Studie a rozbor aplikací popela z biomasy
1
Obsah 1
Úvod ................................................................................................................................. 5
2
Biomasa ............................................................................................................................ 6 Chemické složení.............................................................................................................. 6 Rostlinný materiál ............................................................................................................ 6 Fosilní paliva ..................................................................................................................... 6 Rozdíl mezi biomasou a fosilními palivy .......................................................................... 6 Kategorie biomasy ............................................................................................................... 7 Proč používat biomasu ......................................................................................................... 7 Problémy se spalováním fosilních paliv ........................................................................... 7 Skleníkový efekt ............................................................................................................... 8 Skleníkové plyny............................................................................................................... 8 Globální oteplování .......................................................................................................... 8 Používání biomasy pro zajištění uhlíkové rovnováhy ...................................................... 8
3
Popel z biomasy – odpad či surovina ............................................................................. 11 Využití dřevního popela v lesnictví .................................................................................... 12 Aplikace dřevního popela v ČR........................................................................................... 13 Současné využívání dřevního popela v ČR ......................................................................... 14 Právní aspekty pro použití dřevního popela ...................................................................... 14
4
Dopady na životní prostředí ........................................................................................... 17 Alkalita a toxicita ................................................................................................................ 17 Doporučené dávkování .................................................................................................. 18 Stabilita účinků ............................................................................................................... 18 Výživa půdy dřevním popelem a dostupnost živin ............................................................ 19 Reakce těžkých kovů v půdě .............................................................................................. 20
2
Chrom a nikl ................................................................................................................... 22 Mangan .......................................................................................................................... 23 Retenční schopnosti ........................................................................................................... 24 Únik vody z půdy ............................................................................................................ 24 5
Odezva rostlin a živočichů na přídavky popela .............................................................. 27 Zemědělská sklizeň ............................................................................................................ 27 Stromy ................................................................................................................................ 27 Krátkodobé experimenty se semeny a sazenicemi stromů ........................................... 28 Dlouhodobé experimenty na dospělých stromech ........................................................ 30 Účinky na vegetaci ............................................................................................................. 32 Vyšší rostliny .................................................................................................................. 32 Půdní fauna .................................................................................................................... 33 Půdní mikrobiologie ....................................................................................................... 33 Houbové systémy v půdách ........................................................................................... 34 Shrnující poznatky na aplikaci dřevního popela v lesním hospodářství: ....................... 35 Použití popela s minimálními dopady na životní prostředí – doporučení ......................... 37
6
Popel ve stavebnictví ..................................................................................................... 38 Výrobní metody ................................................................................................................. 39 Způsoby inhibice biopopela ............................................................................................... 39 BioAS .................................................................................................................................. 40 Konstrukční stavební materiály ......................................................................................... 40 Fixace uhlíku a ukládání popela z biomasy ........................................................................ 41 Bitublock a Vegeblock ........................................................................................................ 42 Popel z biomasy jako alternativa cementu ........................................................................ 45
7
Vize budoucího využití ................................................................................................... 46
8
Ekonomické faktory využití popela z biomasy ............................................................... 47
3
Současné náklady na výrobu elektřiny............................................................................... 47 Uhlí a plyn ...................................................................................................................... 47 Jaderná energie .............................................................................................................. 48 Větrná energie ............................................................................................................... 48 Elektřina ze slámy .............................................................................................................. 49 Cena slámy ..................................................................................................................... 49 Doprava palivové slámy ................................................................................................. 49 Cena Miscanthusu .......................................................................................................... 50 Výstavba elektrárny ....................................................................................................... 50 Výrobní náklady ............................................................................................................. 51 Doba návratnosti............................................................................................................ 53 Životnost elektrárny ....................................................................................................... 54 Diskontní sazby .............................................................................................................. 54 Náklady na údržbu a výstavbu ....................................................................................... 54 Ceny paliva ..................................................................................................................... 54 Účinnost a zatížitelnost .................................................................................................. 55 Shrnutí ................................................................................................................................ 56 9
Použitá literatura: .......................................................................................................... 57
4
1
ÚVOD
Produkty spalování biomasy ve formě popela se v současnosti využívají pro zemědělství a lesnictví. Část popela z energetického spalování uhlí se dlouhá léta přidává do stavebních hmot, především do betonu. Díky nárůstu elektráren a tepláren spalujících biomasu roste i množství produkovaného popela z biomasy. Množství již není možné uplatňovat na obhospodaření půdy, protože půda snese jen malé množství popela, má-li být aplikace prospěšná. Nabízí se řešení, které počítá s uplatněním popela z biomasy stejným způsobem jako je tomu v případě popela uhelného. Popel z biomasy má rozdílné parametry ve srovnání s popely z uhlí. Aby bylo možné popel z biomasy používat podobným způsobem, musejí se identifikovat rozdíly a vyhodnotit normové parametry, které jsou v současnosti platné pro použití uhelného popela jako aditivum do betonu. Na základě srovnání bude možné stanovit návrhy na úpravy norem směrem k možnému využití popela z biomasy. Zatímco evropské normy jsou více orientovány na specifikace materiálu, americké ASTM více popisují požadovanou “performanci” výrobků. Existují cenné výzkumy, které porovnávaly popely ze spaloven biomasy a z elektráren, kde je biomasa používána jen jako přídavek k uhelnému palivu. Vlastnosti popelů se testovaly dle odpovídající ASTM C 618 a také na odolnost vůči alkáliím, síranům a na reaktivitu. Dále bylo u většiny vzorků zjištěno krystalografické složení pomocí roentgenové difrakční analýzy (RTG) a morfologie povrchu byla pozorována elektronovým mikroskopem. Výzkumy prokázaly, že některé popely z biomasy splňují standard pro zabudování do betonu, ale některé vzorky neprošly. Ukázalo se, že nevyhovující vzorky nesplnily některý z méně důležitých faktorů, jako je například jemnost. Tento fakt ovšem není ve skutečnosti tak závažný. Potvrdil se předpoklad o normových předpisech, které byly po desetiletí šité na míru betonům z portlandských cementů a jen obtížně připouští materiálové změny. Nové trendy ale vyžadují razantní přehodnocení platných norem a aktivní přístup v prosazování nových technologií. Tato studie popisuje základní údaje o biomase, souvislosti pro následné použití popela, jako produktu spalování. Shrnuje poznatky z oblasti lesnictví a hlavně dosavadní úspěchy vědy v oblasti používání popelů z biomasy pro výrobní účely. Oblast zájmu leží ve stavebnictví a současným cílem je vývoj prvků malé a střední prefabrikace. To je zásadní průlom v používání odpadového produktu spalování hmoty rostlinného a živočišného původu. Zatímco dosavadní převážné využití se odehrává na polích a v lesním zemědělství, budoucnost musí nabídnout i jiné alternativy vzhledem k ohromnému nárůstu energetického spalování biomasy.
5
2
BIOMASA
Biomasa je biologický materiál získaný z živých nebo převážně živých organismů. V souvislosti se získáním energie z biomasy jsou tímto materiálem myšleny hlavně rostliny a dřeviny, ale za biomasu je možné považovat i odpady ze živočišné výroby. CHEMICKÉ SLOŽENÍ Biomasa je založena na uhlíkovém základu a je složena ze směsi organických molekul obsahujících vodík, kyslík, dusík a také malé množství jiných atomů, včetně alkálií a těžkých kovů. Tyto kovy jsou často obsažené i ve funkčních molekulách jako jsou porfyry, které obsahují chlorofyl, jehož součástí je i hořčík. ROSTLINNÝ MATERIÁL Uhlík použitý ke stavbě biomasy je absorbován z atmosféry jako oxid uhličitý, a to díky fotosyntéze. Rostliny mohou být požity zvířetem a tím se přemění na biomasu živočišnou, ale primárně se zabýváme rostlinami jako takovými, jelikož právě zde se odehrává základní absorpce. Pokud není rostlina snězena zvířetem, jednoduše se rozloží s pomocí mikroorganismů, nebo se spálí. Pokud se rozloží, uhlík se znovu uvolní do atmosféry ve velké části jako oxid uhličitý nebo metan. Záleží na okolnostech a procesech, které mají zásadní vliv. Při hoření se uhlík vrací do atmosféry v podobě oxidu uhličitého. Takové procesy se dějí od dob vzniku rostlin a jsou známé jako koloběh uhlíku. FOSILNÍ PALIVA Fosilní paliva jako je uhlí, ropa a plyn jsou deriváty biologického materiálu, neboť tento materiál absorboval oxid uhličitý z atmosféry před mnoha miliony let. Jako paliva nabízejí vysokou koncentraci energie, ale k využití takové energie je zapotřebí palivo spálit. Oxidací uhlíku na oxid uhličitý a vodíku na vodu. Využitím fosilních paliv dochází k uvolnění uhlíku, který byl do nich zabudovaný před miliony let, do atmosféry a tím se přispívá ke zvýšeným koncentracím v atmosféře. ROZDÍL MEZI BIOMASOU A FOSILNÍMI PALIVY Jeden zcela zásadní rozdíl mezi biomasou a fosilními palivy spočívá v časovém měřítku. Biomasa si bere uhlík z atmosféry během svého růstu a vrací ho při hoření ve formě oxidu. Pokud je celý proces řešen jako udržitelný, je biomasa pěstovaná jako součást neustále obnovovaných sklizní. To je většinou součástí lesnické nebo zemědělské činnosti, nebo jako cílený management osazování ploch na pohlcování oxidů uhlíku. A takové dávky získaného oxidu uhličitého jsou stejné jako ty, které jsou během pálení uvolněny. To je princip nulové bilance oxidu uhličitého u biomasy. Tento způsob udržuje koloběh uhlíku uzavřený a takovým způsobem, že se nezvyšuje hodnota atmosférického oxidu uhličitého.
6
KATEGORIE BIOMASY V rámci této definice může biomasa pro energii zahrnovat celou řadu materiálů. Ekonomika představuje mechanismus, který zabraňuje uplatnění kvalitního materiálu z biomasy v energetice. Kvalitní a velké kusy řeziva jsou lépe uplatnitelné na alternativním trhu jako např. stavební materiál, tedy za vyšší cenu. Na druhou stranu existuje ohromné množství zbytků, jakožto spoluproduktů kvalitních výrobků a odpadu, který je k dispozici potenciálně právě pro energetické účely. Jsou k dispozici ve velkém množství, za relativně malou cenu, nebo dokonce za protiúčet, neboť v současnosti evropská legislativa vyžaduje vysoké taxy za skládkování odpadu. Existuje pět základních kategorií biomasy: Panenské dřevo: z lesnické produkce nebo ze zpracování dřeva Sklizeň energetických plodin: vysoce výnosné plodiny pěstované cíleně pro energii Zemědělské zbytky: zbytky ze zemědělské činnosti a živočišné výroby Potravinové zbytky: z výroby jídla a nápojů, přípravy a zpracování a konzumace Průmyslové odpady a meziprodukty: z malovýrobních a industriálních procesů PROČ POUŽÍVAT BIOMASU Biomasa je obnovitelné palivo s nízkým obsahem uhlíku, které je poměrně rozšířené a ekonomicky výhodné v rámci Evropské unie. Její produkce a používání také přináší jisté výhody pro naše životní prostředí. Správně ošetřené a zpracované palivo z biomasy znamená obnovitelný zdroj, který umí ve srovnání s fosilními palivy zajistit výrazné snížení emisí uhlíku v atmosféře. PROBLÉMY SE SPALOVÁNÍM FOSILNÍCH PALIV Spalování jakéhokoliv paliva na bázi uhlíku přeměňuje uhlík na oxid uhličitý. Fosilní paliva mají v sobě uložený uhlík z dob před miliony let. Jeho uvolnění nenaruší rovnováhu prvků na planetě, ale rapidně zvýší koncentrace plynu, který je pro život nebezpečný. Problém spočívá v časovém měřítku uvolňování zásob uhlíku ve fosilních palivech. Proti jeho používání hovoří i fakt, že uhlík je v něm mnohem koncentrovanější.
