustále probíhají biochemické reakce, během kterých dochází k oběhu biogenních prvků. Při těchto reakcích se přeměňuje sluneční energie na energii chemickou, která je využívána jako zdroj energie při biochemických procesech. Hlavní úlohu má fotosyntéza a fotochemické reakce.

3.5 Rozdělení biomasy Biomasa se dá dělit podle různých hledisek. Biomasa, která se využívá pro energetické účely, se dělí na biomasu záměrně pěstovanou a biomasu odpadní. 3.5.1 Záměrně pěstovaná biomasa Tato biomasa je tvořena složkami záměrně pěstovanými k tomuto účelu. Je to například obilí, cukrová řepa, cukrová třtina, brambory, olejniny, energetické dřeviny (topoly, olše, vrby). U energetických dřevin je žádoucí vysoký obsah sušiny v době sklizně, vysoká výhřevnost a nízký obsah popela, nenáročnost na vodu a živiny, odolnost proti škůdcům a chorobám. 3.5.2 Odpadní biomasa Je chápána jako biomasa, která již byla člověkem nějak (jinak než energeticky) využita nebo sloužila primárně k jiným účelům, než je produkce energie. Jedná se především o odpady která, nějak využívají nebo zpracovávají biomasu: rostlinné odpady ze zemědělské prvovýroby (řepková, kukuřičná a obilná sláma, seno), odpady z údržby krajiny, sadů, vinic a travnatých ploch (prořezy, křoviny, náletové dřeviny, opad ze sadů a vinic), odpady z těžby dřeva (kůra, vršky stromů, šišky, pařezy), odpady 12

z potravinářské a průmyslové výroby (z jatek, mlékáren, lihovarů, konzerváren, cukrovarů, dále hobliny, piliny), odpady z živočišné výroby (kejda, hnůj, zbytky krmiv) (Murtinger, Beranovský, 2006).

3.6 Klasifikace tuhé biomasy podle původu a zdroje 3.6.1 Dřevní biomasa Je tvořena lesním a plantážovým dřevem, které může být upraveno pouze redukcí velikosti částic, odkorněním, vysušením nebo zvlhčením. Zde je zahrnuto dřevo z lesů, parků, plantáží a rychle rostoucí stromy (Malaťák, Vaculík, 2008). Dále je dřevní biomasa tvořena dřevem ze dřevozpracujícího průmyslu. Tím jsou myšleny vedlejší dřevní produkty a dřevní zbytky během výroby. Jedná se o chemicky neošetřené dřevní zbytky nebo chemicky ošetřené zbytky, které neobsahují těžké kovy a halogenované organické sloučeniny (Malaťák, Vaculík, 2008). Zahrnuje také použité dřevo od zákazníků nebo společností. S ohledem na ošetření dřeva, se používají stejná kritéria, jako pro dřevo z dřevozpracujícího průmyslu (Malaťák, Vaculík, 2008). 3.6.2 Bylinná biomasa Tato skupina zahrnuje zemědělské a zahradní byliny. Materiál se získává přímo ze zemědělských a zahradnických polí, zahrad a parků. Je redukovaný, podle velikosti částic a sušen (Malaťák, Vaculík, 2008). Jako další sem spadají zbytky z průmyslu zpracovávajícího byliny. Jedná se o materiál, který vznikl během manipulace a ošetření. Jsou to například zbytky z výroby cukru z cukrové řepy a zbytky z ječného sladu z výroby piva (Malaťák, Vaculík, 2008). 3.6.3 Ovocná biomasa Zde je zahrnuto sadové a zahradní ovoce ze stromů, keřů, bylin. Dále zde patří zbytky z průmyslu zpracovávající ovoce. Jedná se o hmotu vzniklou při průmyslové manipulaci a ošetření. Příkladem mohou být rostlinné zbytky z lisování olejů, výroby džusů, přesnídávek.

13

3.7 Vymezení základních pojmů v oblasti zpracování biomasy ve vztahu k platným právním předpisům 3.7.1 Zákon č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší „Ochranou ovzduší se rozumí předcházení znečišťování ovzduší a snižování úrovně znečišťování tak, aby byla omezena rizika pro lidské zdraví způsobená znečištěním ovzduší, snížení zátěže životního prostředí látkami vnášenými do ovzduší a poškozujícími ekosystémy a vytvoření předpokladů pro regeneraci složek životního prostředí postižených v důsledku znečištění ovzduší. Zákon zapracovává příslušné předpisy Evropské unie.“ (Zákon č. 201/2012 Sb., § 1, odstavec 1, 2) Pro účely zákona o ochraně ovzduší se rozumí:  Znečišťující látka je látka nacházející se v ovzduší, která má nebo může mít škodlivé účinky na lidské zdraví, negativní dopad na životní prostředí či obtěžuje zápachem.  Znečišťováním se rozumí vnášení jedné nebo více znečišťujících látek do ovzduší.  Úrovní znečištění se udává hmotnostní koncentrace znečišťující látky uvolněné do ovzduší nebo její následná depozice na povrch Země jednotku času.  Spalovací stacionární zdroj je dále nedělitelné zařízení nebo soubor zařízení

spalovacích

technologických

procesů,

jehož

účelem

je uvolňování tepla při oxidaci paliva.  Emisním limitem je nejvyšší přípustné množství znečišťující látky nebo soubor těchto látek, uvolňované do ovzduší spalovacím stacionárním zdrojem.  Emisním stropem nejvyšší možné množství znečišťujících látek nebo soubor těchto látek uvolněné do ovzduší za kalendářní rok.  Imisním limitem nejvyšší přípustnou úrovní znečištění ovzduší, která je stanovená zákonem o ovzduší. (Malaťák, Vculík, 2008, Zákon č. 201/2012 Sb.)

14

3.7.2 Zákon č. 165/2012 Sb., o podporovaných zdrojích energie a o změně některých zákonů Tento zákon zpracovává příslušné předpisy Evropské unie a upravuje:  Podporu elektřiny, tepla a biometanu z obnovitelných zdrojů energie, druhotných obnovitelných energetických zdrojů.  Normy pro vydávání, evidenci a uznávání záruk původu energie z obnovitelných zdrojů.  Normy pro vydávání osvědčení o původu energie. Účelem tohoto zákona je v zájmu ochrany klimatu a životního prostředí:  Pomoci využití obnovitelných zdrojů, druhotných zdrojů, vysokoúčinné kombinované výroby elektřiny a tepla, biometanu a decentrální výroby elektřiny.  Opatřit zvyšování podílu obnovitelných zdrojů na spotřebě primárních energetických zdrojů k získání stanovených cílů.  Napomoci k šetrnému využívání přírodních zdrojů a k trvale udržitelnému rozvoji společnosti.  Splnit podmínky závazného cíle podílu energie z obnovitelných zdrojů na hrubé konečné spotřebě energie v České republice. Základní pojmy pro účel tohoto zákona: obnovitelné zdroje – přírodní nefosilní energetické zdroje. Patří mezi ně hlavně energie větru, slunečního záření, biomasy, vody, geotermální energie. biomasa – směs biologicky rozložitelného materiálu, která vznikla během zemědělské výroby, lesnictví a příslušných částí hospodářství, část průmyslových a komunálních odpadů, které je možné využít jako palivo a tím využít jeho energetickou hodnotu bioplyn – plynné palivo, které bylo vyrobeno z biomasy za účelem výroby elektrické energie, tepla či biometanu zelený bonus na elektřinu – finanční částka, která slouží k podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů (Zákon č. 165/2012 Sb.)

15

3.7.3 Zákon č. 351/2012 Sb., o kritériích udržitelnosti biopaliv Biopaliva splňují kritéria udržitelnosti, pokud mají nižší emise skleníkových plynů a pokud biomasa použitá při jejich výrobě odpovídala normám zemědělské politiky Evropské unie. Biopaliva, která jsou vyrobená z odpadu zemědělské výroby, musí splňovat následující podmínky: úspora emisí do 31. prosince 2016 ve výši 35 %, dále pak 50 % od l. ledna 2017 a 60 % od 1. ledna 2018. Poslední podmínka 60 % je platná pouze pro biopaliva vyrobená ve stacionárním zdroji, který byl uveden do provozu nejdříve 1. ledna 2017. (Zákon č. 351/2012 Sb.)

3.8 Možnosti využití biomasy pro výrobu biopaliva Nejstarší využití biomasy je jako potrava. Dále je spotřebovávaná k výrobě tepla, které je využito při vařeni, vytápění a ohřívání vody. Biomasa je užívaná jako zdroj k výrobě elektrické energie, biopaliv pro dopravní prostředky a také jako surovina pro průmysl (papír, buničina, výroba stavebních hmot aj.) (Murtinger, Beranovský, 2006). Vhodnost biomasy pro jednotlivá využití jsou také daná stupněm vlhkosti a obsahem sušiny. Např. čerstvé rostliny obsahují značné množství vody, proto je nutné biomasu nechat nejprve sušit na obsah vlhkosti pod 30 – 20 %. K sušení dochází, buď samovolně na vzduchu nebo při snaze dosáhnout i nižšího obsahu vody, pomocí vyšší teploty a tím je spotřebováno určité množství energie. Často je takto využíváno odpadní teplo, solární energie aj. (Murtinger, Beranovský, 2006). Při obsahu sušiny v biomase nad 50 % to je tzv. suchý proces, při kterém dochází k získávání energie z biomasy. V tomto případě se biomasa spaluje anebo zplyňuje. A při obsahu sušiny pod 50 % se jedná o tzv. mokrý proces a biomasa je alkoholově zkvašována (www.gyabra.com). Biomasa jako zdroj pro výrobu biopaliv, má mnoho výhod díky svému složení. Je to např. nízký obsah síry, těžkých kovů. Jejich množství je ovlivněné typem rostliny a její schopnost vázat těžké kovy ve svých pletivech a složením půdy, na které vyrostla. Těžké kovy se po spálení vyskytují v popelu, který se ukládá na skládky. Biomasa je obnovitelný zdroj energie a v průběhu jejího růstu využívá CO2 z atmosféry (Murtinger, Beranovský, 2011).

16

Tabulka č. 2: Způsobilost biomasy pro různé typy konverzí (zdroj: Pastorek, Kára, Jevič, 2004, vlastní zpracování) Typ biomasy

spalování

zplaňování

esterifikace olejů

zisk odpadního tepla

B

A

C

A

A

-

A

B

-

-

B

-

-

C

-

A

C

C

A

A

A

-

-

C

-

-

A

A

A

-

B

C

B

B

A

-

-

-

A

B B

-

-

C C C

B B A

B B A

-

A A

C

-

-

C

B

B

-

A

etanol, metylalkohol

vázané teplo

hořlavý plyn-metan

olej, metylester

vázané teplo

Legenda: A - nepoužívá se, ale jedná se o technologii zvládnutelnou B - použitelné, ale dle technicko-ekonomických podmínek C - často využívaná technologie - - nelze použít, nevyužívá se

17

pevné palivo, plyn, dehtový olej

pyrolýza

alkoholové kvašení

B

metan

Organický odpad z potravinářské výroby Odpad ze zpracování dřeva Odpad z lesnictví Rostlinný odpad z údržby krajiny Organická část komunálních odpadů Získané produkty

aerobní fermentace

Odpady z živočišné výroby (mléčné o., exktementy)

Jiné procesy

vázané teplo

Energetické plodiny s lignocelulózou (dřevo, sláma, obiloviny, pícniny) Olejniny (řepka, slunečnice) Energetické plodiny škrobnaté, cukernaté (obiloviny, brambory, cukrová řepa)

Suché procesy

anaerobní fermentace

Mokré procesy

3.8.1 Procesy při zpracování biomasy Pro zvolení vhodné technologie ke zpracování biomasy, slouží její fyzikální a chemické vlastnosti. Mezi tyto hlavní vlastnosti patří obsah sušiny a vody (volné, vázané). Pro konverzi biomasy slouží tzv. mokré a suché procesy. Typy zpracování biomasy za účelem využití její energie se dělí podle Pastorka, Káry, Jeviče (2008, s. 13) na: Termochemická přeměna biomasy (suchý proces) -

spalování

-

pyrolýza

-

zplyňování

Biochemická přeměna biomasy (mokrý proces) -

anaerobní fermentace

-

aerobní fermentace

Fyzikálně-chemická přeměna biomasy -

esterifikace bioolejů

Fyzikálně-mechanická přeměna biomasy -

drcení

-

mletí

3.8.1.1 Spalování Spalování je proces, při kterém se hořlavé látky paliva slučují s kyslíkem. Během spalování se uvolňuje teplo. Během spalování „ probíhají exotermické oxidační reakce, endotermické reakce tepelného rozkladu, fyzikální pochody směšování palivových a vzduchových proudů, výměna hmot a tepla aj.“ (Malaťák, Vaculík, 2008, s. 48). Nejprve dochází k vysušování biomasy vlivem působení tepla. Voda se odpařuje, vznikají obláčky páry a dále se uvolňují prchavé látky, jako jsou např. pryskyřice. Dochází k tepelnému rozkladu látek. Vzniklé hořlavé plyny sloučené s kyslíkem hoří dlouhým plamenem. Při procesu nedochází ke spálení všech spalitelných plynů, ale pouze části z nich, protože k úplnému spálení chybí dostatečně vysoká teplota a množství kyslíku. K ideálnímu spalování je nutné zajistit, aby byla dostatečně vysoká teplota ve spalovací komoře. Pokud tomu tak není, pak vháněním nadbytku vzduchu se plamen ochladí. Naopak při nedostatku vzduchu nedojde k úplnému spálení všech spalitelných plynů. Do plamene je vháněn tzv. sekundární vzduch, který způsobí 18

dohoření všech nespálených plynů. Takto spálená biomasa uvolní energii a komínem odchází pouze oxid uhličitý a vodní pára (Murtinger, Beranovský, 2006). Při

spalování

je

nutná

dostatečná

délka

plamene

a

vysoká

teplota,

proto je potřebné velké ohniště a umístění teplosměnné plochy až za koncem plamene, aby plamen nebyl ochlazován a netvořily se saze, které snižují účinnost spalování (Murtinger, Beranovský, 2006). Pyrolytické spalování je účinné spalování, během kterého je produkováno menší množství škodlivých emisí. Topeniště je rozděleno na dvě části. V horní komoře dochází k první fázi hoření. Při omezeném přístupu vzduchu probíhá odpařování vody, těkavých složek a částečně i k hoření. Vzniklé plyny pronikají keramickou tryskou do druhé komory, která je keramická, a za přívodu sekundárního množství vzduchu hoří plamenem o teplotě přes 1000 °C. Vysoká účinnost a nízký obsah škodlivých látek ve spalinách je z důvodu průchodu veškerých plynů přes druhou komoru kotle (Murtinger, Beranovský, 2006). Spalováním biomasy vzniká jemný polétavý popílek, který může zanášet kouřové tahy a teplosměnné plochy. Odlučování popílku je možné např. cyklonovými filtry (Murtinger, Beranovský, 2006). Rostlinný a živočišný materiál, včetně jejich zbytků a odpadů, je organický materiál, který reaguje s kyslíkem a tím dochází ke spalování a následkem této reakce se uvolňuje teplo (Twidell, Weir, 2005). 3.8.1.2 Anaerobní fermentace Anaerobní fermentace je biochemický proces, který probíhá bez přístupu kyslíku. Dochází k mikrobiálnímu rozkladu látek. Do reakce vstupuje vlhký organický materiál, projde několika fázemi anaerobní fermentace a výsledkem reakce je bioplyn a fermentovaný materiál. Základní fáze reakce: I. fáze: Hydrolýza – materiál je v prostředí se vzdušným kyslíkem a obsahuje nad 50 % vlhkosti z celkového hmotnostního podílu. Díky přítomným mikroorganismům dochází k rozkladu polymerů na organické monomery. II. fáze: Acidogeneze – na začátku této fáze může materiál stále obsahovat zbytky vzdušného kyslíku, ale dále vznikne prostředí zcela bezkyslíkaté

19

(anaerobní). Zajistí to fakultativní anaerobní mikroorganismy, které jsou aktivní v prostředí kyslíkatém i bezkyslíkatém. III. fáze: Acetogeneze – acidogenní kmeny bakterií vytváří z vyšší organické kyseliny kyselinu octovou, vodík a oxid uhličitý. IV. fáze: Metanogeneze – metanogenní bakterie rozkládají kyselinu octovou na

metan,

oxid

uhličitý.

Z oxidu

uhličitého

a

vodíku

vytvářejí

hydrogenotrofní bakterie metan.

Obrázek č. 1: Schéma anaerobního rozkladu za tvorby bioplynu (zdroj: Ryant, P., Anaerobní digesce, 2010) Pro správný průběh anaerobní fermentace jsou důležité podmínky: Vlhkost materiálu nad 50 % z celkové hmotnosti, záleží ale na druhu materiálu. Např. optimální hodnotou pro kejdu je obsah sušiny pouze 8 až 12 %, pro slamnatou mrvu 22 až 25 %. Nižší hodnoty sušiny zvyšují technologické ztráty tepla a vyšší hodnoty způsobují zpomalování procesu rozkladu pro nedostatečné množství vody (Pastorek a kol, 1999). Teplota materiálu se během anaerobní fermentace mění. Práce různých kmenů bakterií je vázaná k určité teplotě. Teplota pod 4 °C způsobuje ukončení produkce bioplynu. Teplota nad 60 °C má účinek inhibiční. Optimální poměr látek C:N se uvádí 20 až 30:1. Je dán složením fermentovaného materiálu.

20

Ideální hodnota pH se během průběhu fází mění. V úvodu je vyžadována hodnota v rozmezí pH 4,5 až 8,0. Metanogenní kmeny bakterií pro svoji práci vyžadují pH 6,7 až 7,6 a vyšší kyselost je inhibuje. Složení bioplynu je dáno materiálovým složením a procesními parametry. Je to směs plynů, která obsahuje 55 až 77 % metanu, 25 až 40 % oxidu uhličitého a 1 až 3 % minoritních plynů (dusík, sulfan, vodík aj.). 3.8.1.3 Pyrolýza Pyrolýza je termický rozklad organických látek na látky jednodušší bez přístupu vzduchu. Dle druhu materiálu, který do reakce vstupuje a jaký výsledný produkt vyžadujeme, se liší podmínky pyrolýzy. Může probíhat v tlaku atmosférickém, sníženém i zvýšeném za vysokých či nízkých teplot. Rozmezí teplot je 350 až 800 °C. Výsledkem reakce je plyn, olej, dehet, koks. Poměrové složení těchto látek je dáno podmínkami během pyrolýzy a to teplotou, vstupními surovinami a jejich strukturou (jemnost namletí), dobou zpracování, ochlazováním a dělením plynů i kapalin (Sladký, 1998). Proces pyrolýzy se dělí do tří dílčích kategorií dle použitých teplot, na nízkoteplotní (˂ 500 °C), středněteplotní (500 až 800 °C) a vysokoteplotní pyrolýzu (˃ 800 °C) (Staf M., Skoblja S., Buryan P., 2003). Během procesu se mění teplota a ta udává druh a množství uvolňované látky. Zvyšující se teplota nad 400 °C nevede k bouřlivé tvorbě oxidu uhličitého. Množství uvolněného oxidu uhelnatého je ovlivněné přítomností daných funkčních skupin. Překročením teploty nad 500 °C je způsoben nárůst tvorby vodíku. Při dosažení teploty nad 400 °C dochází ke tvorbě významného množství metanu a při vzrůstající teplotě, se množství metanu v celkovém objemu vzniklého plynu, zvyšuje (www.vscht.cz). Tzv. rychlá pyrolýza je technologie měnící biomasu na jiné látky (plyny, kapaliny či pevné látky). Její primární produkt je bioolej, což je tmavá kapalina o výhřevnosti 16 až 19 kJ/kg. Pro výrobu této kapaliny o dobrých vlastnostech je nutný nízký obsah vody ve vstupní biomase, počáteční teplota procesu přeměny musí být dostatečně vysoká a v koncové části procesu musí dojít k prudkému ochlazení vzniklé látky. Tzv. pomalou pyrolýzou dochází ke karbonizaci, která je používána hlavně k produkci dřevěného uhlí.

21

3.8.1.4 Zplyňování Jedná se o termochemickou reakci (suchý proces), která probíhá za teplot vyšších než 600 °C. Dochází k přeměně pevných nebo kapalných uhlíkatých látek na energeticky výhřevný plyn. Tento plyn se skládá převážně z H2, CO, CH4 dále pak z H2O, CO2, N2. Součástí plynu jsou nečistoty (dehet, prach, sloučeniny síry aj.). Ve většině případů dochází ke zplyňování biomasy za přístupu vzduchu. Tato termochemická reakce má určitý průběh. Počátkem reakce je sušení organického materiálu a následuje pyrolýza. Dále pak dochází k oxidační reakci, koncovou částí zplyňování biomasy je redukce. Základními způsoby zplyňování je zplyňování v generátorech s pevným ložem a zplyňování

ve fluidních generátorech.

První způsob zplyňování

využívá

protiproudový a souproudý zplyňovač. V protiproudovém zplyňovači se může zplyňovat i materiál o vyšší relativní vlhkosti. Jeho konstrukce a obsluha je levná. Negativem tohoto zplyňování je, že vzniká plyn, který obsahuje velké množství dehtu a pro většinu následného využití, je nutné ho vyčistit. Souproudý zplyňovač má spalovací (oxidační) zónu nad redukční, výpusť vzniklého plynu je na dně nádoby. Díky tomuto uspořádání zón, vzniklý dehet prochází přes spalovací zónu a až po té opouští zplyňovací zařízení. Takže proti zplyňovači protiproudovému je vzniklý plyn již bez dehtu (v ideálním případě) (Pastorek, Kára, Jevič, 2004). Zplyňování ve fluidním zplyňovači probíhá za teploty 850 až 950 °C. Souběžně zplyňování probíhá za atmosférického tlaku a za zvýšeného tlaku až na 2,5 MPa. Dnes je upřednostněno fluidní zplyňování za atmosférického tlaku, protože za zvýšeného tlaku jsou podávány nižší jednotkové výkony (www.kogenerace-kotel.cz). Rozklad biomasy zplyňováním je ekologické, tento proces není náročná na kvalitu vstupních materiálů, údržby ani obsluhy. Touto cestou lze vytěžit maximum energetické hodnoty ze vstupního materiálu. Vůči jiným technologiím na zpracování biomasy není tak finančně náročná (www.nwt.cz).

3.9 Rostliny a energie Využívání rostlin k výrobě energie se vyvíjí různými směry. Pro různé typy využívání se často šlechtí nové odrůdy rostlin, aby následně vykazovaly mimořádné vlastnosti. U rostlin jsou vyžadovány určité vlastnosti. Jde např. o potřebu, co nejnižších a nejméně nákladných prací při pěstování rostliny (příprava půdy před setím či sázením,

22

setí, sázení, ochranu, sklizeň), nízká doba sušení, vysoký obsah sušiny a nízký obsah vody v rostlině, výhřevnost, vysoká schopnost pohlcování solární energie, nízká tvorba vzniku znečišťujících a škodlivých látek, které vznikají při zpracování a spalování rostlin, působící na životní prostředí či zdraví člověka. Mezi rychlerostoucí dřeviny, využívané pro výrobu biopaliv, patří odrůdy vrb, topolů aj. Energetické byliny a traviny pro využití jako biopalivo jsou vyšlechtěné odrůdy Krmného šťovíku, Čiroku, Chrastice rákosovité, Ovsíku vyvýšeného, Psinečka velkého, Kostřavy rákosovité, Konopí setého, Ozdobnice čínské aj. (www.biom.cz). Tyto rostliny slouží ke zpracování, buď v zeleném stavu (např. výroba bioplynu) nebo po sušení či jiné úpravě (výrova briket, pelet). K využití energie z biomasy dochází přímým spalováním pevné biomasy či nepřímou termochemickou konverzí, která převádí palivo do kapalné nebo plynné formy (McGowan, 2009).

3.10 Biopaliva Biopalivem označujeme takové palivo, které bylo vyrobeno z upravené biomasy. Tyto zdroje patří mezi obnovitelné. Úpravy biomasy mohou být různé – mechanické (mletí, drcení), chemické, termochemické, mechanicko-chemické či biochemické (spalování, pyrolýza, anaerobní fermentace, zplyňování, lisování) (www.nazeleno.cz). Použitím různých technologií při úpravě biomasy, se snažíme o možnosti náhrady neobnovitelných zdrojů a o celkově ekologičtější přístup k přírodě a jejímu bohatství. V současné době rozlišujeme biopaliva první a druhé generace. Pro výrobu biopaliv první generace se využívá materiál, který je možné využít i pro výrobu krmiv a potravin. Řadí se zde obilí, cukrová řepa i třtina, kukuřice, ze kterých se vyrábí bioetanol. Z vylisovaných olejnin (slunečnice) se vyrábí metylester mastných kyselin, dále zbytky řepky olejné k výrobě metylesteru řepkového oleje (MEŘO) aj. Naopak biopaliva druhé generace jsou z takových surovin, které se dále nedají využít k výrobě potravin či krmiv. Tyto materiály vznikají z lesní těžby, pilařského zpracování dřeva, ze zemědělství (seno, sláma), biologicky rozložitelný odpad z domácností, odpad z úpravy městské zeleně (z prořezávky stromů či keřů, ze seče trávníků), energetické rostliny (šťovík, konopí, čirok, křídlatka), rychlerostoucí dřeviny (topoly, vrby). Tyto suroviny pak slouží k výrobě bioetanolu, motorové bionafty, biometanolu aj. Vyšší transformační potenciál mají plodiny druhé generace. Přibližně pro výrobu 1 tuny

23

biopaliva je zapotřebí 5 tun biomasy. Energetické plodiny druhé generace však mají potřebu složitějších technologických procesů (www.ekoporadny.cz).