7
SKLENÍKOVÝ EFEKT Oxid uhličitý je jeden z plynů, které přenášejí viditelné světelné paprsky ze slunce na Zemi, ale zároveň absorbují infračervené paprsky vyzařující ze země a tím zabraňují jejich unikání do prostoru vesmíru. Tímto způsobem dochází k ohřívání zhruba o 33°C více než byla původní hodnota. Tento jev se nazývá skleníkový efekt a jedná se o ten stejný princip, který probíhá ve skleníku na zahradě. SKLENÍKOVÉ PLYNY Plyny, které mají výše uvedenou schopnost, jsou známé jako skleníkové plyny. Mezi nejzávažnější patří Oxid uhličitý Metan Oxidy dusíku Vodní pára GLOBÁLNÍ OTEPLOVÁNÍ Koncentrace skleníkových plynů v atmosféře se zvyšuje od dob průmyslové revoluce a počátku spalovacích motorů. Tento nárůst způsobuje vyšší teplotu v atmosféře. Obecně se tento soubor propojených procesů nazývá globální oteplování, které způsobuje celosvětové změny klimatu. POUŽÍVÁNÍ BIOMASY PRO ZAJIŠTĚNÍ UHLÍKOVÉ ROVNOVÁHY Spalování biomasy (přímé nebo nepřímé) jako paliva také dodává oxid uhličitý do atmosféry. Nicméně v tomto případě je uhlík součástí uzavřeného cyklu. Uhlík byl navázán během růstu rostliny a je vypuštěn zpět při jejím využití jako paliva. To všechno probíhá v řádech maximálně let nebo desítek let. Uvolněný oxid uhličitý umožňuje opětovný růst rostlin a vytváří se tak rovnováha mezi uhlíkem získaným a uvolněným (obrázek 1).
8
Obrázek 1: Koloběh uhlíku (a) Stromy na plantáži pro energetické plodiny rostou a váží na sebe oxid uhličitý z atmosféry; (b) Během fotosyntézy se váže uhlík ve dřevní hmotě a do atmosféry se uvolňuje kyslík; (c) Po sklizni je dřevo nebo obecně palivo převezeno do elektrické nebo tepelné (nebo kogenerační) jednotky na spalování; (d) Dřevo se pálí v elektrárně nebo teplárně a uhlík obsažený ve hmotě se mísí s kyslíkem za vzniku tepla a oxidu uhličitého, to jsou výfukové plyny, nebo-li zplodiny. Množství biomasy, která vyroste na jednom konkrétním stanovišti za rok, se nazývá roční přírůstek (obmýtí). Pokud máme k dispozici data o množství dodaných látek a porovnáme je s ročním přírůstkem, tak můžeme hovořit o udržitelném procesu, pokud výsledek dokládá, že naroste více hmoty. Biomasa je v tomto případě palivo s nízkou produkcí uhlíku a absorpce vůči emisím CO2 je v rovnováze. Například v lesích Velké Británie je roční přírůstek veškeré dřevní hmoty okolo 20 milionů tun. Do této položky ale není započtena hmota ze zemědělské činnosti a ostatní vegetace mimo lesy a pole. Žádné palivo nebo zdroj energie není zcela CO2 neutrální, a to ani v případě biomasy. Není to skutečně tak, ačkoliv je to jeden ze základních argumentů oproti masově používaným fosilním palivům. Biomasa samotná produkuje malé množství uhlíku, ale procesy spojené s pěstováním jsou činnosti, které emitují standardně velké množství uhlíku do atmosféry. Jsou to například sazečské činnosti, obhospodařovávání, zpracování nebo doprava. Nejvíce závažné jsou produkce a aplikace fertilizerů a pesticidů, poměrně veliké množství emisí vyvolává i nadměrná administrativa.
9
Výhody z používání biomasy: Při správném řízení procesů je biomasa opravdu udržitelný zdroj energie. Palivo, které nabízí výrazné snížení množství oxidu uhličitého ve srovnání s emisemi z paliv fosilního původu a mnoho dalších neméně důležitých faktorů. Biomasa může být lokálním zdrojem, s pomocí jasného plánování ji lze využít jako bezpečnou surovinu s nepřetržitou dodávkou. Lokální pěstování biomasy a její využívání vytvoří nová pracovní místa a je možné osadit i nevyužité venkovské oblasti. Po vybudování místních sítí produkce a užití biomasy a po maximalizaci výnosů se sníží náklady na dopravu a to bude znamenat přínos pro životní prostředí. Ve většině evropských zemí jsou vhodné podmínky pro pěstování biomasy, ačkoliv některé oblasti budou mít větší výnosnosti nežli jiné. Lesy, louky a pole jsou vnímány jako prvky souznění se životním prostředím a jsou společností pozitivně vnímané. Takové oblasti zpravidla nabízejí i vhodná místa pro turistiku a odpočinek. Mnoho paliv z biomasy emituje do ovzduší mnohem méně škodlivin než fosilní paliva. Jedná se hlavně o oxidy síry, které se podílejí na vzniku kyselého deště. Moderní systémy na spalování biomasy jsou velice inteligentní a nabízejí účinnost spalování a hladinu emisí srovnatelné s nejlepšími kotli na fosilní paliva. Zbytky z biomasy, štěpky a jiné spoluprodukty dřevařského průmyslu a odpad, který se nepoužije pro energetické účely, se často zaváží do zemní skládky. Takový postup vyvolává velké náklady za skládkování a plní již tak dosti limitované prostory. Ve skládce dochází k uvolňování skleníkových plynů, především jde o metan. Metan způsobuje skleníkový efekt asi 20krát více než oxid uhličitý. Proto je ukládání dřevitých materiálů na skládky značně nevýhodné a z hlediska životního prostředí je lepší likvidace pálením.
10
3
POPEL Z BIOMASY – ODPAD ČI SUROVINA
Zvýšený zájem o energetické využívání dřevní suroviny s sebou přináší nárůst produkce dřevního popela. Dokonalým spálením dřevní hmoty vzniká 6-10% popela (Obrázek 2). Při předpokládaném zvyšování objemu spalované biomasy může popel do budoucna představovat závažný problém. Na druhou stranu může však být i významnou druhotnou surovinou. Chemické rozbory potvrzují příznivé zastoupení živin a prvků pro využití popela jako přírodního hnojiva omezující acidifikaci půdy a potenciální nevyváženost živin. Složení popela kolísá v závislosti na vstupní surovině a procesu zpracování. Širšímu použití popela jako hnojiva musí předcházet jeho chemický rozbor a zjištění potřebné hnojivé dávky. Dosavadní zahraniční poznatky potvrzují příznivý hnojivý efekt na většině stanovišť.
Obrázek 2: Skládka ložového popela ze spalování biomasy V posledních letech se zvyšuje zájem o energetické využití dřevní biomasy. Česká republika se při vstupu do EU zavázala do roku 2010 zdvojnásobit podíl obnovitelných zdrojů energie na 6%, do roku 2030 by tento podíl měl dosáhnout 18%. Jednou z možností dosažení tohoto závazku může být spalování biomasy, zejména dřeva. Spalováním dřevní suroviny (kůry, dřeva, pilin, listí, štěpky, celulózy, kalů z celulózových a papírenských odkalovacích nádrží, nebělených dřevěných vláken apod.) vzniká dřevní popel. Dokonalým spálením dřeva vzniká průměrně 6–10% popela. Nedřevnatá příměs jeho podíl zvyšuje. Fyzikální a chemické složení popela závisí na charakteru spalované suroviny, místě jejího původu, způsobu zpracování dřeva a technologii procesu spalování. Popel obsahuje mnoho makro i mikroelementů, potřebných pro růst rostlin a většina těchto živin je původně získána z půdy a atmosféry v průběhu růstu stromu. Popel je všeobecně zásaditý s vysokým podílem vápníku, hořčíku, fosforu, draslíku a dalších prvků. Obsah uhlíku značně kolísá podle použité technologie spalování, efektivním spalováním vzniká světle 11
hnědý popel s minimálním obsahem uhlíku. Obsah dusíku je nízký a aplikací popela se nezvyšuje vstup dusíku do prostředí. V terminologii komerčních hnojiv má průměrný vzorek dřevního popela základní živiny dusík - fosfor - draslík (N-P-K) v poměru 0-1-3. Kromě makroelementů je popel také zásobárnou mnoha živin ve stopovém množství, které jsou potřebné pro růst rostlin. Prvky představující environmentální problémy jsou v popelu zastoupeny velice řídce. Koncentrace těžkých kovů v popelu je obecně nízká a podobná půdám, na kterých spalovaná biomasa vyrostla. Pokusy s vyluhováním kadmia a dalších těžkých kovů z granulovaného popela simulovaným kyselým deštěm ve Skandinávii prokázaly velice pozvolné vyluhování. Těžké kovy lze z popela separovat během zpracování. Tento technologický krok ale výrazně zvyšuje náklady na výrobu. Popel lze považovat za vhodné přírodní hnojivo dodávající nedostatkové prvky, svým složením se může blížit dnes běžně používanému vápenci. Zpětným rozptýlením dřevního popela v lesích lze působit proti pokračující acidifikaci půd a potenciálnímu nedostatku živin v budoucnosti a tím přispět k trvalé udržitelnosti lesní produkce. Obsah látek v popelu je však značně variabilní, proto musí širšímu využití popela předcházet jeho rozbor. VYUŽITÍ DŘEVNÍHO POPELA V LESNICTVÍ
Obrázek 3: Využití popela na výživu půdy Spalování biomasy přimělo některé státy k vypracování návodů na využití popela v zemědělství a lesnictví. Problematika využití dřevního popela jako hnojiva je dlouhodobě řešena ve státech s vysokým potenciálem dřevní suroviny (Skandinávie, Severní Amerika, Rakousko), většina dosavadních poznatků tak pochází z těchto oblastí. Aplikace dolomitického vápence snižuje aciditu půd se současným dodáním živin, zejména vápníku a hořčíku. Aplikací dřevního popela se kromě dodání vápníku a hořčíku zvýší i obsah draslíku, fosforu a dalších prvků. Doporučovaná dávka popela v současnosti dosahuje 3–4 tuny za dobu obmýtí na hektar v závislosti na stanovištních podmínkách a složení popela. Pokusně však byly aplikovány výrazně vyšší dávky bez náznaku negativního vlivu na lesní porosty. Výsledky půdních rozborů v Německu a Skandinávii potvrdily hnojivý efekt popela, 12
míra zvýšení pH a zásoby živin závisely na stanovištních podmínkách, složení popela a jeho dávce. Neutralizační efekt hnojení je poměrně dlouhodobý. Pokud nebyl popel zapracován hlouběji do půdy, změny půdních vlastností se týkaly pouze svrchních půdních horizontů. Změna pH a dodání živin může na některých stanovištích způsobit zvýšené vyplavování sloučenin dusíku vlivem narušení vzájemného poměru živin a zrychlení mineralizace humusových vrstev. Změny půdních charakteristik se mohou příznivě projevit na růstu a zdravotním stavu porostů. Dosavadní výsledky potvrzují nárůst obsahu živin v kořenech a zmnožení produkce a větvení jemných kořenů. Intenzivní růst kořenů se může příznivě projevit i zvýšením přírůstu stromů, míra zvýšení však závisí na stanovištních podmínkách, složení popela, dřevině, jejím věku a délce sledovaného období. Nejvýraznější nárůst objemového přírůstu porostů byl zjištěn ve Skandinávii na primárně chudých rašelinných půdách po předchozím odvodnění. Dřeviny mohou reagovat na hnojení popelem také prodloužením vegetační sezóny. U buku bylo zjištěno její prodloužení až o 14 dnů vlivem opožděného zbarvení a opadu listí. Přísun draslíku z hnojiva by však měl ovlivnit vyzrávání výhonů a eliminovat nebezpečí jejich poškození časnými mrazy. Dřeviny po hnojení vykazují vyšší odolnost vůči poškození biotickými faktory, ve Švédsku byla zjištěna nižší náchylnost kořenů k poškození houbovými patogeny. Na plochách hnojených dřevním popelem se projevil rovnoměrnější růst nadzemní a podzemní části dřevin a byla pozorována zvýšená vitalita kořenů. Na úpravu chemismu půd mohou negativně reagovat ostatní složky prostředí (vegetace, půdní biota), tato reakce je však podobná reakci na obdobné vápnění či hnojení. APLIKACE DŘEVNÍHO POPELA V ČR Dřevní popel jako jemný prášek byl v minulosti aplikován rozprašováním nebo ve vodném roztoku. Pro obtíže při transportu a aplikaci (vysoká prašnost, nasáklivost) se v současnosti přechází spíše k jeho granulaci nebo jiné formě hutnění. Použitá technologie granulace může ovlivnit průběh vyplavování živin. Výzkumy poukazují na určitá rizika uplatnění popela jako hnojiva v závislosti na použité technologii aplikace, stanovištních podmínkách a složení popela. Při mechanizované aplikaci zvyšuje pohyb stroje po porostu nebezpečí hutnění půdy a poškození kořenů a slabě stabilizované popeloviny mohou zapříčinit poškození přízemní vegetace. Na některých chudších lokalitách může dojít sníženou přístupností dusíku k poklesu přírůstu a při použití nevhodného popela vzniká nebezpečí nahromadění těžkých kovů a dalších toxických látek v půdě. Použití popela jako hnojiva proto musí předcházet chemický rozbor popela a posouzení stanovištních podmínek. Teprve na základě zhodnocení výsledků šetření lze navrhnout dávku a postup hnojení. V lesním prostředí byly zkoušeny aplikace různého množství (rozpětí 1 až 16 tun na hektar). Ukázalo se, že nižší dávky a opakovaná aplikace jsou z hlediska využitelnosti prvků dřevinami vhodnější. V průběhu aplikace dřevního popela na půdu musí být kladen velký 13
důraz na ochranu materiálu před splachem na nechtěný povrch či do spodní vody. Obecně nejvhodnějším termínem pro aplikaci je podzim. Půdní pH je v tomto období nižší, půdy jsou obvykle sušší a lépe prostupné a popeloviny mají dostatek času reagovat s půdou před zvýšenou potřebou živin pro růst v jarním období. SOUČASNÉ VYUŽÍVÁNÍ DŘEVNÍHO POPELA V ČR Produkce dřevního popela je u nás všeobecně nízká a jeho využívání neexistuje. Popel z domácností spalujících dřevo je omezeně používán do kompostů a pro zahrádkářské účely, většinou však končí jako součást domovního odpadu. Také využití popela produkovaného z větších zdrojů (zpracovatelé dřevní hmoty, kotelny na biomasu) je zatím omezené, popel se většinou ukládá spolu s dalším odpadem na běžných skládkách. Možnost spalování biomasy nabízejí pouze některé elektrárny podniku ČEZ, podíl spalování biomasy je však nízký. Biomasa se přidává jako doplněk ke spalovanému hnědému či černému uhlí nebo lignitu. Vlastnosti vzniklého popela jsou díky omezenému množství spalované biomasy velice blízké běžnému elektrárenskému popílku. Zdroje dřevního popela u nás existují, ale jeho větší využívání je zatím omezeno z důvodu rozptýlenosti zdrojů, nízkému objemu spalované biomasy a časové rozkolísanosti produkce. Možnost návratu odejmutých živin do lesního prostředí dělá z dřevního popela významný prvek udržitelného hospodaření v lesích. Míra jeho využívání u nás bude záviset na legislativním zázemí a ekonomické náročnosti výroby a aplikace.
PRÁVNÍ ASPEKTY PRO POUŽITÍ DŘEVNÍHO POPELA V otázce možného využití dřevního popela hraje velkou roli základní status tohoto materiálu, tzn. jakým způsobem bude producent popela deklarovat výsledný produkt spalování biomasy. Bude-li s ním producent dále nakládat jako s odpadem v režimu zákona č.185/2001 Sb. o odpadech, nebo tento materiál certifikuje a bude ho deklarovat jako výrobek podle zákona č. 22/1997 Sb. o technických požadavcích na výrobky nebo zákona č. 156/1998 Sb. o hnojivech, v platných zněních. Z právního hlediska může být na popel nahlíženo jako na odpad nebo surovinu, pokud bude následně využit jako výrobek (tedy např. registrované minerální hnojivo). Je-li dřevní popel původcem deklarován jako odpad, je jeho další využití možné pouze v zařízeních určených k tomuto účelu (např. kompostárnách) podle zákona o odpadech. Zařízení k využívání odpadů lze provozovat pouze na základě rozhodnutí příslušného krajského úřadu a musí být dodrženy požadavky uvedené v příloze č.11 k vyhlášce MŽP č.294/2005 Sb. o podmínkách ukládání odpadů na skládky a jejich využívání na povrchu terénu. Daný odpad pak musí splňovat požadavky na nejvýše přípustné koncentrace škodlivin v odpadech dané v příloze č.10 k této vyhlášce.
14
Původce odpadu může navrhnout i jeho využití na zemědělské půdě. Podmínky pro využití odpadu na povrchu terénu jsou dány vyhláškou č. 294/2005 Sb. Aplikace dřevního popela jako odpadního produktu na lesní půdu není v současné době možná; podle § 20 odst. 1. písm. zákona č. 289/1995 Sb. o lesích, je zakázáno znečišťovat les odpady. Na druhou stranu, pokud byla biomasa odebrána z lesa a nebyla smíchána s jinými zdroji, je návrat popela pouze uzavřením koloběhu živin, jež byly z lesního ekosystému odebrány. Další možností je dřevní popel certifikovat jako výrobek, tedy např. jako registrované hnojivo, materiál do stavebních hmot aj. Takový materiál pak musí deklarovat určitou kvalitu a stálost jakostních znaků. Vzhledem k poměrně široké škále faktorů ovlivňující vlastnosti dřevního popela může být problematické zejména dodržení přípustných odchylek od hodnot chemických a fyzikálních vlastností a v obsahu deklarovaných látek. V případě registrace dřevního popela jako minerálního hnojiva musí být při zacházení s ním dodržena ustanovení zákona o hnojivech č.156/1998 Sb. v platném znění, který stanovuje základní podmínky pro uvádění hnojiv do oběhu a jejich používání na zemědělské i lesní půdě.
Podle tohoto zákona je možné do oběhu uvádět pouze hnojiva registrovaná, splňující požadavky dané zákonem a u nichž obsah rizikových prvků a rizikových látek nepřesáhne hodnoty stanovené vyhláškou (vyhl. MZe č.474/2000 Sb. o stanovení požadavků na hnojiva, tab. 2). Zákon dále také stanovuje přípustné odchylky od hodnot chemických a fyzikálních vlastností uvedených v rozhodnutí o registraci hnojiva a v označení obsahu živin, jejich formy a rozpustnosti (příloha č.2 k vyhl. MZe č.474/2000 Sb.). O registraci hnojiva rozhoduje Ústřední kontrolní a zkušební ústav zemědělský (ÚKZÚZ). Ten může vydat rozhodnutí o registraci, splňuje-li hnojivo zákonem stanovené požadavky a odpovídá-li hnojivo typu uvedenému ve vyhlášce. Dřevní popel typově neodpovídá žádnému z uvedených hnojiv a doposud jeho vlastnosti nebyly ani tímto ústavem přezkoušeny. V takovém případě by ÚKZÚZ musel nejprve provést přezkoušení vlastností biologickými zkouškami a testy (rozhodnutí o registraci se pak může zdržet na 12 až 36 měsíců). Stanovisko vydané ÚKZÚZ pak v rozhodnutí o registraci uvede mimo jiné i možná omezení pro uvedení do oběhu a při používání a dobu platnosti rozhodnutí (tj. zpravidla 5 let). Obsah těžkých kovů v popelu z dřevní biomasy, alkalita a přítomnost spečenin významně ovlivňují jeho následné materiálové využití, tzn. zda popel bude možno druhotně využít, nebo bude vhodný pouze k uložení na skládku. V současné době je u nás kompostování nejvíce používaným a za současného stavu i nejsnazším způsobem materiálového využití popela z dřevní biomasy. Pokud bude ve výsledném substrátu dodržen obsah těžkých kovů i další jakostní znaky (pH) požadované příslušnou normou, je tento způsob využití zcela v souladu s právní regulací jeho využívání. 15
Z pohledu praktického využití dřevního popela jako zdroje živin (zejména Ca, K, Mg, P a stopových prvků) se jako nejsnazší další možností jeví jeho využití k hnojení lesních a zemědělských půd. V případě lesních půd se dřevní popel může využívat k úpravě pH půdy a navracení odejmutých živin po těžbě. V loňském roce činila potřeba vápnění v lesích na území ČR 603 ha. Nemalý význam má i hnojení lesních půd, kterých bylo podle loňské Zprávy o stavu lesa a lesního hospodářství ČR celkově ošetřeno 1313 ha. Pokud bude odebírána veškerá biomasa lesního porostu, jak je tomu například ve Finsku, tak navracení živin zpět do lesního ekosystému bude jen logickým uzavřením jejich koloběhu. V takovém případě pak bude vhodné tuto problematiku legislativně ošetřit po vzoru skandinávských států. Při hnojení dřevním popelem na zemědělských půdách využívaných pro potravinářskou produkci je prioritní dbát na minimální obsah rizikových látek v aplikovaném popelu a na dodržování správných agrotechnických opatření jeho aplikace. V případě zemědělských půd určených k nepotravinářskému využití lze doporučit používat popel k hnojení ploch určených k produkci biomasy pro energetické využití, čímž se podobně jako u lesní půdy docílí uzavření koloběhu živin v ekosystému. Hnojením je navíc dosaženo vyšší produkce biomasy určené pro energetické účely. Osvědčeným způsobem je i míchání dřevního popela s čistírenskými, papírenskými kaly či jinými organickými hnojivy. Z praktického hlediska je vhodné sledovat původ dřevní biomasy, neboť obsah těžkých kovů je primárně závislý na spalované dendromase - podílu dřevní hmoty, kůry a asimilačních orgánů i různých příměsí (nátěrové hmoty apod.). Nemalý význam má i imisní zátěž regionu, což se následně projeví v obsahu těžkých kovů v popelu. Z hlediska následného zpracování popela je významný i podíl minerálních nečistot, zvláště zeminy, ve spalované biomase, což se v popelu projeví zvýšeným obsahem spečenin. Z výše uvedených důvodů lze odběratelům doporučit odebírat dřevní biomasu od subjektů, které jsou schopny zaručit čistotu a původ této biomasy, neboť čistota vstupní suroviny výrazně usnadní výběr vhodné možnosti materiálového využití popela.
16
4
DOPADY NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
ALKALITA A TOXICITA Srovnávací analýzy mezi komerčně využívanými hnojivy a popelem z biomasy provedl tým amerických vědců (Naylor, Schmidt, Campbell) v letech 1986-1996. Cílem bylo obhájit používání dřevních popelů z energetických procesů na obhospodaření půdy, zemědělství a meliorace, aby nebylo nutné popel ukládat do povrchových skládek. Ve skupině současně používaných hnojiv dominovaly mletý vápenec, hašené vápno a potaš. Součástí projektu bylo i srovnání právních podmínek pro použití popela k zemědělským účelům pro jednotlivé americké státy a země EU, např. Dánsko. V rámci US není popel klasifikován jako nebezpečný odpad, neboť neexistují kritéria pro pH u pevných látek. Některé státy, jako Washington, má předepsanou hranici pH stanovenou na 12,5. Potom je popel označen jako nebezpečný. V jiných státech je použití popela ke hnojení řízeno řadou administrativních kroků, které vykonává žadatel (majitel zemědělské půdy, který popel vyžaduje). Proces se řídí půdními a topografickými mapami, analýzami půdy a doporučením půdního experta. Ten určí množství a vhodnost použití popela vzhledem k pěstované plodině. Takové kroky zaberou okolo 6 měsíců od chvíle, kdy producent popela zašle dokumenty na dotčené úřady a ten rozešle kopie všem zúčastněným stranám, až do doby, kdy je vydané souhlasné stanovisko od odboru ochrany životního prostředí. Tento postup zároveň snižuje producentům popela náklady na skládkovné až o 33 – 66% (v EU v Dánsku je to v současnosti při produkci 2,500 t/ročně asi 1 milion dánských korun ročně). Schopnost popela neutralizovat půdu je v USA charakterizována ekvivalentem uhličitanu vápenatého vyjádřena procentem (kde se standardní vápenec rovná 100%). Ekvivalent (ENV) pro popel z energetických procesů byl stanoven (Vance 1996) na 48,1%, ale rozpětí u 18 vzorků bylo od 13,2 - 92,4%. U čistého dřeva je ENV rovné 115% a u mixu s kůrou a znečištěným odpadním dřevem je to okolo 64%. Efekt zvýšení zásaditosti po přidání popela na pH upravované půdy je výsledkem obou složek uhličitanů (vápenatý a hořečnatý) a také jemností mletí (vyjádřené jako procenta materiálu, který projde síty o velikosti 20 a 100 mikronů). Dřevní popely mohou obsahovat nějakou část úplně nespálených uhlíků v závislosti na spalovací účinnosti, které redukují konečnou schopnost neutralizace. Tam, kde jsou požadované neutralizační dávky pro standardní vápenec při 100%, tam je vhodné použít dřevní popel dle následujících vzorců:
17
Doporučená dávka vápna (kg/ha) x (100ENV vápno/ENV popela) (ENV = ekvivalent neutralizační hodnoty) Změna pH v půdě, která se může projevit, také souvisí s původním chemickým a fyzikálním složením půdy (proměnné obsahy hliníku, saturace organických látek v půdě). To vše má vliv na součet vlivů na uhličitany. DOPORUČENÉ DÁVKOVÁNÍ Experimentální práce pro studie se prováděly na ekvivalentech k mletému vápenci. Použití dřevního popela proběhlo na dva druhy zeminy, popel byl jen z tvrdého dřeva spáleného v domácích kamnech (při relativně nízkých teplotách). Bylo vyrobeno šest vzorků smícháním množství popela s půdou ve válci do homogenizované podoby v malých nádobách. Použité ekvivalentní poměry: 0, 2.2, 4.5, 9.0, 17.9, 35.9 tun/ha vzorků byly vystaveny periodické závlaze při 25°C po dobu 60 dní. Simulovaly se standardní podmínky vlhnutí a schnutí. Výsledné vzorky se měřily na pH a chovatelné živiny. Obě testované zeminy měly původně pH 5.7, resp. 4.8. Hodnoty změny pH pro oba případy neutralizace (standardní vápno a popel z biomasy) jsou popsány níže, pro ekvivalenci 47 - 50%. Pro zvýšení pH u první zeminy na 6.2 by se muselo přidat 9,7 t/ha vápna a 17 t/ha dřevního popela. STABILITA ÚČINKŮ Prvky standardně obsažené v půdách a jejich stabilita (zdroje jiných oborových studií) jsou měřeny po aplikaci fertilizerů. Předávací schopnost vápníku je velmi závislá na dodávané formě popela, který se pomalu uvolňuje (i několik let) z popela granulového a rychle uvolňuje z lehkého jemného popela (Steenari 1998). To způsobí odpovídající vzrůst pH v půdě. Na základě poznatků z dlouhodobých studií se ukázalo, že zvýšené pH se může udržet i 16 let o 0.6 - 1.0 pH jednotek. Ve Finsku se měřilo pH na lesních půdách, upravených popelem. Šlo o vlhká stanoviště ve smrčinách a borech, kde byl režim umocněn vlhkým prostředím. Minerální vrstvy pod 10 cm hloubky vykázaly velice malou změnu pH i po 7 letech od aplikace, ale pH hodnoty se zvýšily po dalších 7 letech. Důvodem byl pomalý přenos látek z horních partií, kde byl popel aplikován posypem. Na základě výše uvedeného je nutné konstatovat, že proces aplikace a hloubka je velice důležitá na výsledný efekt.