3.11 Dělení biopaliv Biopaliva můžeme rozdělit podle jejich konzistence do tří základních skupin a to na biopaliva plynná, kapalná a tuhá. 3.11.1 Biopaliva tuhá Zdrojem pro výrobu tuhých biopaliv, jsou využívány různé druhy rostlin, jako je např. řepka, konopí, obilniny, len, trávy, rákosovité trávy, křídlatka, topinambur, slunečnice, topoly, vrby, jasany a mnoho dalších listnatých i jehličnatých dřevin. Zvolení vhodné rostliny pro výrobu tuhého biopaliva je dané výhřevností. U výše uvedených zdrojů biopaliv je lignin o výhřevnosti 28 MJ/kg a celulóza s výhřevností 15 MJ/kg. Tyto zdroje biopaliv jsou využívány přímo ke spalování nebo procházejí složitějšími úpravami a zpracováními (Sladký, 1998). Tabulka č. 3: Výhřevnost dřeva v závislosti na objemové hmotnosti a vlhkosti (Pastorek, Kára, Jevič, 2004; www.vytapeni.tzb-info.cz, vlastní zpracování) Obsah vody [%]

Výhřevnost [MJ/kg]

Měrná hmotnost [kg/m3]

0

18,5

355

10

16,4

375

20

14,3

400

30

12,2

425

40

10,1

450

50

8,0

530

Tuhá paliva se upravují do různých tvarů a velikostí pro snadnější manipulaci, skladovatelnost a výhřevnost paliva. Tuhá paliva se skládají z hořlavé a nehořlavé složky. Kvalita paliva je dána přítomností nehořlavé složky, tato složka je nežádoucí a výrazně ovlivňuje výhřevnost paliva. Nehořlavou složkou jsou popeloviny a voda. Obsah vody v tuhých palivech se liší dle typu materiálu, pohybuje se v rozmezí 0 až 60 %, někdy to může být i více 24

(rašelina v neupraveném stavu má až 90 % vody). Procentuální zastoupení této látky v tuhých palivech je také ovlivněno jeho geologickým stářím. Mladší palivo obsahuje vody více. Voda se v palivu vyskytuje ve formě volné a vázané, tyto dva různé stavy vody se odstraňují různými způsoby. Forma volná se z materiálu odstraňuje odstřeďováním, filtrací či odkapáním. Forma vázaná tzv. kapilární (hrubá, hygroskopická, ukludovaná) se z paliva odděluje teplotou (sušení) (Malaťák, Vaculík, 2008). Řezanka se musí uskladnit na zastřešeném místě, aby se vysušila přebytečná voda. Délka uskladnění se odvíjí podle obsahu vody v rostlině. Snížení vlhkosti se provádí přirozeným provětráváním pod rošty s řezankou. Navíc u vlhčích materiálů se mohou použít i provzdušňovací ventilátory. Také balíky biopaliv vyžadují uskladnění pro odstranění přebytečné vody, přestože před balíkováním došlo k předsušení rostlinného materiálu. Vhodné je balíky skladovat na zastřešeném místě jinak, především v zimním období za vyššího obsahu vody, dochází k plesnivění a hnití. Balíky jsou dosušovány na roštech přirozeným provětráváním nebo pomocí ventilátorů. Biomasa ke zhutnění by neměla přesáhnout vlhkost 15 %, aby mohlo dojít ke kvalitnímu slisování. Vstupní materiál pro výrobu briket a pelet musí být vysušený s dezintegrovaný. Z tohoto důvodu je vhodné použít materiál, který tyto vlastnosti nabyl v předchozím technologickém procesu (Malaťák, Vaculík, 2008). Lisováním vzniká „zušlechtěné palivo s malým obsahem síry (do 0,07 %), s výhřevností 18 až 20 MJ.kg-1, s relativní vlhkostí 5 až 9 %, s objemovou hmotností 800 až 1000 kg.m3, se zůstatkem popela do 1,2 %.“ (Malaťák, Vaculík, 2008, s. 20). 3.11.1.1 Dřevní štěpka Tento typ biopaliva se vyrábí z dřevního materiálu, který byl vyprodukován během

lesní

těžby,

průmyslového

zpracování

dřeva,

popř.

ze

zpracování

rychlerostoucích dřevin, pomocí ostrých řezacích strojů na vhodnou velikost, obvykle 5 až 150 mm. Surový materiál obsahuje více než 55 % vody (objemová hmotnost cca 300 kg/m3), proto je vhodné jej nechat dosušit ještě před zpracováním na dřevní štěpku. Nebo je možné dřevní štěpku nechat dosušit na roštech. Dřevní štěpka má výhřevnost 8 až 15 MJ/kg, objemovou hmotnost cca 250 kg/m3 a vlhkost 15 až 50 % (www.biom.cz).

25

Mezi hlavní druhy patří zelená (lesní), hnědá a bílá štěpka. Zelená tzv. lesní štěpka je směs větví, listí, jehličí, které vzniklo po těžbě dřeva. Zbytky kmenů, odřezků a kůry (klíčová složka) jsou součástí hnědé štěpky. Bílá štěpka se získává především z pilařských odřezků bez kůry (www.biom.cz). Jedná se o obnovitelný zdroj energie a další výhodou tohoto paliva je nízká cena. Nevýhodou je, díky nízké objemové hmotnosti, velké prostory pro uskladnění tohoto typu biopaliva. Dále musí být zajištěno přirozené či umělé provětrávání skladovacích prostor, protože štěpka má vyšší obsah vody a má tendenci plesnivět a zapařovat se. To také může vést k jejímu samovznícení. Dřevní štěpku je možné vyrobit i doma pomocí tzv. štěpkovače. Tímto způsobem je možné zpracovat zahradní materiál (větve menších průměrů z prořezávky, rychlerostoucí dřeviny).

3.11.1.2 Pelety Pelety patří k nejkvalitnějším biopalivům. Jejich výhodou je vysoká energetická hustota a dobrá skladovatelnost. Toto palivo má nízký obsah vody (do 12 %) a vykazuje se vysokou výhřevností (18 MJ/kg). S peletami se snadno manipuluje a jsou vhodné i pro vzduchotlakovou dopravu, mají velkou objemovou hmotnost (850 kg/m3 v sypaném stavu). Rozměry pelet jsou malé, průměr 6 mm a dlouhé 5 až 40 mm. Pelety jsou vyráběné z dřevního prachu a jemných pilin, které vznikají při zpracování dřeva (truhlářství aj) (Sladký, 1998). Vstupní materiál (dřevní odpad, piliny, hobliny, kůra, slunečnice, stébelniny) je nutné před lisováním homogenizovat (drtiče, třídiče podle velikosti). Je lisovaný parou pod tlakem, tím se narušují dřevní vlákna a lignin. Tímto způsobem dochází ke zpevnění pelet a zvýšení vodní rezistence. Peletovací stoj obsahuje protlačovací matrici s otvory, z ušlechtilé oceli, přes které je protlačována biomasa. Velikost pelet je daná velikostí otvorů v matrici. Protlačováním vzniká teplo, které působí na strukturu ligninu. Následné ochlazení pelet utuží jejich tvar a pevnost (Malaťák, Vaculík, 2008). Z důvodu vysoké teploty (kolem 90 °C) pelet jejich vylisováním, je nutné ochlazení v protiproudovém chladiči na teplotu 30 až 35 °C. Po ochlazení následuje třídění, kde se oddělí kvalitní pelety od poškozených či prachových částic (Trenčianský, Lieskovský, Oravec, 2007). Při peletování stébelnin se využívají nejčastěji prstencové protlačovací lisy, které mají větší rozměry lisovacích komůrek (průměr až do 40 mm). Tento typ lisu 26

nevyžaduje jemné namletí slámy. Dále se využívá protlačování mezi dvěma ozubenými koly. Hlavním principem tohoto typu peletování je procházení proti sobě plného a dutého zubu a materiál je protlačován ve směru osy otáčení. Tyto lisy jsou schopny zpracovat 1 až 5 tun materiálu za 1 hodinu (Sladký, 1998). Pelety jsou distribuované v pytlích, textilních vacích nebo dovozem nákladními vozy a následně hadicemi s pneumatickým systémem, dodávány na požadované místo uskladnění. Musí být skladovány na zastřešeném místě a v suchu. Jinak podléhají okolním vlivům a dochází k jejich rozpadu. Využívají v automatických systémech spalování v kotlích převážně v rodinných domcích. Spalováním pelet vzniká pouze 0,5 až 1 % odpadu (popela), který se dá využít v zahradnictví jako minerální hnojivo. Nevytváří se kouř, pouze bezbarvý oxid uhličitý, vodní pára a mizivé množství škodlivin. Obecně platí, že světlejší pelety jsou vyráběny pouze z dřevní hmoty a jsou výhřevnější. Tmavé zbarvení je dáno různými příměsemi (kůra, stébelniny) (www.biom.cz).

3.11.1.3 Brikety Biopalivo, které je vyráběné z hořlavého organického materiálu. Jedná se např. o odpad při zpracování dřeva (piliny, hobliny, kůra), obilná sláma. Částice materiálu jsou pomocí tzv. briketovacího lisu spojovány pod tlakem, často i teplotou a pojidly. Velikost tlaku při briketování se odvíjí dle velikosti částic zpracovávaného materiálu. Čím větší partikule, tím je zapotřebí vyššího tlaku. Zvyšováním teploty během výroby briket se zajistí, aby lisovaný materiál po uvolnění tlaku, ztratil schopnost odpružovat se a výsledné brikety byly více vodovzdorné a pevné (Včelička, Binko, 1963). Tímto způsobem vznikají brikety různého tvaru, nejčastěji však válcovitého či kvádrovitého, o průměru 40 až 100 mm a délky 250 až 300 mm. Nejvhodnější pro tento způsob využití biomasy jsou dřeviny s vyšším obsahem pryskyřic, které slouží jako pojivo při lisování. Výraznější obsah pryskyřice vykazují jehličnaté dřeviny. Brikety mají

nízkou vlhkost

(do 10 %), jejich objemová hmotnost

3

je 1000 až 1200 kg/m . Po spálení vzniká malé množství popele (1 až 3 %). Kvalita se odvíjí použitým materiálem a typu výrobní technologie. Brikety vyrobené z tvrdého dřeva mají výhřevnost až 33 MJ.kg-1, dokáží pomalu hořet až 6 hodin. Standardní brikety mají výhřevnost 18 až 20 MJ.kg-1. Pro snadný zátop jsou vhodné brikety z dřeva měkkého a ideálně s vnitřním otvorem (dobře prohořívají).

27

Použitý materiál při výrobě briket musí vykazovat určité vlastnosti – vlhkost max. 15 %, obsah dřevního prachu do 20 %, částice o velikosti do 15 mm, obsah kůry max. 6 až 8 %. Lisuje se při tlaku kolem 400 MPa a teploty 70 °C (Malaťák, Vaculík, 2008). Brikety musí být stejně jako pelety skladovány na zastřešeném místě a v suchu, aby nepodléhaly působením okolních vlivů a nerozpadaly se. Brikety vhodné pro domácí otop, musí mít vysokou výhřevnost. Nemusí vykazovat

vysokou

vodovzdornost,

protože

bývají

uskladněné

na

místech,

která jsou chráněná před povětrnostními podmínkami. Naopak brikety využívané jako topivo v kotelnách, musí mít vysokou odolnost vůči vlhkosti a oděru (Včelička, Binko, 1963). Spalováním vzniká bezbarvý oxid uhličitý, vodní pára a nepatrné množství škodlivin. Vzniklý popel je možné použít jako minerální hnojivo v zahradnictví. Brikety jsou distribuovány v pytlích, foliích na paletách. 3.11.2 Biopaliva kapalná Tato paliva, se za normálních podmínek vyskytují, ve formě kapalné. Vyrábějí se především z olejnin, kukuřice, obilnin, brambor, cukrové řepy a třtiny biochemickou či mechanicko-chemickou přeměnou. Kapalná biopaliva se dají rozlišit na paliva na bázi bioolejů (bionafta), alkoholů (bioetanol), ale také mohou být zkapalněná biopaliva plynná. Jsou často využívána jako pohonné hmoty či jejich příměsi. Jejich nevýhodou je vysoká cena. V rámci EU se stalo povinností přidávání biosložky (bionafta, bioetanol) do paliv jako je nafta či benzín. 3.11.2.1 Bioetanol (obecně kvasný líh) Tato látka se používala již za první Československé republiky jako přípravek dynalkol. Byla to směs 40 % etylalkoholu a 60 % benzenu. Směs těchto látek je stálá, její bod tuhnutí je pod -20 °C a její hustota je 850 kg/m2. Výkon motorů poháněných dynalkolem byl rovnocenný benzinu. Tichý chod motoru, dobrá startovatelnost, minimální tvorba sazí a kouře (Kára, 2001). Bioetanol

vzniká

alkoholovou

fermentací

rostlinné

biomasy.