18
VÝŽIVA PŮDY DŘEVNÍM POPELEM A DOSTUPNOST ŽIVIN Schopnost transportu kladných iontů pro dřevní popely je stanovena na 2,7 meq/100g (Grim, Etiegni 1991). Uvedená hodnota je podobná neaktivním jílovitým materiálům, jako jsou kaolinity, které jsou v podstatě inertní a nevykazují velké výživné schopnosti při smíchání s jinými látkami. N-P-K Naylor a Schmidt srovnávali dřevní popel s komerčními hnojivy na základě obsahu prvků N, P, K a jejich koncentrací. Pro popely z velkých zařízení na energetické využití biomasy vyšlo 0, 1, 3, ale pro popely z domácích kotlů, kde teplota pálení není tak vysoká, vykazovaly vyšší obsah draslíku a byly ekvivalentní ke hnojivům 0, 3, 14. Pokus ukázal, že draslík je k dispozici lineárně ve funkci s množstvím přidaného popela. Sice jen 18-35% u popela z velkých kotlů, ale 51% z kamen domácího typu je k dispozici rostlinám. To je pravděpodobně způsobeno formováním křemičitanů při vysokých teplotách. Celkově lze srovnat popel a potašová hnojiva tak, že popel je na 65 až 70% výživnosti hnojiva. Mezi oběma testovanými zeminami existuje rozdíl ve schopnosti uvolňování prvků. Uvolňování probíhá ve větší míře u méně kyselé půdy. Vztahy mezi aplikovaným draslíkem a draslíkem k dispozici jsou následující: Půda 5,7: y=165+0,35x Půda 4,8: y=113+0,18x Jiné dostupné studie (Ohno, Erich) tvrdí, že podobnost popelů a hnojiv na dostupnost draslíku je větší, ale oba autoři nebrali v úvahu pH půdy a potažmo rozpustnost prvků. Půdy testované Ohnem se pohybovaly v pH okolo 4.0-6.2. Každopádně oba autoři zmínili snížené množství fosforu a jeho dispozici v dřevním popelu, kvůli velmi nízké rozpustitelnosti, a také vzestup fosforu u nasazené kukuřice v osmi různých půdách se pohyboval od 28 do 70% na rozdíl od komerčních hnojiv. Variabilita zde byla dosažena díky schopnosti půdy tlumit pH s možností uvolnit fosfor pro půdy s maximem pH 6.0-7.0, klesající u pH přes 8.0. Ohno zaznamenal poměrně rychlé uvolnění fosforu do roztoku při jeho experimentech s půdou, následováno poklesem při absorpci. Takový efekt byl největší u půd s nízkým pH, což připisoval možným vznikům železitých a hlinitých fosfátů. Proto se zdá, že v půdě dochází k nějakým konfliktům v mobilitě fosforu po přidání dřevního popela.
19
REAKCE TĚŽKÝCH KOVŮ V PŮDĚ Je poměrně složité určit, zda se těžké kovy v popelu podílejí přímo či nepřímo na reakcích vůči rostlinám či lidem. Ve zprávě z Velké Británie, která vyšla pod názvem „Mezioborová zpráva komise na obnovu kontaminované půdy“ v roce 1987, rozpoutávají koncentrace (mg/kg) kovů v kontaminovaných půdách diskuzi o potenciální obnově kontaminovaných brownfieldů. Seznam je rozdělen podle látek, které jsou nebezpečné pro lidské zdraví, jako je arsen, kadmium, chrom, olovo, rtuť a selen, a ty, které mohou být fytotoxické, ale za normálních okolností nejsou pro lidi nebezpečné. Jedná se o brom, měď, nikl a zinek. Evropské předpisy limitující maximální koncentrace kovů v půdách, hnojených kanalizačními kaly, jsou v principu více přísné na rozdíl od amerických. Proměnnost prvků v popelech, jako jsou zinek, chrom, nikl a měď, může potenciálně překročit současné limity, pokud se aplikují ve větších množstvích, ale kadmium, arsen, rtuť a olovo by mělo být v menší míře problémem do chvíle, než se použije i úletový popílek.
data dle studie výše uvedené data (mg/kg
maximální limity pro hnojení půdy kaly
koncentrace kovů v ložovém popelu (Hakkila)
EU
UK
Dánsko
Švédsko
Německo
As
40
-
-
-
-
-
0,2 až 0,3
Cd
15
1 až 3
3
0,5
0,5
1,5
0,4 až 0,7
Cr
1000
100 až 150
400
30
30
100
40 až 250
Cu
50
50 až 140
135
40
40
60
15 až 300
Hg
20
1 až 1,5
1
0,5
0,5
1
0 až 1
Ni
70
30 až 75
75
15
15
50
40 až 250
Pb
2000
50 až 300
300
40
40
100
15 až 60
Zn
300
150 až 300
300
100
100
200
15 až 1000
Tabulka 1: Limity pro těžké kovy v EU Výskyt mnoha těžkých kovů a prvků v zemědělských hnojivech často překračují koncentrace kovů v ložových popelech z kotlů na spalování biomasy. Mnoho specialistů (např. Alloway, 1995) seskupilo odpovídající data a došlo k závěru, že přidávání fosfátových hnojiv přispívá k 54-58% celkového obsahu kadmia v půdách v západních zemích. V porovnání s dřevními popely je číslo velmi vysoké.
20
Ve státě Maine v USA jsou srovnání provedena s popelem z energetického využití dřeva. Ale koncentrace se stále pohybují pod doporučenými limity. Američtí výzkumní pracovníci všeobecně uvádějí, že změny vyvolané přidaným draslíkem a uhličitany a změny pH v půdě jsou pro použití popela na půdu více limitující, nežli těžké kovy přidané do půdy spolu s popelem z kotlového lože. Rozdílná adsorpce a konsekventní přesuny různých individuálních těžkých kovů v půdách je dost důležitá pro pochopení potenciálního nebezpečí na lidské zdraví prostřednictvím zemědělských plodin. Obecně se v různých studiích došlo k výsledkům (Vance, 1996), že regulační limity pro obsahy těžkých kovů jsou pro půdy v rozmezí pH okolo 5- 7, zatímco u vyššího pH se adsorpce dramaticky mění, při poklesu je i adsorpce nižší. pH půdy
Zn
Cu
Ni
Cd
5.0 - 5.5
200
80
50
5.5 - 6.0
250
100
60
6.0 - 7.0
300
135
75
7.0 a více
450
200
110
Všechny půdy
Pb
3
Hg
300
Cr
1
400
pH menší než 5.0
Tabulka 2: Limity koncentrací kovů po aplikaci kalů Adsorpce kadmia do písčitých a jílovitých půd má vzestupnou tendenci pro každý dílek pH stupnice mezi 4 a 7.7. Díky moderním technologiím bylo možné zjistit, že pH a organické složky jsou klíčovými faktory určující adsorpci kadmia u 22 různých půdních typů. Kadmium je mnohem mobilnější v půdách nežli olovo nebo měď. Alloway a jeho výzkum na více než 50 typech půd a transferu kadmia do sklízených plodin, jakými jsou brambory, mrkev a zelená listová zelenina, špenát a obilniny, ukázal statistické vztahy mezi celkovým kadmiem v půdě a bioakumulací. Avšak kadmium může být absorbováno do uhličitanu vápenatého v půdě s konsequentní redukovanou biodispozicí. Zvýšené koncentrace vápníku v půdě zvýší adsorpční kapacitu písčité a jílovité půdy. Jeden z nejvíce používaných postupů na redukci kadmia v půdě je použití vápna k dosažení pH okolo 7, takže přidání kadmia spolu s popelem a vysokým podílem vápenatých složek může automaticky uzavřít kadmium v půdě (kadmium obyčejně vytěsňuje vápník v těchto sloučeninách). Kadmium se také váže s vodnatými oxidy manganu, veskrze širokého spektra půd a jejich pH a mangan je vydatně zastoupen v obou typech popelů, ložovém i úletovém. Kadmium se pojí i na chloridové ligandy, jak se stává v zasolených půdách, a také na oxidy železa. Takové jevy jsou možné i v případě organických ligandů, ale výsledné sloučeniny nejsou tak stálé a při nízkém pH a 10 až 50% odsorbované látky (kadmium, zinek a měď) jsou 21
měnitelné, na rozdíl od pouhých 1-5% u olova. Jiné studie (Skogforsk) ukázaly, že kadmium v půdách o pH 4.2 (dodané v dusíkatých hnojivech) se stává rozpustné ve slané vodě a může být transportováno až do hloubek okolo 50 cm. Zinek je významný rostlinný stopový prvek. Jeho mobilita v půdě je také závislá na pH půdy, ale ne s takovou razancí jako u kadmia, má vzestupnou adsorpci při poklesu pH hodnot. Takže úroveň zinku je normálně menší v podzolech a luvizolech (28-35 mg/kg) a nejvyšší ve fluvizolech a histozolech (58-60 mg/kg). Zinek je absorbován obráceně díky výměně kationtu při nízkém pH, ale obráceně při průniku do mřížky u jílových částic. Hydroxid zinku utvořený na povrchu jílových částic může způsobit silnou závislost zadržení zinku na pH. Při vyšším pH je normální tvorba zinečnatých uhličitanů. Pro půdy s nízkým obsahem organických částic závisí obsah zinku přímo na chelátových ligandech. Ačkoliv je biologicky aktivní frakce zinku nejvíce rozpustná v kyselém prostředí, tak je přidání do prostředí s nízkým pH následováno maximální adsorpcí půdy tohoto materiálu. Koncentrace zinku zaznamenané v ložovém popelu jsou dobře srovnatelné s ostatními kovy. Zdroj takového faktu není důkladně znám (oxidy nebo uhličitany zinku?), z dostupných analýz obsahují jehličnany 5-10 mg/kg a listnaté dřeviny něco okolo 30 mg/kg (Kennedy, Soil Sustainability Output, 2002). To je velice podobná koncentrace jako u železa, síry a hliníku. Rozsah obsahu zinku v popelu je téměř stejný s koncentracemi měřenými v komerčních hnojivech a okolo jedné poloviny v porovnání s odpadními kaly, které v EU nesmí být použity při množství nad 2500-4000 mg/kg zinku. Maximální dovolené zatížení půdy tímto prvkem je stanoveno na 550 kg/ha, což při započítání počáteční hodnoty v průměrné půdě okolo 80 mg/kg znamená, že na 1 mg/kg vzrůstu koncentrace je nutné přidat okolo 2,5 kg/ha odpadního kalu.
CHROM A NIKL Přírodní výskyt niklu a chromu je dán geologickými poměry. Průzkumy ve Velké Británii ukázaly koncentrace okolo 20-60 mg/kg. Nejvyšší koncentrace jsou v půdách jílovitých a písčito-rašelinných, všeobecně v chudých na jíl. Autoři měření ve Skotsku a Walesu (McGrath, Loveland) uvádějí, že přidaná množství chromu a niklu v rámci komerčních hnojiv (fosfátové typy), odpadních kalů nebo jiných půdních přípravků způsobí nárůst těchto kovů v půdě nad limity v přirozeném stavu. Nutno dodat, že hodnoty v předpisech pro množství chromu a niklu v půdě po úpravě odpadními kaly jsou v EU desetinové oproti nařízením v USA. Hodnoty uvedené u dřevních popelů jsou mnohem menší, nežli je uvedeno u komerčních hnojiv. Na rozdíl od práškového popela z bitumenového spalování, který způsobí často vysoké obsahy chromu a niklu, ale velice malá část toho se vstřebá do rostliny.
22
Oba kovy se stávají vysoce rozpustné při nízkých hodnotách pH. Nikl má potom velice zvýšenou transportovatelnost, pokud se sníží hodnota pH a výměna kationtu. Aktivita chromu v půdě je způsobena funkcí oxidu vlastního prvku, ale trojmocný chrom je finální podobou redukce a ten je posléze méně mobilní s celkovým uvolňováním nad pH 5.5. Zaznamenaly se případy oxidace trojmocného chromu na pH 5 v přítomnosti vysokých hodnot oxidovaného manganu. MANGAN Potřeba manganu jako důležitého stopového prvku je mezi rostlinami důležitá zejména v zemědělství při nižších teplotách, na půdách s vysokým pH, s vysokým obsahem organických složek a uhličitanů (částečně v populacích obilnin a sóji). Dřevní popel má ohromné množství manganu, více mají jehličnany oproti listnáčům. Alloway tvrdí, že oxidace ze dvoumocného manganu na sedmimocný se objevuje v kombinaci s uhličitany, křemičitany a kyslíkem. Tyto oxidy mají rozdílné rozpustnosti, ale dvoumocný mangan je v roztocích mnohem více použitelný pro rostlinu. To je ve velké míře způsobeno dodávkou H+ iontů v půdě, takže graf použitelného manganu vůči pH (H2O) vykreslí přímou linii s maximálními hodnotami 5.5 pH a minima při 7 pH. Nicméně se zmiňuje, že reakce v oblasti rhizosféry mohou mít mnohem větší účinek na dostupnost manganu na kořenech, který se může lišit až o dva stupně od zbytku půdy. Ostrý nárůst vyluhovatelného manganu je detekován při pH 5.5, což se připsalo rozpustnosti MnO2 díky kořenovému prostředí. Některé rostliny, jako je vlčí bob, předvedly schopnost snížit pH v oblasti kořenů a tím umožnit vznik více chelátových látek, nežli v jiných částech půdní hmoty. To má vliv na zvýšení účinnosti při rozpouštění látek obsahujících mangan. V oblasti kořenů je až 50krát vyšší populace mikroorganismů než v jiných partiích půdy. Přesné hodnoty jsou ovšem těžko určitelné díky oxidaci bakterií, které jsou nejúčinnější okolo pH 6-7.5, ale mohou se docela dobře adaptovat na kyselejší prostředí. Není úplně jasné, zda dochází k reakcím i pod úroveň pH 5. Toxicita manganu je často spojována s teplým klimatem a kyselejšími půdami, s údaji z půdy okolo 80-5000 mg/kg, které pocházejí z rýže a jiných plodin. Z literatury poněkud nešťastně vyplývá, že přídavek dřevního popela do teplejších půd zvýší toxicitu, ale může to být naopak příznivý bendit pro zemědělství. Mangan se nevyskytuje v tabulkách pro nebezpečné prvky, jak v EU, tak pro USA.
23
RETENČNÍ SCHOPNOSTI Etiegni, 1991 popisuje dřevní popel a jeho transformaci během závlahy. Popisuje se, že popel je převážně hydrofilní, s bobtnáním částic díky absorpci vody do pórů vlivem kapilárního procesu. Současně s chemickými změnami dochází k hydrataci oxidů za vzniku nových sloučenin. SEmicroskopický snímek dřevního popela odhalil mnoho nepravidelných tvarů anorganických částí s tenkými vrstvami krystalických struktur, které nabobtnaly při zvlhčení v klastry rozetových krystalů. Po 4 týdnech od zvlhčení se expanze zvětšila o 12% oproti původnímu stavu. Pravděpodobně za to může sloužka, která se díky rentgenovým technologiím ukázala jako kalcit, portlandit a křemičitan vápenatý. Tento účinek může být jak prospěšný, tak zhoubný. Zejména v půdách, kde je popel používán jako podpůrný prostředek – v jílovitých půdách mohou být malé póry jednoduše ucpány nabobtnalým popelem, což způsobí pokles schopnosti provzdušnění, ale na druhou stranu, v písčitých půdách s přílišnou drenážní funkcí, může popel mít pozitivní vliv na udržení vody a postupnou výživu rostliny. Jisté pokusy na plantážích vrby ukázaly, že místa ošetřená popelem nemají nějak zásadně odlišné retenční schopnosti než ty bez ošetření. Ve studii (Campbell, 1990) bylo uvedeno, že díky zásaditým podmínkám způsobeným popelem a jeho retenčním schopnostem budou oba typy chemikálií ihned adsorbovány popelem na povrchu. Aplikace popela a jiné typy ošetření (postřiky) by se měly důsledně rozložit, aby se zamezilo podobným synergickým účinkům. ÚNIK VODY Z PŮDY Studie, které se týkají vodní chemie okolo lesní půdy, byly provedeny v USA a Švédsku za použití množství vzorků povrchové vody, metod pro nasákavost půdy, lysimetrů a mělkých čerpacích studní. Výsledky aplikace popela jsou vyčísleny a výsledky z těchto studií jsou seřazeny v tabulce. Následuje výklad hodnot. Data od Kahla shromažďují změny živin měřené lysimetry v čase vlivem řešení chemické úpravy půdy v oblastech, kde se pěstuje bílá bříza a americký buk. Změny v půdních poměrech vykazují minimální účinky při malých dávkách popela, ale masivnější dávky naopak přesytily půdu. Zvýšil se obsah vápníku, hořčíku, chlóru, dusičnanů a sírany byly zachovány do konce experimentu v případě maximální dávky popela. Ovšem nebyl zpozorován žádný případ výluhu stopových prvků. Práce týmu pod vedením Williamse ukázala, že částečně byly navýšeny koncentrace na obou složkách, v půdě Ca a K a ve vodě potom byl pozorován pohyb u Mg a Al, při všech velikostních dávkách popela. U aniontů se největší pohyby vyskytovaly u sulfátů u nejnižších dávek. Také došlo k nějakému nepatrnému navýšení u fosfátů na nízké úrovni dávkování. Nitráty byly pořád vyšší na upravených plochách než na místech, kde proběhla kontrola po 12 týdnech po aplikaci popela. To bylo totožné u nejvyšší hodnoty naměřené u pH (6.25) během experimentu v případě nejvyšší dávky popela. Výskyt těžkých kovů nepotvrdil žádný logický trend nebo souvislost, ale nízké hodnoty kadmia naznačují, že oxidy železa a hliníku 24
v kyselých lesních půdách absorbují kadmium, zinek a mangan. Ztráta dusíku z půdy podle Kahla během nejvyššího dávkování popela byla zaznamenána také u Boehma na stanovišti ve švédském západním regionu u moře, kde roste skandinávská odrůda smrku na velmi kyselém jílovitém podkladu. oblast, autor
Maine, USA, Williams
Maine, USA, Kahl
typ půdy
jílové písky, neznámé pH
písčité spodozoly, kyselé pH 4
množství popela
monitorované účinky půda
voda
11 - 14 Mg/ha
vysoký obsah povrchového K a Ca, beze změny ve 45 cm hloubce. Koncentrace stejné při kontrole po 60 týdnech
malé zvýšení u Ca, K a SO4, těžké kovy byly pod hranicí určitelnosti
6 - 20 Mg/ha
malé zvýšení v základních kationtech, minimální odezva při malých dávkách, zvýšená koncentrace pH zvýšeno na 5, obměnné vodíku, K a SO4 během 20 Ca, K a Mg zvýšeno, Mn a Al měsíců, ztráta dusíku v pokles. Úpravy stejné při roztoku při vysokých kontrole po 25 týdnech dávkách
Finsko, Piirainen
odvodněné bažiny
3-6 Mg/ha
Finsko, Hogbom
kyselé jíly, vysoký obsah dusíku
4,2 Mg/ha
všechna zapopelená místa se zvýšila u Ca, Mg, K a SO4. Některá místa stoupla u P, NH4 a chromu
zvýšené Ca a Mg, pH zvýšeno o 0,2 jednotky
zvýšení u NO3
Tabulka 3: Účinky dřevního popela na výluhy Popel byl aplikován v množství 4,2 Mg/ha a roztoky z půdy byly vzorkované v průběhu následujících dvou let. Výluhy z půdy ukázaly nejen výrazný nárůst vápníku a hořčíku, ale také jistou tendenci ke zvyšování koncentrace dusičnanů v hloubce okolo 50 cm. Ačkoliv toto nebylo statisticky ověřeno, ve dvou ze šesti vzorků se neprojevila mineralizace dusíku v horní vrstvě půdy, a to v rozsahu celého experimentu. Zásoba vzdušného dusíku je na této lokalitě poměrně vysoká, takže se vznik dusičnanů a jejich výluhů zvětšuje během zvýšení pH při přidání popela do půdy. Ve Finsku se tradičně používá práškový popel v zimě na sněhovou pokrývku. Tato úprava ukázala zvýšení ztráty základních kationtů a síranů oproti výluhům v půdě během letních aplikací. Práce, která byla součástí projektu pod názvem „Projekt využití popela z biomasy“ také zaznamenala výluhy živin a těžkých kovů ze dvou odvodněných bývalých rašelinišť.
25
Tato místa byla osázena borovicovým regeneračním porostem, včetně travin z rodu Deschampsia a Vaccinium. Oba typy popelů, jak ložový, tak úletový se testovaly a voda se vzorkovala z malých retenčních vrtů. Jako v případě ostatních prací, úprava způsobila zvýšení vápníku, hořčíku a draslíku u základních kationtů jak u půdy, tak u vody, současně se zvýšenými koncentracemi síranů. Ve stanovišti s vyšším obsahem dusíku z rašeliny byly koncentrace metanu zvýšené, to nasvědčovalo mineralizaci dusíku. Zpozorovalo se malé navýšení chromu na tomto stanovišti, ale žádné zvýšení v koncentracích u spodní vody u prvků zinek, kadmium, měď ani nikl nebylo pozorováno, bez ohledu na dávku popela. Možné účinky na transport dusíku byly popsány ve studii ze Skogforsku, kde někteří ekologičtí aktivisté tvrdili, že by zvýšený růst způsobený rozkladem rašeliny a mineralizací dusíku mohl nasát volné živiny. Ostatní vědci si nejsou ohledně této spekulace jisti, že by k tomu mohlo dojít. Každopádně výše uvedené naznačuje, že počáteční stav dusíku v půdě, ke kterému se přidá popel, je zásadní k potenciálnímu zvýšení množství výluhů.