K tomuto

technologickému procesu jsou vhodné plodiny obsahující vysoký podíl cukrů a škrobu. Je to např. kukuřice, obilniny, brambory, cukrová třtina a řepa. Obecně platí, čím více 28

škrobu a cukrů, tím je vyšší výtěžnost etanolu. Rostliny s obsahem škrobu nejprve přeměňují škrob na sacharidy a až po té dochází k fermentaci. Fermentace sacharidů probíhá v mokrém prostředí. Po fermentaci se etanol odděluje pomocí destilace. Jeho výhodou je nízká produkce emisí CO2 a antidetonační vlastnosti. Proto je dobrým důvodem jej používat jako motorové palivo v oblastech se silně znečištěným ovzduším (Křepelka, 1997). Nedostatkem je schopnost vázání vody, která způsobuje korozi motoru, lze jej odstranit přidáním antikorozních látek. Bioetanol má nižší výhřevnost vůči autobenzínu o 29 %, tato vlastnost zvyšuje spotřebu paliva. Dále má vyšší oktanové číslo než autobenzín, což zvyšuje účinnost motoru. Bioetanol má vliv na korozi, protože přináší riziko obsahu vody. A zvyšuje hořlavost paliva dle množství obsaženého bioetanolu (Kára, 2001). Přidáváním bioetanolu (5 až 10 %) do konvenčních minerálních paliv se zvýší oktanové číslo a výsledkem je snižování emisí CO2. Výrobní náklady kvasného lihu se odvíjí dle druhu vstupní suroviny a na její ceně, dále na možnostech komerčního využití vznikajících vedlejších produktů a na typu technologického postupu užitého při výrobě (Kára, 2001).

3.11.2.2 Bionafta Hlavní surovinou pro výrobu bionafty je rostlinný olej (řepkový, slunečnicový, sójový). Je ale možné použít i živočišné tuky, popř. rostlinné tuky ve směsi s živočišnými. Bionafta vzniká mechanicko-chemickou přeměnou těchto složek. Spolu s bionaftou dále vzniká jako vedlejší produkt glycerol. V dnešní době je podle normy EN 590 možné přimíchávat do motorové nafty až 7 % bionafty. Existují však i další směsné motorové nafty o vyšším procentuálním zastoupení bionafty (www.biopalivafrci.cz). Motorové nafty s obsahem metylesteru řepkového oleje vyšším než 30 %, vede ke snižování emisí, rychlejší biologické odbouratelnosti než u běžné motorové nafty a výhřevnosti podobající se výhřevnosti motorové nafty. Čistá bionafta je zcela biologicky odbouratelná, netoxická, neobsahuje síru a aromatické látky. Do koncentrace 10 mg/l je pro ryby neškodná a nezpůsobuje ve vodním toku mikrobiologické zatížení. K další její výhodě patří její vysoká mazací schopnost, která eliminuje opotřebení motoru. Za velkou nevýhodu lze považovat její vysoká náročnost na výrobu a tvorba usazenin v palivovém potrubí.

29

Pojem MEŘO podle Kára (2001, s. 26) je definován jako „čirá nažloutlá kapalina bez mechanických nečistot a viditelné vody je neomezeně mísitelná s motorovou naftou. Je netoxická, neobsahuje těžké kovy ani žádné látky škodlivé zdraví. Je agresivní vůči běžným nátěrům a pryžím.“ MEŘO se motorové naftě velmi přibližuje ve vlastnostech jako je např. hustota, viskozita, výhřevnost a spalování. MEŘO se vůči životnímu prostředí vyznačuje pozitivním vlivem. Proti motorové naftě vykazuje lepší vlastnosti v nižších emisích CO2, SO2 a kouřivosti. Vyšší má emise NOx, ale pouze v malé míře a lze to eliminovat seřízením motoru. MEŘO je letní palivo, proto při teplotách nižších 5 °C se musí přidávat aditiva (Kára, 2001). V porovnání vlivu MEŘO vůči motorové naftě na životní prostředí se dá říci, že MEŘO prakticky síru neobsahuje, a proto vede ke snižování obsahu síry v palivech do vznětových motorů v dlouhodobém hledisku. Dále má MEŘO velmi dobrou a rychlou biologickou rozložitelnost (cca 98 % za 21 dní). Další pozitivní vlastnost, kterou vykazuje je asi poloviční kouřivost při spalování a nižší obsah rakovinotvorných polycyklických aromatických uhlovodíků (Kára, 2001).

Obrázek č. 2: Obecné schéma technologického postupu při výrobě MEŘA (zdroj: vlastní zpracování)

30

3.11.3 Biopaliva plynná Plynná biopaliva se vyskytují během přepravy či skladování v plynném stavu. Vyrábějí je zplyňováním nebo fermentací biomasy. Mezi tato paliva se řadí bioplyn, dřevní plyn a vodík.

3.11.3.1 Bioplyn Jedná se o plynnou látku, která je složena ze dvou majoritních složek a to z CH4 a CO2. Mezi minoritní složky patří H2, H2S, O2, CO aj. Jeho složení, fyzikální a chemické vlastnosti jsou dány materiálovým složením vstupní biomasy a na typu technologie zpracování. Průměrné složení bioplynu je uvedeno v tabulce č. 4. Cílem je vyrobit bioplyn, s co největším podílem metanu (majoritní složky). Výhřevnost plynu je dána obsahem metanu, pohybuje se v rozmezí 20 až 26 MJ/m3. Bioplyn vzniká procesem anaerobní fermentace, tzn. mikrobiálním rozkladem organických látek, který je ovlivněn složením vstupní biomasy (poměr C:N), obsahem vody, teplotou, pH, inhibičními látkami aj. Tabulka č. 4: Průměrné složení bioplynu (zdroj: Ryant, P., Anaerobní digesce, 2010, vlastní zpracování) Složka Metan Oxid uhličitý Vodní pára Dusík Kyslík Vodík Sulfan Čpavek

Obsah (obj. %) 40 - 70 25 - 55 0 - 10 0-5 0-2 0-1 0-1 0-1

Biomasa vhodná k výrobě bioplynu (anaerobní fermentaci) by měla vykazovat tyto vlastnosti: -

nízký obsah popelovin,

-

poměr C:N = 30:1, optimální poměr se dosahuje skladbou různých složek,

-

vlhkost nad 50 % z celkové hmotnosti,

-

počáteční pH 7 až 7,8 (v průběhu se pak mění).

31

Metan je získáván metanogenní fermentací rozkladem polysacharidů, tuků a bílkovin. Rozkladem některých bílkovin (exkrementy prasat a drůbeže) se uvolňují sirnaté látky (H2S – sulfan), tyto látky jsou v častých případech před použitím nuceny odstranit (Pastorek, Kára, Jevič, 2008). Zvýšená přítomnost oxidu uhličitého je způsobená špatnými podmínkami reakce. Podle Pastorka, Káry, Jeviče (2008, s. 145) „hranice zápalnosti metanu ve směsi se vzduchem je 5 až 15 % objemových.“ Pěstováním fytomasy se fixuje mnohem větší množství CO2, proti kterému je následně spalováním bioplynu vytvořen. Spalováním bioplynu nevznikají škodlivé emise SO2 a ani těžkých kovů (Váňa, Slejška, 1998). Pro výrobu bioplynu se mohou využívat traviny z trvalých travních porostů, tento plyn pak obsahuje až kolem 69 % metanu (Sladký, 1996). 3.11.3.2 Dřevní plyn Počátky využívání dřevního plynu spadají již do konce 18. století. Nejprve se používal k vytápění budov či ke svícení. V průběhu 19. století se bioplyn využíval jen velice okrajově. Bylo to dáno jeho nízkou výhřevností, nestálým výkonem a vznikem velkého množství popílku, který zařízení zanášel. Ve 20. století se začala objevovat auta poháněná tímto plynem. Za 2. světové války se v některých státech Evropy rozšířila automobilová doprava na bioplyn (www.lpg-cng.ochranamotoru.cz). Dřevní plyn je směs CO, H2 a CO2. Vzniká přeměnou suchého biologického materiálu při částečném spálení s omezeným přístupem spalujícího vzduchu do reaktoru a současně je zvýšená teplota na 800 až 1200 °C (Sladký, 1998). Dřevní plyn se využívá k přímému spalování za vysokých teplot. Přítomné dehtové látky zvyšují výhřevnost. Pro využití jako pohon motorů či turbín je nutné jej vyčistit (od vody, dehtů, prachu, dřevních kyselin) a zchladit minimálně na teplotu 200 °C (pro zvýšení energetické hustoty). Toto palivo má nižší výhřevnost než zemní plyn, ale proces spalování lze řídit a snížit obsah nežádoucích emisí ve spalinách na minimum (Sladký, 1998). Dřevní plyn je možné využívat k výrobě etanolu. Při této metodě, využití dřevného plynu, se přidávají vhodné kultury mikroorganismů, které jsou schopny zajistit fermentaci plynu. Oproti „mokrých“ kvasných procesů, se metodou s využitím mikroorganismů, dosahuje vysokých výnosů etanolu. Tato fermentace je velmi rychlá (Sladký, 1998).

32

4 MOŽNOSTI VYUŽÍTÍ BIOPALIV V PRAXI 4.1 Využití pevných biopaliv Získávání energie ze spalování pevných biopaliv je známým procesem již odedávna. S časem se mění efektivnost využití těchto paliv a jejich zpracování. Technologickým procesem jako je spalování získáváme teplo. Masový návrat k získávání tepla z obnovitelných zdrojů nastal v 70. letech 20. století. Cílem bylo snížit produkci CO2 (Pastorek, Kára, Jevič, 2004). Výhřevnost

pevných

biopaliv

ovlivňuje

vlhkost,

zdraví

–

napadením

mikroorganismy, plísněmi či houbami jej snižuje, dále zvolená forma (špalky, štěpka, piliny aj.) a na potřebném výkonu kotle. Dřevo listnatých dřevin má výhřevnost kolem 18 MJ/kg a jehličnaté dřeviny 19 MJ/kg. Podobně jsou na tom s výhřevností i další biopaliva (stébelniny). V počáteční fázi spalování dochází k odpařování vody vedoucí ke snížení základní hodnoty výhřevnosti sušiny biomasy (Pastorek, Kára, Jevič, 2004). Tuhá biopaliva mají různou podobu – dřevní štěpka, kusové dřevo, dřevní pelety a brikety aj. K nejstarším zařízením na spalování tuhé biomasy patří kamna (i kachlová), krbové vložky a krby. Dnes si zájemce může vybrat z mnoha zařízení podle typu paliva, výkonu či z různých moderních designů. Důvodem pro výměnu kotle a změně paliva, je snížení nákladů, snížení produkce škodlivých emisí v okolí domu, popř. díky automatizovanému způsobu přikládání i lepší komfort při obsluze (Tintěra a kol., 2002). Při výběru vhodného kotle k vytápění, bychom měli brát zřetel na určitá kritéria: -

potřebný tepelný výkon kotle (možnost regulace není u všech typů topidel možná),

-

investiční náklady (kotel, kotelna, montáž),

-

cena a dostupnost paliva (časté lokální rozdíly),

-

požadovaný komfort (automatické přikládání, regulace teploty x obsluha),

-

budoucí provozní náklady (servis, údržba).

4.1.1 Zařízení na spalování kusového dřeva Ke spalování kusového dřeva se nejčastěji využívají kotle malých výkonů (20 až 60 kW) (Pastorek, Kára, Jevič, 2004). 33

Spalovací proces dřeva má 4 fáze: -

fáze sušení – dochází k odpařování vody ze dřeva,

-

fáze pyrolýzy – uvolňují se plynné složky paliva,

-

fáze spalování plynné složky paliva – za dosažení zápalné teploty a dostatečnému přívodu kyslíku,

-

fáze spalování pevných látek – pevný uhlík se okysličuje na oxid uhelnatý a při dalším dodání kyslíku oxiduje na oxid uhličitý. Za rovnoměrného přísunu paliva a dostatečnému přísunu kyslíku, probíhají

tyto 4 fáze současně a dochází ke stálému vzniku tepla (Pastorek a kol, 1999). Při konstrukci kotlů na spalování dřeva je nutné pamatovat na důležité podmínky, kterými jsou: vhánění menší části kyslíku pod rošt (primární vzduch), vhánění větší části kyslíku do proudu nad rošt (sekundární vzduch), prostor bezprostředně nad roštěm či pod ním musí být konstruován jako prostor udržující žár (pro udržení spalovaných plynů a kyslíku na potřebné zápalné teplotě). Je to dáno tím, že při spalování dřeva se tvoří velké množství prchavé hořlaviny, která nehoří na roštu, ale ve vznosu mezi roštěm a komínem (Pastorek a kol, 1999). Zlepšení výkonu topenišť je možné docílit vhodnou konstrukcí výměníku tepla a použitím vhodných izolačních materiálů. Je pravidlem, že čím sušší je vstupní palivo a čím větší je jeho povrch hoření, tím vyšší je výkon topeniště. Teplovodní kotle větších výkonů je možné doplnit akumulační nádrží. Tohoto se využívá u požití v nízkoenergetických či pasivních domech. Teplovodní kotle spojené s ústředním vytápěním jsou v dnešní době častým typem vytápění rodinných domů (Murtinger, Beranovský, 2011). Kusové dřevo má nižší cenu a není potřeba jej před použitím tolik opracovávat. Kotle mají nižší pořizovací cenu. 4.1.2 Zařízení na spalování dřevní štěpky Dřevní štěpku je možno spalovat v kotlích s automatickým dávkovačem a možností řízení teploty. Do hořáku je dopravována šnekovým dopravníkem. Ke spalování se využívají kotle o výkonech 100 kW až 5 MW. Cena dřevní štěpky je nižší, protože má vyšší obsah vody a dosoušení je ekonomicky nevýhodné. Proto se nechává dosoušet pouze samovolně, což je ovlivněno klimatickými podmínkami a prostory k uskladnění.

34

Vzniklé emise popílku a škodlivých látek jsou zachycovány cyklonovým odlučovačem. Tyto kotle jsou vhodné k ústřednímu vytápění a ohřevu vody ve větších budovách. Kotle nižších výkonů je možné využít k výtopu rodinných domů. Výkon kotlů je možné automaticky regulovat (přívodem paliva a vzduchu). Jde o spalování s nízkými emisemi. Topidla menších výkonů mají horizontální hořáky, s posuvným plněním či retorované. Kotle větších výkonů mívají rošty pevné či posuvné (www.biom.cz). Kotelny na tento druh biomasy musí mít určité základní vybavení, to se odvíjí podle topného výkonu kotle. U kotelny s kotlem vyšších výkonů je nutné při výstavbě myslet na to, že kotel a sklad štěpky se musí oddělit. Někdy totiž dochází k samovznícení skladovaného paliva. Kotelny s topným výkonem (500 kW) musí mít čidlo k měření koncentrace kouřových plynů. Kotle nižších výkonů není nutné mít v prostoru mimo sklad štěpky, ale je zapotřebí jej provětrávat. U kotlů do 300 kW mají k regulaci tzv. lambda sondu, která zjišťuje měření kouřových plynů a teplotní čidlo (Pastorek, Kára, Jevič, 2004). Mezi druhotná opatření vedoucí ke snižování emisí prachu patří cyklony (k zachycování pevných částic kouřových plynů), elektrické a elektrostatické filtry, protipožární klapka. Nevýhodou je vysoká investice do kotle. To ale může vykompenzovat nízká cena paliva. 4.1.3 Zařízení na spalování slámy Kotlů na spalování slámy k vytápění rodinných domů není na trhu mnoho. Nejvíce propracovaná jsou topidla o výkonech nad 1 MW, která slouží k centrálnímu výtopu. Před spalováním musí být veliké balíky rozebrány na menší části materiálu. Proces hoření slámy závisí na obsahu vody v palivu a na jeho chemickém složení (N, O, C, popeloviny aj.). Obřími balíky se topí převážně v centrálních výtopnách, kde je celý proces řízen počítačem. V průběhu spalování se kontrolují vzniklé spaliny (O2, CO, NOx, prachové částice). Zařízení na spalování slámy mohou být teplovodní, horkovodní či parní.

35

4.1.4 Zařízení na spalování pelet Zařízení na spalování pelet je na trhu nepřeberné množství, proto je možné vybrat takové, které vytápěný objekt potřebuje. Topidla na spalování pelet je možné použít i k vytápění pasivních a moderních nízkoenergetických domů. U těchto typů staveb jsou zapotřebí nízkých výkonů. Malá topidla na pelety začínají zhruba od 1 kW. Vytápění peletami vykazuje i další výhody. Zařízení jsou doplněna automatickým doplňováním paliva ke spálení. Automatické dávkování je možné i u malých topidel díky malým částicím paliva. Dražší topidla je možné naprogramovat – počáteční stav vytápění, teplota, snížení teploty na noční režim apod. Tyto kotle rozvádí teplo budovou pomocí rozvodu teplého vzduchu nebo teplovodním výměníkem, který lze napojit na systém ústředního topení (Murtinger, Beranovský, 2011). Díky těmto možnostem je tento typ vytápění vysoce komfortní a srovnatelné s vytápěním plynem či elektřinou. Pelety mají nižší obsah vlhkosti (pod 10 %) proti kusovému dřevu, a to zvyšuje výhřevnost. Značnou nevýhodou je vyšší cena pelet a pořizovací cena kotle. U teplovodních kotlů je účinnost spalování pelet daná konstrukcí hořáku. Ty se do hořáku dopravují ze zásobníku pomocí šnekového dopravníku. Vše je regulováno dle potřeby. Ke vznícení pelet dochází kontaktem s elektricky rozžhavenou spirálou (Murtinger, Beranovský, 2011). 4.1.5 Zařízení na spalování briket Briketami je možné topit v různých kotlích. V otevřeních krbech, krbových vložkách, kachlových kamnech, kotlích na dřevo či uhlí, dřevoplyn. Pro snadný a rychlejší zátop jsou vhodné brikety z měkkého dřeva s vnitřní dírou k lepšímu prohořívání. Důležitá je regulace vzduchu. Při zapalování je nutný přísun více vzduchu, dále pro pozvolné uvolňování tepla, se přívod vzduchu snižuje. Brikety jsou skladné, proto je možné do spalovacího zařízení naskládat velký objem paliva, které vydrží dlouhou dobu. Při tom ale musíme pamatovat, že žhavé brikety zvětšují svůj objem. V počátečním stádiu spalování dochází ke vzniku mírného plemene, v následující etapě brikety žhnou. Spalováním tohoto typu paliva vzniká malé množství popela. Ten je možný využít jako minerální hnojivo. Životnost brikety při spalování je 3 až 5 hodin. Je to ovlivněno, kvalitou paliva (materiál, vlhkost, kvalita slisování), typem kotle a množství přiváděného vzduchu

36

při spalování. K nejúčinnějším zařízením na spalování briket, patří kotle na dřevoplyn – nejprve palivo zplyňuje a až to té jej spaluje (účinnost až 90 %) (www.ekobrikety.cz). 4.1.6 Třebíčská teplárenská společnost – TTS energo s. r. o. Od roku 1995 se společnost TTS energo s. r. o. (dále jen TTS) vyskytuje na trhu s teplem. Firma se od roku 2001 začala specializovat na výrobu tepla z alternativních zdrojů energie. TTS vyrábí teplo převážně spalováním biomasy, slámy a dřevní štěpky, kotli pracujícími na bázi nových technologií. Společnost poskytuje teplo pro více než 9 700 domácností, dále místním základním a mateřským školám, Nemocnici Třebíč a poliklinice na ulici Vltavínská, pečovatelským domovům a mnoho dalším podnikům. Využívání tepla, vyprodukovaným firmou TTS, skrývá pro spotřebitele mnoho výhod. Dodávka tepla je díky různým zdrojům paliva, jistá a spolehlivá. Teplo produkuje celoročně. Dále nehrozí ani žádný výbuch či požár v místě spotřeby tepla, protože je teplo vyráběné mimo místo jeho spotřeby. Spalování biopaliv firmou TTS vede ke snižování produkovaných emisí města Třebíč. Centrální teplárna neprodukuje druhotné odpady. To je dané tím, že využívá energii elektrickou a energii primárního paliva kombinovaným způsobem. Spotřebitelé tepla jsou ušetřeni provozní náročností, které jsou součástí vytápěním jinými způsoby. A také snižuje náklady spotřebiteli na vytápění či ohřev užitkové vody. Dnes je firma v takové fázi, že zásobuje teplem a teplou užitkovou vodou, větší část obyvatel města Třebíč. V roce 2012 vyrobila v Třebíči 87 % tepla spalováním biopaliv (Třebíčské noviny, 2011). Společnost TTS je prospěšná nejen výrobou tepla pro místní obyvatelstvo, ale i odkupem biopaliv od místních či okolních zemědělců. A dále firma vytvořila kolem 80 pracovních míst (www.tts.cz). 4.1.7 Automatický kotel s hořákem FERROLI – Kadria s.r.o. Firma Kadria s. r. o. se zabývá komplexními návrhy na vytápění především rodinných domů, dále také penzionů, chat apod. Kotle jsou vyráběné v České republice. Jejich pořízení a provoz se pohybuje v nižších cenových relacích a také se vyznačují vysokou životností. Kotel s hořákem Ferroli je určený pro domácnosti s vytápěnou plochou 200 až 400 m2. Jeho výkon je 30 kW, účinnost až 94 % díky čtyřtahovému tělesu, objem ohřívané vody je 35 l. Kotel je určen ke spalování pelet, ale je možnost použití i 37

jiných tuhých paliv. Je plně automatizován (zapálení, regaulace výkonu, vyhasnutí), při dosažení nastavené teploty se kotel sám vypne a při poklesu teploty se také sám opětovně zapne. Vytápění kotli Kadria je ekologická cesta vytápění rodinných domů či jiných budov. Spalováním dřevěných pelet se snižuje dopad na životní prostředí tak, že se omezuje čerpání neobnovitelných zdrojů energie a produkuje méně škodlivých emisí do ovzduší. Tyto kotle šetří množství spotřebovaného paliva a tím také náklady (www.kadria.cz). 4.1.8 Zplyňovací kotel DC 30 RS – ATMOS Jedná se o firmu s dlouholetou tradicí, která vyrábí mnoho typů kotlů s různými výkony. V současné době se jedná o jednu z největších firem s výrobou kotlů na tuhá paliva v Evropě. Je zaměřena především na výrobu kotlů zplyňovacích, prohořívacích a kombinovaných. Kotel DC 30 RS je zplyňovací zařízení na spalování dřevěných briket či kusového dřeva. Velká násypka na palivo umožňuje dávkování kotle špalky dřeva nebo celých balíků s briketami. Je konstruovaný k vytápění rodinných domů, chat a jiných budov, které dosahují maximálních teplených ztrát 15 až 32 kW. K zátopu a plynulému hoření paliva pomáhá otočný litinový rošt v topeništi s přívodem předehřátého vzduchu. Kotel má výkon 32 kW a účinnost až 90,7 %. Objem ohřívané vody je v tomto případě 65 l. Kotle Atmos vedou k levnému, pohodlnému a zároveň k ekologickému způsobu vytápění. Jeho účinnost je velmi vysoká a redukuje spotřebu paliva. Obsluha kotle je jednoduchá a čištění topeniště je možná i během chodu (www.atmos.cz).

4.2 Využití kapalných biopaliv Díky vzrůstajícímu počtu osobních automobilů a v budoucnu jistě nestabilních dodávek pohonných hmot z ropy, je nutné snížit závislost na ropě. Důležité je také snižování vzniku výfukových plynů a emisí. Jedno z řešení je výroba kapalných biopaliv. Používají se především ve směsi s klasickými motorovými palivy. Využití těchto biopaliv může být ovlivněno náročností jejich výroby (technologie a cena) a vlivem na životní prostředí.

38

Používání biopaliv v dopravě je pozitivní krok, který vede k udržitelnému rozvoji venkova (rozvoj zemědělství a lesnictví). Důležité je, aby paliva vykazovala potřebné technické parametry a požadavky na ochranu životního prostředí (Pastorek, Kára, Jevič, 2004). Kapalná biopaliva jsou využívaná v čisté formě či ve směsi s deriváty minerálních olejů. Kvalita těchto paliv je ovlivněna již výběrem odrůdy dané plodiny, během růstu biomasy (klimatické podmínky, hnojení aj.), její sklizní, úpravou a zvolené technologie zpracování. Paliva musí splňovat tyto parametry: -

minimální ovlivnění na energetický obsah,

-

schopnost kvalitního spalování s nízkou produkcí emisí,

-

schopnost podporovat kvalitní funkci a životnost motorů,

-

možnost bezpečného skladování s transportu.

(Pastorek, Kára, Jevič, 2004) K výrobě metylesteru se používají různé druhy olejů (řepkový, palmový, sezamový, bavlníkový, ricinový, hořčičný, slunečnicový, ze sojových bobů), které mají výhřevnost přes 30 MJ/kg. Při jejich výrobě je nutné zohlednit výnosnost plodin, náklady na sklizeň a technologii zpracování. Pozoruhodnou možností je získávání rostlinných olejů z mikroskopických řas, technologie je ve vývoji (Murtinger, Beranovský, 2011). 4.2.1 Čistý řepkový olej jako motorové palivo Pro použití čistého řepkového oleje je nutná jeho úprava např. esterifikací či reesterifikací na metylester mastných kyselin (bionaftu). Nebo úprava motorů pro pohon tímto palivem. Čistý rostlinný olej je málo těkavý, z tohoto důvodu není možné ho použít k pohonu benzinových (zážehových) motorů. Dokáže pohánět dieslové (vznětové) motory. Další nevhodnou vlastností je vysoká viskozita, proti motorové naftě až 20krát. Výhodou čistého řepkového oleje je, že pokud kontaminuje půdu nebo jinou složku životního prostředí, příroda je schopná sama jej čistit, rychle se rozloží.

39

4.2.2 Metylester řepkového oleje (MEŘO) jako motorové palivo MEŘO se vyrábí chemickou technologií (reesterifikací) řepkového oleje. Jako vedlejší produkt tohoto procesu je surový glycerin, který se musí od metylesteru odstranit. Jedná se o chemickou reakci s metanolem probíhající za běžné či zvýšené teploty (Pokorný, 1998). V této formě je jako motorové palivo použitelnější, protože má lepší vlastnosti, které se

velice

přibližují

vlastnostem

motorové naftě. Přesto

ale zůstává

biodegradabilní. Jeho viskozita je jen o něco větší než u klasické nafty. Má vyšší bod vzplanutí než čistý řepkový olej. MEŘO má nižší výhřevnost a více poškozuje součásti v motoru z pryže. Tyto vlastnosti se eliminují smísením MEŘO s klasickou motorovou naftou. Některým potížím lze předejít výměnou pryžových částí za nové, z odolnějších materiálů, výměna motorového oleje a palivových filtrů, vyčištění palivového systému s nádrží (od vody) a zajištěním dobrého stavu vozidla (pravidelné kontroly). Tzv. bionafta 2. generace (SMN 30) obsahuje 30 % MEŘO a 70 % motorové nafty. Použitím SMN 30 jako paliva, se dosahuje nižších emisí ale také menší výhřevností (Murtinger, Beranovský, 2011). Využití těchto směsných paliv vede k mnoha výhodám: -

méně emisí, nižší kouřivost,

-

měkčí a tišší chod motoru,

-

menší opotřebení motoru,

-

prodloužení životnosti vstřikovacích jednotek (vysoká mazací schopnost),

-

menší zatížení motoru teplotou,

-

čistící schopnost motoru a palivového systému (uvolňovaným karbonem).