26
5
ODEZVA ROSTLIN A ŽIVOČICHŮ NA PŘÍDAVKY POPELA
ZEMĚDĚLSKÁ SKLIZEŇ Experimenty na polích i ve sklenících zaznamenaly nárůsty výnosů po aplikaci dřevního popela. Účinky popela jsou známy již několik generací, neboť se historicky používají na obhospodaření zahrad jako aditivum k ovocným stromům a všeobecně k listovým zeleninám, ale nyní provedl americký tým vědců kompletní organizovaný výzkum ve velikém měřítku. Podle (Vance, 1996) mají plodiny rády půdy s relativně vysokým pH, což je možné dosáhnout aplikací popela - tj. travní druhy včetně obilí a kukuřice, alfaalfa a zeleniny. Ze shrnutí výsledků se ukazuje, že nejlepší odezvy od pěstovaných plodin jsou na polích ošetřených poměrně malým množstvím popela, s příslušnou redukcí výnosů nebo obsahu živin nad hranici přibližně 10 Mg/ha. Produkt
množství popela Mg/ha
časový úsek
nárůst
autor
Alfaalfa (živiny ve sklizni)
11
1 rok
udržený
Naylor
pšenice (výnos)
40
45 dní
25-69%
Etiegni
fazole (výnos)
10
90 dní
žádný
Lerner
oves (biomasa)
30 - 50
6 týdnů
0-45%
Krejsl
topol
31 - 50
8 týdnů
9-15%
Etiegni
Tabulka 4: Tabulka efektů po aplikaci popela z biomasy Výsledky ukazují, že při zvýšeném dávkování dochází k poklesu výnosů u ovsa. To je způsobeno redukovanou dostupností fosfátů díky vyššímu pH a dalšími možnými faktory, jako je inhibice bromu a draslíku. STROMY Pozitivní účinky popela na růst stromů byl zaznamenán mnoha autory a výzkumníky, jako byli Vance, Silfverberg, Hotanen, Etiegni, Ferm a Steponkus. Jsou čtyři hlavní oblasti, ve kterých dosahuje dřevní popel účinku na růst. To bylo sumarizováno (Vance, 1996) takto: Vznik a původ popela Typ půdy Druh dřeviny Čas od počátku hnojení
27
KRÁTKODOBÉ EXPERIMENTY SE SEMENY A SAZENICEMI STROMŮ Existují velmi stará měření a záznamy o vývoji sazenic v popelených půdách, které dokazují, že popel ovlivňuje jak klíčení, tak počáteční růst sazenic (Heikinheimo, 1915). Ve Finsku se sazenice často aplikují do mírně humidních rašelinných bažin s přídavkem mletého dolomitu. Persson, 1994 zkoumal růst norského smrku a jeho kořenů do ložové báze sestavené z dolomitu, vápence, dřevního a rašelinného popela v období pěti let. Lože z rozdrceného dolomitu zaznamenaly největší nárůst hmotnosti kořenů, dřevní popel byl druhý v pořadí. Vysoké dávky vápna měly inhibiční efekt na růst kořenů. Práce provedená v roce 1995, Clemenson ukázala lepší odezvu na dřevní popel ve srovnání s hnojivy na bázi sulfátů amonných, s nárůstem délky jemného kořenového systému/suchá hmotnost. V popsaných experimentech se také používal popel z kůry a odpadního dřeva jako náhrada za vápenec, smíchané spolu s rašelinou na množství od 0 do 16 kg na kubický metr. Na ostatní plochy bylo aplikováno podobné množství dolomitického vápence, aby se získalo srovnání s tradičními technikami lesních školek. Skotská borovice a stříbrná bříza a jejich semena se vysela na plochy, po čtyřech týdnech se nechaly volně růst po dobu dvou let s přídavkem do horních vrstev, živinný roztok 0,1% dvakrát týdně. Jak se předpokládalo, pH vzrostlo z počátečních 3.8 na 7.0 až 8.0 podle množství použitého popela z biomasy. Současně došlo k nárůstu u fosforu, draslíku a vápníku v rašelině. Nejlepší odezva na klíčení byla u jehličnanů v nejnižších dávkách a tedy úpravě pH, tj. méně než 5, zatímco semena břízy měla větší toleranci. Ačkoliv následný vývoj všech semenáčů byl při dávkách od půl do 2kg na metr kubický zeminy, za podmínky pH rašeliny okolo 4 až 5. Dolomitová a popelová úprava měly všeobecně stejný efekt s výjimkou drobného nárůstu živin a rovnováhy u borovic. Studie prokázaly, že dřevní popel je vhodný pro regeneraci ploch, na kterých není možné vysadit listnaté stromy, kde by vyrostly pouze nekvalitní druhy jehličnanů. Díky zvýšení pH popelem je možné nasadit i kvalitní listnaté druhy stromů. V Kanadě proběhl experiment s pěstováním semenáčů smrku v půdě, která se upravila kalem z papírny a směsí popelů (bílý a černý smrk). Aplikace přídavků se pohybovaly v rozmezí 0 - 5 t/ha. Na kanadském stanovišti se pH pohybovalo v rozmezí 4.8 – 6.9 jednotek a pokles v růstu smrku byl při zvýšení dávky. K tomu docházelo díky slané fytotoxicitě a následným účinkům popela. Podobné pokusy na amerických stanovištích sledovaly následný růst, během třetího roku růstu. Zde došlo k nečekanému napadení sazenic bujně rostoucím konopím. Další čtyři krátkodobé pokusy s řezy zavedených sazenic některých rychle rostoucích dřevin na různých stanovištích jsou zde popsané jako rozdílné odezvy na aplikaci popela. Ve výše uvedené tabulce (předchozí kapitola) je uveden výsledek z pozorování stanovišť školek se třemi různými půdními typy (Etiegni). Popel byl použit až do míry 6% objemu původního substrátu. Nejvíce se projevil růst topolu ve vztahu s přídavkem popela, a to u menších 28
dávek. Zde se projevil vztah mezi fosforem z popela a vápníkem, jehož uvolňování výluhy bylo závislé na hodnotě pH. Unger a Fernandez (1989) experimentovali s jasanem (Acer rubra). Sazenice se testovaly jen po dobu 18 týdnů. Nebyly pozorovány žádné změny při kontrolách vlivem řady popelových úprav od 4 do 20 Mg/ha a také úprav dusíku. Použitá půda byla silně kyselá, písčitá s pH v rozmezí 3 - 4 pH s ekvivalentní hodnotou CEC 18 meq/100g. Avšak došlo k nárůstu draslíku a sodíku v zelených partiích rostliny a pH půdy a výměnné základní kationty zaznamenaly nárůst. Navzdory tomu byly zjištěny poklesy u extrahovatelného hliníku a železa, které byly přesunuty pravděpodobně vlivem jiných volných kationtů z popela, a že to tím pádem nebyl efekt pH půdy na rozpustnost hliníku a železa - CEC zůstalo po dobu celého experimentu nezměněné. Hodnoty pH půdy v prvním horizontu se zvýšily o 0.59 jednotky (to je relativně málo v porovnání s výše uvedenými experimenty s dřevním popelem). V pokusech provedených Lumme a Laiho, 1988, kde se zkoumala vrba, byly vysazeny na opuštěných stanovištích s pH 5.1 a známým podprůměrem draslíku, vápníku a hořčíku. Použitý popel byl ze spalování kůry jehličnanů (borovice a smrk), dávky aplikované ve dvou množstvích - 5 a 20 t/ha. Půda se změnila u pH během prvního měsíce z 6.8 na 8.2 při úpravě popelem a zůstala vysoká až do druhého roku experimentu. Draslík v půdě se zvýšil u větší dávky popela v prvním roce experimentu, ale obě úpravy stouply během kontroly v druhém roce. Rozklad celulózy zůstal stejný i po kontrolách na stanovištích a byl zaznamenán malý nárůst v mikrobiologické aktivitě půdy. Organický dusík a mineralizace byla velice nízká během obou let řešení (okolo 2%) a zaznamenaný růst vrby nepřekročil kontrolní hodnoty, i v případě vyšších dávek. U hladiny prvků v listech se změnil draslík a fosfor směrem nahoru v druhém roce řešení, ale autoři podotýkají, že extra přidané živiny s dusíkem se mohly z popela vyloučit tak pomalu, že nedokázaly přispět k nárůstu vývoje těchto průkopnických druhů. Naznačuje se, že vyšší dávky mohly inhibovat růst díky buďto mrtvé mikroflóře v půdě, inhibice hořčíku manganem při vyšším pH nebo rozvojem zvýšeného osmotického tlaku v kořenové zóně. Podobné závěry uvádějí i jiní autoři z Finska, kteří zaznamenali nárůst vývoje semenáčků při aplikaci dřevního popela na bažinaté stanoviště (Weber, Paavilainen, 1980). Zaznamenali zvýšenou nitrifikaci na vřesovištích a zvýšenou mikrobiologickou aktivitu z použití dřevního popela. V počátečních experimentech (Weber) se odvodněné a předem upravené smrkové bažiny osadily stromy, jako jsou vrba a jasan. Komerčně produkovaný popel se sem začal aplikovat v množství 10 t/ha a ve srovnání s hodnotami u komerčních hnojiv (močovina, superfosfáty, potaš) (150kgN, 93 kgP, 382kgK/ha). Během čtyř měsíců se změnilo pH upravené půdy na 5.5 ve srovnání s referencí na 4.6 a půdní mikrobní hodnoty se zvýšily a zůstaly na stejné hodnotě v upravených stanovištích. Stoupla i schopnost dekompozice celulózy. Přídavek popela se zvýšil v případě pěstování vrby na konci prvního roku okolo 65-70% se současnou silnou mineralizací dusíku, a to díky zvýšeným hodnotám pH, která stimulovala mikrobiální aktivitu, poměr uhlíku vůči dusíku 29
vzrostl z 16:2 na 17:4. Ve srovnání s komerčními hnojivy a jejich účinky v případech, kde byla zvýšená nitrifikace půdy, úpravy popelem měly větší vliv na rovnováhu prvků, zejména dusíku, s menším odlivem ve vodě rozpustných organických látek. DLOUHODOBÉ EXPERIMENTY NA DOSPĚLÝCH STROMECH Díky tradici ve Finsku - zalesňování vypálených mýtin - existují výzkumné práce ohledně použití popelů ze dřeva již od roku 1935. Původně se používaly všechny typy práškových popelů v experimentech tak, že se aplikovaly na konci zimního období na sněhovou pokrývku. Dnes se tyto materiály rozdělují a průzkumy se dělí podle granulace. Švédský výzkum již zjišťoval účinky pomalejší dodávky granulovaného popela a vydává v této souvislosti občasník pro specialisty, který pojednává o účincích na různé komponenty, jako je zemní flóra, kryofyty a mikrobiální změny půdy, stejně jako změny v růstu stromů. Nejdelší experimenty popsané (Korpilahti, 1998) ve Finsku ukázaly konzistentní udržované vzestupy 3 až 4 kubických metrů dřeva navíc každý rok. Taková tendence se sledovala za 55 let! Bylo to způsobeno přídavkem lehkého popela v množství 5 t/ha v roce 1937 do odvodněných mokřadních rašelinišť ve Finsku. Odezva stromů na přidání popela byla původně pomalejší nežli odezva na komerční hnojiva, ale v horizontu deseti let byly výsledky stejné. Žádný z případů použití popela nevykázal problémy v hladině stopových prvků nebo těžkých kovů. Jiné dlouhotrvající experimenty popsané (Bramryd, Fransman, 1995) v průběhu 35 let na stanovištích s borovicemi v jižním Švédsku ukázaly podobné, až téměř stejné jevy. V detailních výživových studiích na stromech v lesních porostech v severozápadní části Finska se pojednává o následném použití popela ze spalování břízy v roce 1933 na odvodněné izotropní bažiny, analýzy chemických koncentrací v jehličí byly provedeny za účelem získání informací o kvalitě výnosu ze stromů. Vzestupy hodnot pH a živin byly stále znatelné i po 40 letech na stanovištích ošetřených jak nízkými dávkami 8 t/ha, tak vysokými dávkami 16 t/ha dřevního popela. Hodnoty množství fosforu a draslíku v jehličí při kontrolách vykazovaly velké výkyvy. Popel způsobil zvýšení množství opadání a zvýšil obsah živin v jehličí, což přispělo k vyšším hodnotám dekompozice na zapopelených stanovištích. Draslík se jevil jako živina, která je z dřevního popela jako nejméně uvolnitelná, hodnoty draslíku v horní partii půdy na všech stanovištích byly stále nad 90 kgK/H na povrchové rašelině, což je hodně nad hranice referencí kontrol. Současné hodnoty přírůstků 8.1 a 9.9 m3/ha (pro nízké a vysoké dávkování popela) jsou velice příznivé. Podobné výživové změny byly zaznamenány velmi zřídka (Ardvisson, 2002). Zde byly zjištěny vzestupy v koncentraci živin po pěti letech v jehličí, při aplikaci popela z tvrzeného dřeva v množství 3000 kg/ha do stanovišť s různými půdami v rámci čtyř klimatických zón ve Švédsku. Korpilahti popisuje, že odezva stromů na dřevní popel je mnohem větší, pokud je v půdě vysoký podíl dusíku (1,5 až 2,5% suché hmotnosti). V půdách chudých na nitrogen (po jedno %) zůstávaly výnosy malé. Potvrzení úspěšné aplikace popelů na rašelinné půdy vychází ze studie (Ferm, 1992), kde se monitoroval růst borovice přes 13 let po aplikaci popela. 30
Popsaly snížení symptomů nemocí stromů a snížení počtu odumřelých sazenic. Objem rostoucí masy překročil 70 m3/ha po aplikaci popela, zatímco reference produkovala pouze 15 m3/ha. Vyšší hodnoty dekompozice rašeliny byly zaznamenány z více popelených stanovišť (5 a 10 Mg/ha), za současně vysokých hodnot dusíkatých složek a mineralizace rašeliny probíhal nárůst vývoje velmi úspěšně. Další potvrzující pokus byl od týmu (Jacobson, 2001), který monitoroval vzrůst kmene skotské borovice a norského smrku na čtyřech lokalitách ve Švédsku na podzolových minerálních půdách. Použitý popel byl granulován a aplikován v rozsahu 3 dávek za maxima 6 Mg/ha v roce 1988. Ve všech jižních experimentech byl zaznamenán nárůst vývoje dřevní masy na stanovištích ošetřených popelem v období 11 let, nejvíce pro druh norského smrku. Produkce a objemy byly v průměru 1,2 m3/ha/ročně na přídavek 1 Mg/ha dřevního popela. Avšak na severní lokalitě (64 severní) se objevil opačný účinek. Byl zde pozorován úbytek v hodnotách okolo 0,8 m3/ha/rok. Z toho vyplývá, že důležitá je mobilita dusíku pro zvýšený růst dřevní hmoty. V chudých půdách a horších klimatických podmínkách, které vládnou severní části Švédska, je zpomalená nebo znemožněná mobilita dusíkatých látek a tím je zpomalen nárůst masy. Takže je rozhodující poměr uhlíku vůči dusíku a je to dobrý indikátor, jaký efekt bude mít zvýšená hodnota pH na konkrétním druhu půdy. Jiní švédští autoři zvýšili objemy mineralizace dusíku po vápnění, pokud je C:N faktor ve vodnatých vrstvách vyšší než 30 po aplikaci popela.