(Murtinger, Beranovský, 2011) Hlavní důvody používání bionafty 2. generace jsou ekonomické a ekologické. Z ekonomického hlediska je důležitá cena tohoto paliva, která je nižší a ekologickou předností je lepší schopnost biologického rozložení a méně škodlivých emisí. Rozšíření používání směsné nafty by se jistě zajistilo, kdyby se odstranil problém s únikem paliva do olejové nádrže. K tomuto jevu dochází za nízkých okolních teplot, studeném motoru či nízké zátěže motoru.

40

Směsná nafta od různých výrobců vykazuje odlišné vlastnosti a každé vozidlo je jiné a reaguje jinak. Proto by se tato paliva a jejich vlastnosti, měly posuzovat individuálně. Podle české normy ČSN 65 6508 se pod ozn. bionafta, vyskytuje čistý metylester. Pod ozn. směsná motorová nafta (SMN) je motorová nafta s obsahem minimálně 30 % obj. metylesteru mastných kyselin (www.technicke-normy-csn.cz). 4.2.3 Bioetanol jako motorové palivo Kvalita tohoto paliva k použití do motorových benzínů je daná normou ČSN 65 6511. Základním znakem kvality palivového bioetanolu je vyšší obsah etanolu vůči vodě. Odvodnění bioetanolu lze docílit tuhými látkami (pálené vápno, chlorid vápenatý, sádra aj.), kapalinami (benzen), destilací, molekulárními síty (tzv. zeolity – hlinitokřemičitan draselný) či membránových procesů (pervaporace, pertrakce) (Pastorek, Kára, Jevič, 2004). Bioetanol v zážehových motorech se dá použít dvojím způsobem. A to kvasný líh jako palivo nebo kvasný líh jako přísada. Použití kvasného lihu jako paliva je nutná úprava zážehového motoru. Při teplotách pod 15 °C motor špatně startuje, proto je vhodné k nastartování přepnutí na nádrž s motorovým benzínem a až po té se přepne na bioetanol. Používanými palivy je alkoholické palivo (95 % kvasného lihu + 5 % autobenzínu), směsné benzinové palivo (22 % bezvodého kvasného lihu + 78 % autobenzínu), směs MEG (60 % kvasného lihu, 33 % metanolu, 7 % autobenzínu). Použití kvasného lihu jako přísada vede ke snížení škodlivostí emisí, hlavně ve městech v období smogového nebezpečí. Přídavkem tzv. oxigenátů, což je směs bioetanolu, metyltercbutyléteru (MTBE) a etylterciálního butyléteru (ETBE), se sníží obsah oxidu uhelnatého a uhlovodíků v emisích (Kára, 2001). Étery (MTBE, ETBE, DIPE, TAME) jsou uhlovodíkové sloučeniny s kyslíkem. Vykazují vysoké oktanové číslo a jejich tlak par je nízký. Tyto látky snižují emise a do motorových benzínů mohou být, podle normy EN 228, přimíchávané až do 15 % obj. (Pastorek, Kára, Jevič, 2004). U použití paliv s bioetanolem do 5 % obj. v EU, není nutná úprava zážehových motorů. Přimícháváním bioetanolu a aditiv s benzínem se zvyšuje oktanové číslo a díky tomu se snižuje tzv. klepání motoru. Dále pak ochlazuje spalovací prostor svým vysokým výparným teplem. 41

Před jeho použitím je nutné vysušení nádrže, nesní být přítomna voda. Bioetanol může způsobit poškození barevných nátěrů, elastomerů. Dokáže také způsobit korozi lehkých kovů nebo oceli. Podle Pastorka, Káry a Jeviče (2004, s. 249) „u pohonných hmot obsahujících etanol dochází v porovnání s bezetanolovým motorovým benzinem na jedné straně ke snížení emisí uhlovodíků, monooxidu uhlíku, částic a aromatických karcinogenních sloučenin, na druhé straně se může zvyšovat uvolňování aldehydů. V případě oxidů dusíku bylo zjištěno částečně snižování, částečně zvyšování.“ Značnou výhodou používání bioetanolu do motorových paliv je, že zdroje pro jeho výrobu jsou obnovitelné a dostupné. Dále snižuje vznik některých emisí a je vhodný k použití ve smogových oblastech. Jako velká nevýhoda je vysoká výrobní cena bioetanolu, růst emisí aldehydů a oxidů dusíku, nízká výhřevnost a vyšší spotřeba paliva (Křepelka, 1997). Mezi alternativními palivy ze zemědělské produkce a ostatními motorovými palivy ropného původu je značná podobnost jejich vlastností. U rostlinných olejů a jejich esterů jsou fyzikální a chemické vlastnosti velmi podobné motorové naftě. Fyzikální a chemické vlastnosti alkoholů a éterů jsou podobné automobilním benzínům. Proto při použití rostlinných olejů a alkoholů jako čistých látek je nutná speciální úprava motorů. Při použití esterů a éterů jako přídavků do palivových směsí nejsou již žádné úpravy vyžadovány (Kára, 2001). 4.2.3.1 Osobní automobil Škoda Octavia 1.6 MPI Multifuel Motor automobilu, vyráběného firmou Škoda Auto, je schopen jezdit na klasický motorový benzín, dále na biopalivo E85 (85 % bioetanolu s 15 % benzínu Natural 95) nebo jinou směs benzínu s bioetanolem. Čerpací stanice s nabídkou biopaliva E85 jsou v dnešní době u nás rozšířené a není obtížné jej sehnat. Cena paliva za litr se pohybuje kolem 23 až 25 Kč. Po automobilu, Škoda Octavia 1.6 MPI Multifuel s výkonem 75 kW/5600 ot./min, je především poptávka ve Švédsku a Finsku. Je možné jej sehnat i u nás a to ve verzi combi a liftback. Cena se odvíjí podle výbavy. Např. Ambiente plus, která ve své výbavě mimo jiné zahrnuje i tempomat, klimatizaci a litá kola, stojí v provedení liftback cca 366 700 Kč a combi cca 397 670 Kč. Tato verze je vůči klasické verzi Škoda Octavia 1.6 MPI dražší asi o 6 500 Kč.

42

Díky vysokému oktanovému číslu 108 u paliva E85 je jízda automobilem, poháněné tímto palivem, svižnější. Nevýhodou tohoto paliva je horší zápalnost a jeho vyšší spotřeba během jízdy, vůči palivu Natural 95. Startování auta do teploty -22 °C by neměl dělat problém, pro všechny případy automobil vlastní zásuvku k předehřívání motoru. Automobil Škoda Octavia 1.6 MPI Multifuel combi prošel cca 300kilometrovým testem, při kterém bylo zjištěno, že během jízdy ve městě je spotřeba kolem 13,2 l. Mimo město a po dálnici má spotřebu mezi 7,7 až 9,3 l. Verze automobilu liftback má v průměru o 0,2 l spotřebu nižší. Vyšší spotřeba paliva tedy vyžaduje častější tankování. K lepšímu porovnání, klasická verze automobilu Škoda Octavia 1.6 MPI má v průměru spotřebu benzínu Natural 95 7,2 l, dle stylu jízdy (www.hybrid.cz, www.biopalivafrci.cz).

4.3 Využití plynných biopaliv Plynná biopaliva se využívají k pohonu automobilů či výrobě tepla a elektrické energie. Dnes je velice populární výroba bioplynu v bioplynových stanicích. 4.3.1 Výroba bioplynu v bioplynových stanicích V bioplynové stanici dochází k anaerobní digesci, během které vzniká plyn a digestát. Kvalita plynu se odvíjí dle jeho energetického obsahu (výhřevnosti). To udává množství metanu a vodíku (spalitelných plynů). Mimo ty dále obsahuje oxid uhličitý, vodní páru, dusík, kyslík, čpavek a sulfan. Bioplyn je možné vyčistit, většinou se to ale nedělá a využívá se v původní formě (složení) (Murtinger, Beranovský, 2011). Digestát je tuhý zbytek anaerobní digesce, využívaný jako organické hnojivo. Vysušený digestát je také možné použít jako příměs materiálu na výrobu pelet. Pro výrobu tohoto plynu se používá směsný materiál rostlinného i živočišného původu. Na kvalitě vstupního materiálu závisí téměř celý proces. Je nutné klást důraz na poměr uhlíku a živin (makro, mikro), aby byl vyvážený. Mezi nejčastější vstupní suroviny patří kukuřičná siláž a kejda. Materiál pro výrobu bioplynu v bioplynové stanici by se měl vyznačovat těmito vlastnostmi:

43

-

maximální množství biologicky rozložitelného odpadu s co nejnižším obsahem popelovin (anorganických látek),

-

pH v rozmezí 7 až 7,8,

-

poměr C:N cca 30:1,

-

obsah sušiny u pevných odpadů je cca 22 až 25 %, u zpracování tekutých odpadů cca 8 až 14 %, maximální hranice je 50 %. Proces anaerobní fermentace by mohla narušit příměs materiálu s potlačujícími

látkami

(antibiotika,

látky

v hnilobném

rozkladu

aj.).

Vhodnost

materiálu

k tomuto druhu využití může ovlivnit předchozí manipulační a zpracující procesy (Pastorek, Kára, Jevič, 2004). V našich podmínkách by se k reakci nedokázalo samo vytvořit potřebné teplo, proto je nutné jej uměle vytápět (Schulz, Eder, 2004). Těžké látky (písek, nestrávené zbytky krmiv apod.) se usazují na dně fermentoru. Po zanesení větším množstvím těchto látek se čistí (shrnováním). 4.3.1.1 Schéma zařízení pro výrobu bioplynu – hlavní části a) Příjem a úprava vstupního materiálu – v této části dochází ke sběru materiálu, následuje jeho třídění (separace hrubé příměsi), hygienizace, homogenizace, aktivace mikroflóry, zahřátí. Takto přepravený materiál se přepravuje do fermentoru. b) Fermentor – zde dochází k anaerobní digesci materiálu. Fermentor musí být z vysoce odolných materiálu, většinou z betonu, které nepodléhají korozi, která vzniká působením agresivních sloučenin. Objem nádrže se pohybuje v desítkách až stovkách m3. Uvnitř fermentoru je míchací zařízení, které homogenizuje materiál a podporuje fermentační proces. Dále zde jsou umístněná topná zařízení. V horní části reaktoru se shromažďuje vzniklý bioplyn, slouží jako plynojem. Fermentovaný substrát (digestát) je potrubím odváděn do uskladňovací nádrže. Bioplyn je často ve speciálním zařízení čistěn od H2S, CO2, vody a mechanických nečistot. c) Kogenerační jednotka – dochází ke kombinované výrobě tepla a elektrické energie. Cca 30 % energie je kogenerační jednotkou přeměněno na elektrickou energii, cca 60 % energie je přeměněno na teplo a zbylých 10 % jsou případné ztráty procesu. Je zde spalovací motor, který spalováním bioplynu pohání generátor a ten vyrábí elektrickou energii a teplo. Následuje rozvod tepla a elektrické energie. Vzniklé teplo se využívá k vytápění budov, chléva, skleníků apod. Elektrická energie je dodávaná do rozvodné sítě (výkup). 44

Bioplynové stanice mohou pracovat na principu takovém, že se reaktor naplní vstupním materiálem, uzavře se a proběhnou všechny reakce spojené s přeměnou materiálu. Po té je reaktor vyprázdněn a opět naplněn novými surovinami. Tohoto postupu se využívá při přeměně tuhého materiálu suchou fermentací. Častější pracovní postup bioplynové stanice je automatické dávkování několikrát za den. Bez přerušení či ukončování reakčního procesu (Murtinger, Beranovský, 2011). Zpracování

biomasy procesem

anaerobní

digesce se snižuje produkce

antropogenních skleníkových plynů, neznehodnocují se všechny živiny obsažené v biomase, dají se využít jako organické hnojivo. Značnou nevýhodou bioplynových stanic je jejich ekonomická náročnost při výstavbě. Bioplyn je možné využívat jako palivo benzinových či dieselových motorů. Před použitím musí být provedena jejich úprava. 4.3.1.2 Bioplynová stanice v Budišově Bioplynová stanice (dále jen BPS) se nachází nedaleko obce Budišov v zemědělském areálu, jedná se o okres Třebíč kraje Vysočina. Jde se o zemědělskou BPS. Projekt výstavby BPS se začal realizovat roku 2009 z důvodu rozvoje kraje Vysočina – Rozvoj obnovitelných a alternativních zdrojů. Vybudování této BPS stálo přes 62 000 000 Kč, byla dotovaná Evropskou unií. Zkušební provoz BPS byl zahájen začátkem října roku 2010. Stanice má elektrický výkon 750 kW a tepelný výkon 696 kW za hodinu (www.biom.cz). Zemědělské družstvo Budišov se zabývá hospodařením na 2 605 ha, z toho je 2 300 ha orné půdy, dále chovem skotu a prasat. V BPS zpracovává odpad, kterým je rostlinná zelená hmota, senáž a kejda. Družstvo pěstuje hlavně kukuřici, jetel a pícniny (Zemědělská technika, 2011). Jako materiál k fermentaci využívá Zemědělské družstvo Budišov hovězí a vepřovou kejdu spolu s vodou, jako část tekutou. Pevný materiálový podíl zahrnuje kukuřičnou siláž a travní senáž. Vše se mísí dle stanovených poměrů pro fermentaci. Elektrická energie, kterou stanice pomocí kogenerační jednotky vyrobila, se dodává do veřejné sítě ČEZ nebo část je využívaná samotným družstvem a vyprodukované teplo se využívá k ohřevu vody, výtop dílen, administrativní budovy, kravína, dojírny a především k ohřevu materiálu ve fermentačních nádržích.