31
ÚČINKY NA VEGETACI VYŠŠÍ ROSTLINY Většina skandinávských studií se zabývá účinky dřevních popelů ve smyslu použití pro lesnictví a zlepšení výnosů. Důležité bylo získat z půdy všechno pro lesnickou produkci a ostatní směřování cenných látek nepřicházelo v úvahu, nebo bylo pro účely výzkumu podružné. Teprve postupem času přišly na řadu otázky zdraví okolních systémů a člověka. Začalo se s analýzami těžkých kovů v popelech a ve dřevě. Záhy byly prováděny rozbory na koncentrace nebezpečných látek v plodech, které si obyvatelé v lese nasbírají a dochází k přímé konzumaci. V roce 2000 studie (Levula) zkoumala obsahy a koncentrace síry a cesia 237 v brusinkách a borůvkách na stanovištích po aplikaci popela z převážně odpadního dřeva ze zpracování. Pokusy probíhaly na minerálních a rašelinných substrátech v severozápadní pobřežní části. Na rašelinných půdách, kde jsou dnes smrčinné bažiny, se zvýšila aplikace dřevního popela pH o jednu jednotku. Koncentrace draslíku se zvýšily na povrchu půdy a ve vodě - a v plodech, ale vápník, hořčík a mangan zaznamenal pokles v hodnotách. Na minerálních půdách došlo ke zvětšení plodů v období 2-3 měsíců po aplikaci dřevního popela. Ale žádné plody neobsahovaly kadmium nebo olovo nad dovolené limity (1 mg/kg). To bylo navzdory známým vysokým hodnotám obsahu kadmia v popelu ze dřeva. Vyšší koncentrace kadmia byly zaznamenány v jedlých houbách, jako je hřib, kde bylo dosaženo až 12 mg/kg (Ruhling, 1996). Levula pracoval v centrálním Finsku na suchých stanovištích s porosty borovice na železitých podzolech s pouze 3 centimetry vrchní vrstvy zeminy humusu. Hnojení popelem bylo provedeno v hodnotách od 1000 do 5000 kg/ha, s materiálem z kůry jehličnanů. Vzorky z povrchů byly odebrány až o sezónu později a vzorky plodů v následujícím roce a také po pěti letech. Použití popela nemělo žádný vliv na koncentrace těžkých kovů v plodech, draslík byl jediný nutriet, který změnil svou koncentraci tak, aby se rozdíl dal měřit. Cesium v plodech bylo o něco málo v menší koncentraci na zapopelených stanovištích, ale až po sedmi letech od aplikace. Autoři připisovali tuto změnu vzestupu pH v humusu a také možným změnám a vzestupům u transformovatelného hořčíku. Ovšem v tomto případě není mechanismus zcela objasněn a úplné vysvětlení autoři neposkytli. Redukce dominance plodů byly zaznamenány jako koprodukt použití popela, v principu u nejvyšších dávek popela. Dřívější studie (Gyllin, Kruuse, 1996) nezmínily nějaké rozdíly v hodnotách u plodů ani po 2 až 9 letech od použití dřevního popela v oblastech s pěstováním dřevin. Přesto existují taková záchranná data, která dokazují jen nepatrné změny v přízemní floře. Silfverberg, 1989 zaznamenal, že změny v odvodněné rašelinné půdě bohaté na byliny ošetřené popelem vyústily v navýšení množství rostlin vyžadujících dusičnany, jako je třeba pcháč (u nás známý jako bodlák), na stanovištích, kde se aplikovaly poměrně vysoké dávky 32
popela. Současné švédské výzkumy monitorují změny v nízké vegetaci, pocházejí z pilotních plantážových experimentů při aplikaci dřevního popela v množství mezi 1 a 8 t/ha (Lundkvist, 1998). Přestože došlo k relativně malému nárůstu pH 0.5 na stanovištích, žádný nárůst nitrátů a výluhů nebyl detekován a žádný nárůst obsahu těžkých kovů v plodech. Více podrobné studie (Arvidsson, 2001) se zaměřily na účinky popela na 7 až 9 let staré porosty norského smrku, pod kterými roste brusnice borůvka. Byly vybrané čtyři plochy testované půdy ve všech klimatických oblastech Švédska: severní pobřeží, jihovýchod, jižní výšiny a severozápadní oblast. V jihovýchodní oblasti vytvořily suché podmínky znatelný gradient vegetace, s dominancí brusinky zde dává šanci i více travinám a bylinám. Popel z tvrzeného a odštípaného dřeva ve dvou variantách byl použit pro účely experimentu. Perstort je popel z 90% z lože fluidního spalování a Nymolla je z kůry spalované v cyklónové peci, popel byl aplikován v množství 3 Mg/ha. Sbírání vzorků začalo až po pěti letech od aplikace popela. Ani zde popel neměl zásadní vliv na růst brusinky, ani v jižní části. Ale stanoviště s dominancí travin ošetřené popelem Nymolla vytvořily více bylinnou floru nežli u stanovišť s převahou brusinky. To je evidentní známka zvýšení fertility půdy. Pokryv rostlinou z rodu Deschampsia také zaznamenal nárůst v jihovýchodní oblasti na zapopelených stanovištích, v porovnání s referencemi, a pokrývá hodnoty pro pokles vřesů u stanovišť ošetřených popelem Perstort. Vřes je totiž známý pro svou oblibu substrátů velmi chudých na živiny. PŮDNÍ FAUNA Existuje nepatrné množství materiálů, které publikují data o účincích speciálně na půdní faunu, vyjma studií o žížalách a menších druzích zemních červů (Lundkvist, 1998). Tento výzkum zaznamenal hladiny kadmia v tělesných schránkách těchto živočichů v oblastech hnojení lesů dřevními popely. Aplikace popela probíhala v menších dávkách (3,2 t/ha granulovaného popela). Stejné množství kadmia bylo objeveno i druhý rok po aplikaci popela, ale nebylo zaznamenáno žádné zvětšení populace. Ve skutečnosti se počet žížal zvětšil lineárně s nárůstem nitrátů amonia. PŮDNÍ MIKROBIOLOGIE Oproti půdní fauně studie popisuje změny v mikrobiální aktivitě půdy po aplikaci popela, dokladované od roku 1985 do současnosti. Techniky zahrnují měření dekompozice celulózy, počty kolonií Agaru, záznamy dusíku k dispozici a mineralizace v několika druzích půd, měření hodnot dýchání půdy a schopnost transmise plynů pro biomasu, hladina inkorporace tymidinu (značkovací technika na úrovni makromolekul). Dřívější studie ve Finsku se odehrály na kultivované odvodněné rašelinné bažině, zaseté vrbou a jasanem. Půda byla upravena popelem z komerčního kotle a velikost dávky byla 10 t/ha. pH se zvýšilo ze 4.6 na 5.5 za dva roky experimentu a došlo k souvisejícím vzestupům u půdní mikrobioty a mineralizační hodnoty se ztrátou 9% dusíku v prvním roce experimentu. Dekompozice 33
celulózy se zvýšila o 53-86% přes referenční hodnoty. Toto stanoviště je známé na vysoký obsah dusíku, a to díky předešlé kultivaci, která by měla pomoci mineralizačnímu procesu, ale hodnoty denitrifikace se v této studii zdají být pozměněny v pozitivním smyslu s přítomností vodou rozpustného uhlíku, který byl obsažen v dřevním popelu. V podobné studii ze Švédska na plantážích jehličnanů, kde došlo k úpravě popelem, měli obdobné výsledky u počtů bakteriálních kultur. Zde došli k poznatku, že kultury se zvětšily 5,1krát oproti referenčním hodnotám (Baath, Arnebrant, 1994). Autoři popsali, že kolonie bakterií by se měly měnit ve složení tak, aby se přizpůsobily nové hladině pH, která kolísala od 4.0 do 6.1. Schopnost dýchání byla vždy vyšší v půdách upravených dřevními popely a pouze beze změny v případech, kde poměr uhlík:dusík zůstal nízký, zatímco respirační hodnoty v chudších půdách s vysokým poměrem C:N byly brzy stejné nebo velice podobné těm v referenčních hodnotách. Denitrifikace nebyla zaznamenána. Jinak je tomu ve studii (Fritze, 1994) z Finska, kde se pracovalo pod borovicemi na podzolové písčité půdě. V souběžném výzkumu mikrobiální respirace vyšla mnohem vyšší čísla ze stanovišť ošetřených popelem, ale zase nedošlo k nárůstu hubní biomasy oproti referenci. V laboratorní studii účinků hladiny kadmia na bakterie (Fritze, 2001) se píše, že humus s kadmiem a dřevním popelem doznal velkých nárůstů v aktivitě bakterií, změnil rastry mastných kyselin a použití substrátu, ale v žádném případě nedošel ke zvýšené toleranci na kadmia. Terénní experimenty pod skotskými borovicemi na suchých vřesovištích s tlustou humozní podzolovou půdou proběhly s aplikací 3 Mg/ha dřevního popela. A menší upravená území s přidaným kadmiem v dávce 400 mgCd/kg ash. Nedošlo v období trvání 3letého experimentu k žádným dodatečným efektům, kromě toho hodnoty v půdě stále naznačovaly zvýšené koncentrace. Populace bakterií se změnily, oproti referenčnímu stavu. HOUBOVÉ SYSTÉMY V PŮDÁCH Ektomykorhizální skupiny byly také specificky zkoumány velmi pečlivě k určení kompozice zástupců hub a řas v lesních půdách. Více než 300 různých druhů bylo zaneseno do katalogu - sběr ze švédských lesních zemin (Erlad, 2001). Druhy telephora, tylospora, cenococcum dominovaly pod smrčinami v jižním Švédsku. Ve srovnávací analýze populací při použití dřevního popela byly spozorovány změny u dvaceti druhů, zvýšení u druhu Cortinarius. Popelové granule se velmi těžko adaptovaly u čtyř mykorhizálních typů, z čehož tři byly nalezeny na kořenovém systému a dva podobné typy (Piloderma) známé z jiných stanovišť v hojném počtu. V rozšíření studie (Mahmood, 2002) byly spočítány údaje, že výše uvedené druhy dohromady tvořily téměř 55% z celkové komunity na zkoumaných kořenech. Autor připisuje těmto druhům aktivní roli v udržení popela v lesním prostředí a mobilizaci nutrient. Další laboratorní testy ukázaly, že schopnost těchto hubních systémů kolonizovat kořeny v poli je hodně umocněna přidáním dřevního popela.