45

Tzv. fugát (fermentační zbytek s obsahem 4 až 10 % sušiny) se znovu využívá při dalším procesu fermentace k ředění vstupního materiálu či k hnojení.

46

5 DISKUSE V současné době se rozmohlo využívání obnovitelných zdrojů energie. V České republice se uplatňuje především získávání energie pomocí vodních a solárních elektráren, biomasy a částečně větrných elektráren, ty jsou ale využívané pouze v některých horských oblastech. Vstupem České republiky do Evropské unie se země zavázala k podílení se na výrobě elektrické energie z alternativních zdrojů. V České republice se rozmohlo pěstování energetických plodin na velké ploše zemědělské půdy. Tato cíleně pěstovaná fytomasa je pak zpracovávaná na různá biopaliva. Buď se mísí spolu s dalším materiálem a prochází procesem anaerobní digesce, za účelem výroby bioplynu. Nebo se zpracovává na biopaliva kapalná či tuhá, která jsou vhodná ke spalování. Způsob pěstování těchto plodin je pro zemědělce, z pohledu ekonomického, výhodné. Zda to je ale efektivní i z jiných pohledů, těžko říci. Myslím si ale, že pěstování energetických plodin na úkor plodin, na výrobu potravin, není vhodné. Tímto způsobem se zcela jistě buduje velká závislost, v dovozu potravin, na ostatních zemích. V diskuzi se budu věnovat srovnání a poznatkům biopaliv s fosilními palivy.

5.1 Zhodnocení tuhých biopaliv Dle mého názoru, tuhá biopaliva využívají ke spalování, především rodinné domy. K tomuto typu paliva, se v dnešní době, také přiklánějí některé centrální výtopny. Jako například centrální výtopna TTS energo s. r. o. v Třebíči, která v současnosti využívá k výrobě tepla 87 % obnovitelných zdrojů (biomasa). Myslím si, že rozhodujícím hlediskem, při výběru typu paliva k vytápění domácnosti, je cena a dostupnost daných paliv v místě bydliště. Obojí se v různých částech České republiky liší. Někdo má možnost vlastních zdrojů těchto alternativních paliv, tím si může snížit náklady na vytápění popř. i ohřev vody a také sníží čerpání fosilních paliv a produkci škodlivého oxidu siřičitého. Z hlediska využití alternativních forem vytápění, jsou tuhá biopaliva vhodná ke zpracování dřevního odpadu, slámy či travinných řezanek včetně dřevní štěpky, vyrobené samotným spotřebitelem z prořezávky stromů a keřů. Touto cestou lze tento materiál efektivně spotřebovat. Spálením briket a pelet vzniká nízká produkce popela, který je možno použít jako minerální hnojivo.

47

Výhřevnost alternativních paliv je při srovnání s fosilními palivy nižší. Jako další nevýhoda tuhých biopaliv je nutný prostor pro zásobu paliva, který musí splňovat určitá pravidla jako je např. sucho, možnost provzdušnění, ochrana před vlhkem. Řekla bych, že určitá negativa jsou vykompenzovaná nižšími náklady na palivo. Jako vhodné řešení mi přijde pořízení kombinovaného kotle. Lze spalovat více druhů biopaliv nebo i fosilní paliva. S automatickým dávkovačem kotle se zredukuje čas pro obsluhu kotle člověkem. A možnost získání příspěvku, ve formě dotací, vidím jako plus. 5.1.1 Porovnání kotlů a více typů paliv Výpočty byly konstruované dle řadového domu o vytápěné ploše 252 m2. Dům má nová plastová okna, není zateplený, z obou bočních stran má sousedící domy (není krajový). V současnosti je dům vytápěný zemním plynem od společnosti RWE ENERGIE, a. s. Dále je plyn využíván k ohřevu vody. Majitel uvažuje o změně kotle, z důvodu snížení nákladů na vytápění a ohřev vody. Situace je vypočítaná podle současných cen. Tabulka č. 5 představuje cenu plynu v kategorii – domácnosti pro rok 2011 od společnosti RWE ENERGIE, a. s.

48

Tabulka č. 5: Ceny plynu v kategorii – domácnost pro rok 2011 od společnosti RWE ENERGIE a. s. (www.rwe.cz, vlastní zpracování)

ROČNÍ ODBĚR V PÁSMU nad – do MWh/rok

do 1,89 nad 1,89 do 7,56 nad 7,56 do 15 nad 15 do 20 nad 20 do 25 nad 25 do 30 nad 30 do 35 nad 35 do 40 nad 40 do 45 nad 45 do 50 nad 50 do 55 nad 55 do 63 nad 63

MAXIMÁLNÍ CENA DVOUSLOŽKOVÁ (vč. DPH) STÁLÝ MĚSÍČNÍ CENA ZA ODEBRANÝ PLAT ZA PLYN Kč/MWh PŘISTAVENOU KAPACITU V Kč 1 844,11 78,50 1 286,99 154,30 1 196,86 255,16 1 191,16 271,18 1 185,92 296,42 1 181,36 325,14 1 175,53 332,66 1 173,79 357,17 1 170,83 384,66 1 167,47 399,01 1 165,92 418,73 1 163,72 438,92 1 084,97 

Pozn.:  cena za kapacitu – roční sazba platu za vypočtené denní maximum Kč/tis. m3 : 206 300,33 Tabulka č. 6 reflektuje spotřebu zemního plynu v jednotlivých měsících roku 2011. Spotřeba plynu v jednotlivých měsících byla posouzená podle internetového zdroje (www.vytapeni.tzb-info.cz) a následně byla dopočítaná podle tabulky č. 5. Bylo zjištěno, že největší spotřeba plynu, byla v zimních měsících. Naopak v letních měsících byla spotřeba plynu, pro účely vytápění nulová, plyn byl využíván pouze k vaření. Kotel je v letních měsících zcela vypnut. K ohřevu vody slouží centrální bojler nezávislý na kotli. Průběh spotřeby bioplynu je znázorněn na obrázku č. 3.

49

Tabulka č. 6: Spotřeba plynu v jednotlivých měsících v roce 2011 (zdroj: vlastní zpracování)

Spotřeba plynu celkem (%) Leden 15,2 Únor 15,1 Březen 14,2 Duben 7,1 Květen 3,5 Červen 1,9 Červenec 1,9 Srpen 1,9 Září 2,7 Říjen 7,6 Listopad 13,7 Prosinec 15,2 Celkem za rok

100

Spotřeba plynu celkem (Kč s DPH) 4742,1446 4710,9463 4430,1614 2215,0807 1091,9412 592,76808 592,76808 592,76808 842,35464 2371,0723 4274,1698 4742,1446

Spotřeba plynu celkem (Kč s DPH) + každý měsíc 325,14 Kč 5067,28464 5036,08632 4755,30144 2540,22072 1417,0812 917,90808 917,90808 917,90808 1167,49464 2696,21232 4599,30984 5067,28464

Spotřeba plynu na topení (Kč s DPH) 4149,37656 4118,17824 3837,39336 1622,31264 499,17312 0 0 0 249,58656 1778,30424 3681,40176 4149,37656

31198,32

35100

24085,103

Obrázek č. 3: Závislost spotřeby plynu v jednotlivých měsících v roce 2011 (zdroj: vlastní zpracování) Tabulka č. 7 zobrazuje komparaci vybraných kotlů na různá paliva. Při výpočtu byla známá spotřeba plynu 2 610 m3 a poplatek za plyn 35 100 Kč v roce 2011.

50

Při přepočtu majitel zaplatil v roce 2011 13,45 Kč/m3. Cena vypočítaná internetovou kalkulačkou, na webu RWE, je 12,40 Kč/m3. V porovnání jsou ceny srovnatelné. Jako nejvýhodnější alternativa se dle výpočtu jeví kotel Atmos. Velkou výhodou je možnost volby druhu paliva. Oproti stávajícímu kotli na plyn je kotel Atmos schopný snížit náklady zhruba na polovinu. Nevýhodou však je, že oproti kotli na plyn, musí uživatel pravidelně doplňovat palivo a vynášet popel. Tabulka č. 7: Srovnání nákladů na palivo dle typu kotle (zdroj: vlastní zpracování) Kotel na plyn

Kotel Kadria 30 kW

Typ paliva

plyn

dřevěné pelety

Cena paliva/jednotku Celková spotřeba (m3/rok) Celková spotřeba (prms/rok) Celková spotřeba (t/rok) Cena za palivo celkem (Kč)

1 181,36 Kč/MWh

5 800 Kč/t

2 610

-

-

-

-

-

25

-

-

3,262

-

3,1

35 100

18 919,60

16 250

16 740

Kotel Atmos 32 kW kusové dřevo 650 Kč/prms

dřevěné brikety 5 400 Kč/t

V tabulce č. 8 je uvedena navrhovaná investice, která byla stanovena na základě vztahu investice do nového zařízení a roční úspory, získané provozem tohoto kotle. Vzhledem ke stávající spotřebě a ceně plynu je návratnost kotle Kadria 30 kW kolem 4,5 let a kotle Atmos 32 kW kolem 2,5 let. Investice do kotlů s alternativními palivy se vyplatí, protože jsou ekologické a úsporné. Tabulka č. 8: Návratnost pořízení kotle (zdroj: vlastní zpracování) Typ kotle

Kadria 30kW

Atmos 32kW dřevěné Typ paliva dřevěné pelety kusové dřevo brikety Cena kotle 74 750 Kč 48 289 Kč 4 roky 7 2 roky 7 2 roky 7 Návratnost měsíců měsíců měsíců

51

5.2 Zhodnocení kapalných biopaliv V současné době je v České republice povinnost přídavku několika procent biopaliva do běžných fosilních paliv. S rostoucí cenou fosilních paliv roste i malý zlomek automobilů poháněných bionaftou, bioetanolem popř. automobilů s elektrickým pohonem. Při srovnání obnovitelných paliv s fosilními jsou biopaliva náročnější na výrobní technologii. Díky tomu se jejich cena neliší s takovou razantností, jak by se dalo očekávat. Pěstování energetických plodin je pro zemědělce značně výhodné, díky dotacím. Z tohoto důvodu se ale obávám, že jsou tyto plodiny pěstované na úkor plodin k výrobě potravin. Množství potravin dovážených z jiných států značně stoupá, proto by se, podle mého názoru, měla kvantita pěstování energetických plodin více regulovat. Testem osobního automobilu Škoda Octavia 1.6 MPI Multifuel, poháněným biopalivem E85 bylo zjištěno, že má vyšší spotřebu než tentýž vůz poháněný benzínem. Jízdou mimo město, především po dálnici, se spotřeba biopaliva pohybovala mezi 7,7 až 9,3 litru na 100 km. Jízda po městě je záležitostí s velmi vysokou spotřebou biopaliva a to cca 13,2 litru. Cena paliva je o cca 1/3 nižší, ale spotřeba paliva je asi o ¼ až 1/3 vyšší. Na základě těchto poznatků si myslím, že pořízení tohoto vozu může bát atraktivní pro řidiče či firmy, které jezdí především mimo město, dlouhé cesty a často. Jako malé plus bych tento typ vozidel viděla u firem, kterým záleží na udržitelném rozvoji. Řekla bych, že z důvodu snižování světových zásob ropy, tím pádem i blížící se dobou bez fosilních paliv, by se měla rozšiřovat nabídka automobilů poháněných alternativními palivy a měla by se zdokonalit technologie na výrobu kapalných biopaliv. Na rozšíření nabídky vozů na biopaliva, jsou zaměřené především automobilky Ford, Saab, Volvo a částečně i Škoda Auto. Palivo E85 také využívají autobusy Scania se speciálně upravenými motory.

5.3 Zhodnocení plynných biopaliv V současné době je v České republice přes 250 bioplynových stanic (dále jen BPS), z toho přes 150 zemědělských. Takto rychlý nárůst v početnosti BPS je dán především dotacemi, které jsou na jejich výstavbu přispívány Evropskou unií.

52

Bez dotací by jejich počet byl jistě mnohem nižší, protože jsou ekonomicky velice náročné. V BPS vzniká anaerobní digescí plyn a digestát, který se využívá jako minerální hnojivo nebo se opětovně navrací, do procesu fermentace popř. se stává příměsí pelet. Během procesu kvašení musí být, dle normy ČSN, dodržená pravidla. Např. materiál s poměrem C:N ideálně 30:1, pH v rozmezí 7 až 7,8, vyvážený poměr tekutého a pevného materiálu, dodržení teploty a délky průběhu procesu. Těmito podmínkami je ovlivněna kvalita bioplynu. Přesto i při dodržení všech zásad, vznikne bioplyn o nižší výhřevnosti, než má zemní plyn. Před použitím, je nutné odstranit mechanické nečistoty a sirovodík, který způsobuje korozi. Následně přes kogenerační jednotku vyrábí elektrickou energii a teplo. V BPS lze zpracovat materiál, který by již nebyl tolik efektivně využit (živočišný a rostlinný odpad, čistírenské kaly, biologicky rozložitelný komunální odpad). V České republice je typické složení materiálu k digesci, kejda a kukuřičná siláž. Myslím si, že takto zpracovaný materiál, který je v nadbytku, je vhodnou cestou k jeho zhodnocení. Dnes se ale často setkáváme s velkým množstvím záměrně pěstovaných plodin, využívaných k fermentaci. Podle mého názoru, to je dané tím, že je na našem území nadbytečný počet BPS a majitelé pak řeší, co zfermentovat. Pěstování těchto energetických plodin na úkor jiných, mi nepřijde tak velkolepé. Nejsem si jistá, zda jde o správnou cestu k udržitelnému rozvoji a ekologii. Jako velké pozitivum vnímám že, spalováním bioplynu z rostlinné biomasy nejsou produkovány nežádoucí emise SO2 a těžkých kovů.

53

6 ZÁVĚR Výroba biopaliv vůči životnímu prostředí je posuzovaná již od počátku 80. let 20. století z pohledu environmentálního a energetického. Pevná biopaliva jsou využívaná hlavně rodinnými domy k vytápění, kde je, podle mého názoru, velká pravděpodobnost snížení nákladů. Při výběru kotle je ideální rozhodovat se na základě rad a výpočtů odborníka, který zohlední skutečný stav budovy, např. zateplení domu, nová či stará okna, vytápěná plocha aj. Instalovaný kotel by neměl mít větší výkon než, který byl navržen, protože účinnost výkonnějšího kotle, při neúplném využití klesá. Řekla bych, že je dnes na trhu široká nabídka kotlů od mnoha výrobců s různými parametry a požadavky na palivo. V současnosti tuhými biopalivy vyrábějí teplo i některé centrální výtopny. Jako např. centrální výtopna TTS energo s. r. o. v Třebíči. Tato společnost vyrobila, v roce

2012,

87 % tepla spalováním tuhých biopaliv. Díky tomu mají místní zemědělci možnost uplatnit svoji biomasu výhodně. A občanům, využívajícím tepla této společnosti, šetří peníze nižší cenou. Při výběru kotle, bych kupci doporučila především zjištění cen paliv, od výrobců, kteří jsou v blízkosti jejich bydliště. Ceny více typů paliv se po celé České republice liší. A pokud má někdo možnost získání paliva vlastních zdrojů, pak je to ideální a tím se opět náklady dají snížit. Nevýhodou tuhých biopaliv je jejich nižší výhřevnost vůči fosilním palivům. Proto je spotřeba biopaliv vyšší. V dnešní době se kapalná biopaliva využívají především jako příměs do běžných ropných paliv. Jejich nevýhodou je nižší výhřevnost, z tohoto důvodu, stoupá spotřeba. Zato cena a produkce škodlivých emisí, vůči fosilním palivům, je nižší. Při využívání čistých kapalných biopaliv, je nutná, před jejich použitím, úprava motoru a kontrola palivového systému vozu. Popř. je zde možnost pořízení vozu, který je již od výroby konstruován na pohon biopalivy. Nyní je trend ve výstavě bioplynových stanic pro výrobu bioplynu. Jejich počet se rychle navyšuje, především díky dotacím z Evropské unie. Díky bioplynovým stanicím lze využít např. i některé druhy biologicky rozložitelného odpadu, čistírenské

54

kaly, různé odpady z průmyslových výrob, který by se jinak tolik nezhodnotil. Bioplynové stanice přispívají k řešení zpracování odpadů. Cílem biopaliv je snížení vlivů a produkce škodlivých látek, působících negativně na životní prostředí. Momentálně v některých technologiích, ve zpracování biomasy, jsou určité trhliny a je nutný jejich vývoj. Biopaliva jsou dále „cestou“ k nezávislosti na neobnovitelných zdrojích energie.

55

7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY Literární zdroje PASTOREK Z., KÁRA J., JEVIČ P.: Biomasa: obnovitelný zdroj energie, Praha: FCC PUBLIC s. r. o., 2004, 288 s., ISBN 80-86534-06-5. MURTINGER K., BERANOVSKÝ J.: Energie z biomasy. 1. vyd. Brno: Computer Press, 2011, 106 s. ISBN 978-80-251-2916-6. MALAŤÁK J., VACULÍK P.: Biomasa pro výrobu energie. 1. vyd. Praha: Česká zemědělská univerzita v Praze, 2008, 206 s. ISBN 978-80-213-1810-6. KÁRA J.: Motorová paliva z biomasy v České republice. Praha: Ústav zemědělských a potravinářských informací, 2001, 39 s. ISBN 80-7271-095-8.

MCGOWAN T.: Biomass and alternate fuel systems: an engineering and economic guide. New Jersey: John Wiley  Sons, c2009, 264 s. ISBN 978-0-470-41028-8 . SLADKÝ V.: Novinky ve zpracování a spalování biopaliv. 1. vyd. Praha: Ústav zemědělských a potravinářských informací, 1998, 52 s. ISBN 80-7271-021-4. MURTINGER K., BERANOVSKÝ J.: Energie z biomasy. 1. vyd. Brno: ERA, 2006, 94 s. ISBN 80-7366-071-7. PASTOREK Z. a kol.: Využití odpadní biomasy rostlinného původu. Praha: Ústav zemědělských a potravinářských informací, 1999, 64 s. ISBN 80-7271-055-9. VÁŇA J., SLEJŠKA A.: Bioplyn z rostlinné biomasy. Praha: Ústav zemědělských a potravinářských informací, 1998, 40 s. ISBN 80-7271-025-7. SLADKÝ V.: Příprava paliva z biomasy. Praha: Ústav zemědělských a potravinářských informací, 1996, 50 s. ISBN 80-86153-40-1.

56

KŘEPELKA V.: Využití bioetanolu jako paliva v zemědělství. Praha: Ústav zemědělských a potravinářských informací, 1997, 37 s. ISBN 80-86153-34-7. VČELIČKA J., BINKO I.: Průmyslové využití odpadu dřeva. 1. vyd. Praha: SNTL, 1963, 302 s. KÁRA J.: Využití druhotných a obnovitelných zdrojů energie. Praha: Ústav zemědělských a potravinářských informací, 1994, 32 s.

TWIDELL J., WEIR T.: Renewable energy resources. 2nd ed. London: Taylor  Francis, 2005, 601 s. ISBN 0-419-25320-3.

SCHULZ H., EDER B.: Bioplyn v praxi. 1. vyd. Ostrava: HEL, 2004, 167 s. ISBN 8086167-21-6. TRENČIANSKÝ M., LIESKOVSKÝ M., ORAVEC M.: Energetické zhodnotenie biomasy. 1. vyd. Zvolen: Národné lesnicke centrum, 2007, 147 s. ISBN 978-80-8093050-9. TINTĚRA L. a kol.: Úsporná domácnost. 1. vyd. Brno: ERA, 2002, 66 s. ISBN 8086517-16-0. POKORNÝ Z.: Bionafta ekologické alternativní palivo do vznětových motorů. 1. vyd. Praha: Institut výchovy a vzdělávání MZe, 1998, 43 s. ISBN 80-7105-173-X . PAULOVÁ,M. Velký senážní vůz pracuje za dva. Zemědělská technika. 2011, číslo 7, s. 29. -zt- Teplo v Třebíči zlevňuje, říká Horký. Třebíčské noviny. 2011, číslo 2, s. 8.

57

Legislativa Zákon č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší ze dne 2. května 2012 Zákon č. 165/2012 Sb., o podporovaných zdrojích energie a o změně některých zákonů ze dne 31. ledna 2012 Zákon č. 351/2012 Sb., o kritériích udržitelnosti biopaliv ze dne 3. října 2012 Elektronické zdroje mpo.cz: Ministerstvo průmyslu a obchodu. online. cit. 2013-03-16 dostupné na ˂http://www.mpo.cz>. gyabra.com: biomasa v České republice. online. cit. 2013-01-15 dostupné na ˂http://www.gyabra.com˃. oei.fme.vutbr.cz: Energetický ústav VUT Brno. online. cit. 2013-01-17 dostupné na . kogenerace-kotel.cz: zplyňovací generátor. online. cit. 2013-01-18 dostupné na . nwt.cz: termochemické zplyňování a kogenerace biomasy. online. cit. 2013-02-01 dostupné na . biom.cz: biomasa a biopaliva. online. cit. 2013-01-18 dostupné na . nazeleno.cz: chytrá řešení pro každého. online. cit. 2013-01-12 dostupné na . ekoporadny.cz: ekoporadenský portál Ministerstva životního prostředí. online. cit. 2013-01-22 dostupné na .

58

vytapeni.tzb-info.cz: úspory energií. online. cit. 2013-01-11 dostupné na ˂ http://vytapeni.tzb-info.cz˃. biopalivafrci.cz: biopaliva. online. cit. 2013-03-10 dostupné na ˂ http://biopalivafrci.cz˃. lpg-cng.ochranamotoru.cz: šlápni na plyn. online. cit. 2013-02-17 dostupné na ˂http://lpg-cng.ochranamotoru.cz˃. ekobrikety.cz: výroba a prodej dřevěných briket. online. cit. 2013-02-22 dostupné na . technicke-normy-csn.cz: bezpečnostní tabulky a normy ČSN. online. cit. 2013-01-22 dostupné na . tts.cz: energo výroba tepla. online. cit. 2013-03-2 dostupné na . kadria.cz: komplexní řešení vytápění rodinných domů. online. cit. 2013-03-3 dostupné na . atmos.cz: zplyňovací kotle na pelety a brikety. online. cit. 2013-03-3 dostupné na .

hybrid.cz:

automobilový

magazín.

online.

cit.

2013-03-3

dostupné

na

. rwe.cz: elektrárenská a plynárenská společnost. online. cit. 2013-03-3 dostupné na . ceska-peleta.cz: zdravé komfortní palivo. cit. 2013-04-11 dostupné na .

59

8 SEZNAM TABULEK Tabulka č. 1: Odhad příspěvku výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů (z biomasy) v ČR k dosažení Tabulka č. 2: Způsobilost biomasy pro různé typy konverzí Tabulka č. 3: Výhřevnost dřeva v závislosti na objemové hmotnosti a vlhkosti Tabulka č. 4: Průměrné složení bioplynu Tabulka č. 5: Ceny plynu v kategorii – domácnost pro rok 2011 od společnosti RWE ENERGIE a. s. Tabulka č. 6: Spotřeba plynu v jednotlivých měsících Tabulka č. 7: Srovnání nákladů na palivo dle typu kotle Tabulka č. 8: Návratnost pořízení kotle

60

9 SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek č. 1: Schéma anaerobního rozkladu za tvorby bioplynu Obrázek č. 2: Obecné schéma technologického postupu při výrobě MEŘA Obrázek č. 3: Závislost spotřeby plynu v jednotlivých měsících

61

10 SEZNAM PŘÍLOH Příloha č. 1: Dřevěné pelety s kůrou a bez kůry Příloha č. 2: Brikety z tvrdého dřeva s kůrou a otvorem Příloha č. 3: Automatický kotel na pelety 30 kW od firmy Kadria s.r.o. Příloha č. 4: Zplyňovací kotel na dřevěné brikety a dřevo DC 30 RS od firmy ATMOS Příloha č. 5: Centrální výtopna TTS energo s.r.o. v Třebíči Příloha č. 6: Bioplynová stanice v Budišově Příloha č. 7: Škoda Octavia 1.6 MPI Multifuel

62

Příloha č. 1: Dřevěné pelety s kůrou a bez kůry (zdroj: www.ceska-peleta.cz)

Příloha č. 2: Brikety z tvrdého dřeva s kůrou a otvorem (zdroj: www.ceska-peleta.cz)

63

Příloha č. 3: Automatický kotel na pelety 30 kW od firmy Kadria s.r.o. (zdroj: www.kadria.cz)

Příloha č. 4: Zplyňovací kotel na dřevěné brikety a dřevo DC 30 RS od firmy ATMOS (zdroj: www.atmos.cz) 64

Příloha č. 5: Centrální výtopna TTS energo s.r.o. v Třebíči (zdroj: www.top-expo.cz)

Příloha č. 6: Bioplynová stanice v Budišově (zdroj: vlastní zpracování)

65

Příloha č. 7: Škoda Octavia 1.6 MPI Multifuel (zdroj: www.biopalivafrci.cz)

66