34
SHRNUJÍCÍ POZNATKY NA APLIKACI DŘEVNÍHO POPELA V LESNÍM HOSPODÁŘSTVÍ:
Potenciální účinky přidávání dřevního popela v lesích je více komplikované než v zemědělství.
Zemědělské půdy jsou udržované co nejvíce s neutrálním pH během kultivace, hnojiva jsou distribuována pomocí disků do horních partií půdy pro střední efekt na krátkou dobu. Lesní půdy jsou naopak chudší a často kyselé, částečně i kvůli jehličnanům, které uvolňují organické kyseliny a související základní kationty jako odpadní látky.
V Evropě je existence mnoha lesů zapříčiněna skutečností, že jednoduše nebylo možné tyto plochy kultivovat.
Lesní půdy mají často tenčí A horizont vrchní vrstvu půdy a velmi jasně definované strukturální horizonty, které mohou být punktovány makropóry, hlubokými kořenovými kanály, zvířecími norami, čímž se mění prostupnost vody zeminou. Delší vegetační doba jedné sklizně komplikuje možné úpravy podkladu a struktura stromů ovlivňuje fyzické předání půdních hnojiv.
(Vance, 1996) doporučil opakovaně sklidit celé stromy v oblasti v periodě 120 let, což může totálně odstranit 20-60% celkového vápníku a 2-10% draslíku a hořčíku. Jedna aplikace dřevního popela v množství 10 Mg/ha může nahradit ztráty výluhem a dávkování 20-30 Mg/ha by nahradilo ztráty po odstranění celého stromu. Dodatečné úpravy dusíku budou také zapotřebí k vytvoření vyrovnaného stavu živin. Podobné průzkumy ve Švédsku se mnohem podrobněji zabývaly hodnotami nahrazovaných látek z dřevních popelů (Ardvisson, Lundkvist, 2002) a také stanovují, že aplikace dřevního popela mohou pokrýt ztráty v půdě po sklizni celých stromů.
Přesto Vance tvrdí, že je několik specifických případů, kde může mít úprava dřevním popelem pozitivní přínos na růst lesa. Zvažuje se, že je mnohem příhodnější hnojit popelem plochy pro stromy s tvrdým dřevem než pro měkkodřevé. Je to kvůli vyšším nárokům na draslík, vápník a hořčík (popisuje se až trojnásobek).
Poměry živin pro tvrdé dřeviny pro optimální růst jsou P:K:Ca:Mg - 1:5:20:2,5 a popel dokáže dodat 1:7:45:2,5. Avšak komplikovanost cest pohybů živin byla dokumentována v přesnějších studiích (Clarkholm, 1994, 1998) ve Švédsku. Během těchto experimentů byl dřevní popel použit k vyčíslení fosforových a potašových limitací monitorovaných v jehličí norského smrku, k určení znečištění vzduchu. Hladiny fosforových látek se monitorovaly v humusu 18 měsíců po aplikaci dřevního popela v množství 4000 kg/ha a později se cesty zkoumaly pomocí radioaktivního P32 a Rb86 v humusu a jemných koříncích.
35
Nebyly zjištěny žádné odlišnosti v množství fosforu mezi referenčními hodnotami a úpravou popelem a aktivita kyseliny fosfátové v humusu se jevila jako negativně podhodnocená vzhledem k množstvím nalezeným v jehličí v předchozích letech. Fosfor v popelu není ve formě vodou rozpustné látky, mnohem lepších výsledků by bylo dosaženo přidáním rozpustného fosforu. Druhý experiment sledoval pohyb P32 a ukázal, že zisk nebyl související s požadavky stromu, ale byl negativně spojen s poměrem P/C mikrobiální hmoty okolo kořenů. Autoři tvrdí, že hodnoty fosforu na stejném stanovišti jsou po pěti letech monitorování mnohem větší v biotické sféře a dá se očekávat, že dojde k ziskům fosforu do stromů v brzké době. Studie potvrzuje, že účinky aplikace popela jsou velmi komplikované a časově náročné. To se nutně promítá i do nutnosti hloubějšího studia ekosystémů a dlouhodobých experimentů.
Ukazuje se, že úpravy půdy dřevním popelem v nízkých dávkách byly v minulosti úspěšné k nahrazení živin v chudých půdách. Důležitým faktorem je charakter půdy, kterou je nutné upravit dřevním popelem, s tím souvisí i výběr vhodného popela.
Navzdory očekávání největší problémy s použitím dřevního popela nespočívají v obsahu těžkých kovů, ale spíše ve zvýšeném obsahu vápníku. To způsobuje související vzrůst pH půdy a navyšuje mikrobiální populace a potenciální mineralizace dusíku. Těžké kovy mohou být ve většině odstraněny nebo redukovány řízením spalovacího procesu, kde vzniká popel, ale pH roste v půdě, což je ku prospěchu vzrůstu stromů. To může přinést mírné změny na ekologii lesních stanovišť v dlouhých časových úsecích.
36
POUŽITÍ POPELA S MINIMÁLNÍMI DOPADY NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ – DOPORUČENÍ
Tvrdé dřeviny jsou lepší pro výrobu popela než měkké dřevo
Udržujte množství kůry do spalování na minimu – a pouze z jehličnanů
Spalujte při 500 až 900°C, ne více, pro maximum živin a nejméně těžkých kovů
Používat pouze ložový popel - nemixovat s úletovým popelem - zvážit program přepálení úletového popela před uložením na skládku
Popel zformovat do granulí pro zpomalení uvolňovacího procesu uhličitanů. To způsobí lepší zdravotní a bezpečnostní vlastnosti ve stanovišti a menší přímé účinky na okolní vegetaci
Rozptylovat při nízkých dávkách, tj. pod 5 až 10 Mg/ha a v dlouhých intervalech (nebo jen jednou za cyklus)
Nepodporovat herbicidy současně s popelem kvůli potenciální retenci popelovou vrstvou
Použití na listnaté stromy bude mít největší fertilizační efekt
Do rovnováhy je nejlépe použít na půdy se středním a malým pH (okolo 5.5 až ke 4), tj. minerální, písčité nebo jemné rašeliny
Zabránit velmi kyselým půdám v případě extra velké imobilizace hliníku a železa ve spodní vrstvě
Zabránit půdám znečištěným dusíkem, aby docházelo k výluhům
Zabránit konzervaci oblastí se speciálními kyselomilnými rostlinami (bryofyty).
37
6
POPEL VE STAVEBNICTVÍ
Současná legislativa zemí Evropské unie tlačí podnikatele a výrobce k větší míře recyklace odpadních látek a tím pádem i k vývoji nových produktů z těchto látek. Již existují značné přebytky některých druhů recyklovaných materiálů. Takové materiály jsou dnes skladovány u výrobce jako „surovina“ nebo poslány k uložení na skládku jako odpad. Představením směrnice o skládkách (1999/31/EC) se také zvýšilo množství materiálů, které jsou k dispozici na recyklaci. Tento předpis způsobil, že likvidace odpadů výše popsaným způsobem již není tak jednoduchá, zároveň je to dost nákladné upravit odpad tak, aby jej bylo možné uložit na skládku. Řešením pro výrobce, kteří produkují odpadní materiál, je nalézt možné využití tak, aby se z odpadu stala legální a normovaná surovina. Nové produkty jsou nutné, aby bylo možno tyto přebytky využít. Stavební průmysl se snaží takové odpadní látky zakomponovat do svých výrobků, zejména aby vyhověl tlaku společnosti a úřadů na udržitelnost svého konání. V případě stavby silnic se podařilo částečně zužitkovat druhořadé suroviny, aniž by bylo nutné snižovat technickou úroveň výsledného produktu. Navzdory tomu se stává stále složitější zakomponovat do hmoty odpady nižší kvality, jak vyžadují tlaky nařízení. Ve stavitelství a konstrukčních prvcích se používá mnoho druhů odpadů jako náhražky za tradiční pojiva, za cementové a jílové pojivové složky. Přestože jde o pozitivní cíl a bylo dosaženo nějakého stupně úspěchu, začíná být všeobecně jasné, že současné konstrukční materiály používající konvenční pojiva nenabídnou uspokojivé výsledky při inhibici odpadových látek. Vliv na výsledné vlastnosti hmoty je příliš markantní a neakceptovatelný a to již v případech, kdy je do hmoty zabudováno pouze 10% recyklátu. Vlivy se mohou redukovat, ale všeobecně to znamená navýšení podílu konvenčního pojiva (portlandského cementu). Pro stavební průmysl ale existuje naděje ve smyslu hledání nového typu pojiva. Alternativou k portlandskému cementu by mohl být například odpadní rostlinný olej nebo zbytkový bitumen z ropné produkce. Oba tyto materiály je možné zahříváním vytvrdit. S pomocí těchto pojiv lze dostat produkty, jejichž vlastnosti jsou po fyzikální i chemické stránce vyhovující pro EU normy ve stavebnictví. Aplikace těchto materiálů s sebou přináší pozitivní vliv ve smyslu:
snižují spotřebu primárních zdrojů
snižují emise CO2
umožňují značné využití odpadních látek
umožňují využití, resp. zabudování nebezpečných materiálů (jako jsou bitumeny a upotřebené rostlinné oleje)
38
VÝROBNÍ METODY V první řadě je nutné uvést základní podmínku úspěchu. Inovativní zcela nové materiály používající netradiční pojiva vyžadují totální změnu v současných „zajetých“ technologických výrobních procesech. Z tohoto důvodu existuje systém spolupráce akademické a výrobní oblasti. Každý krok musí být schválen oběma stranami a musí být potvrzeno, že vyvinutý technologický návrh je proveditelný ve velkém měřítku výrobní realizace. Na druhou stranu se hledají takové metody, které by se mohly aplikovat na stávajícím strojním zařízení, které se dnes na výrobu stavebních prvků používá. Výše popsaný postup je ideální, ale ne vždy byl úspěšný. Jakákoliv inovace je složitá, především v tržně orientovaném výrobním podniku. Situace je tím složitější, kontroluje-li trh malé množství majoritních hráčů. S tím souvisí i složitá legislativní situace, která je značně ovlivněna vůlí právě výše zmíněných majoritních hráčů na trhu. Obecně se však dá předpokládat, že při dosažení alespoň stejných nákladů na obdobný výrobek ve srovnání s betonem může dojít k profitu díky výhodnější sazbě za vstupní suroviny. Vstupy zůstanou pořád odpady, které by jejich původci museli likvidovat za vyšší náklady, než když je „odprodají“ výrobcům alternativních stavebních prvků. ZPŮSOBY INHIBICE BIOPOPELA V závislosti na druhu spalované hmoty obsahuje výsledný popel různá množství těžkých kovů, jako je nikl, vanadium, arsen, kadmium, barium, chrom, měď, molybden, zinek, olovo a selen. Přestože jsou výše jmenované prvky obsaženy v extrémně malém množství, jejich přítomnost vyžaduje velice náročné a nákladné úpravy, aby se zabránilo únikům do půdy a spodních vod. Vědci se rozhodli hledat alternativní využití tohoto namísto jeho uložení do zemní nebo povrchové skládky. Mezi těmito vědci je i Jan Pels z Výzkumného energetického centra v Holandsku, který vedl výzkumný tým pracující na projektu BIOAS. Současně probíhal podobný výzkum na univerzitě v Leeds, ale spalovanou surovinou byly zbytky z pěstování rýže, rostliny hojně se vyskytující spíše ve třetím světě. Navíc se skupina vědců z Utahu na Brigham Young University pokoušela zjistit, zda je možné nahradit cement v betonu za popelovou složku z biomasy, stejně jako tomu je v současnosti s popelem z uhlí. Spolupráce byla úspěšná a vědci došli k revolučním výsledkům. Popel z biomasy je možné použít nejen ke stavbě regulerních rodinných domků, ale i na stavby mrakodrapů. Co více, takové produkty nahradí stavební materiály, které mají značně negativní dopad na globální oteplování díky vysoké emitanci CO2. Dalším přínosem používání tohoto “odpadního materiálu” je logické snížení spotřeby pevných fosilních paliv a z toho vyplývající soulad s udržitelným rozvojem hospodářství. Holandský tým našel způsob využití popela z biomasy v kombinaci s těžkými zbytky ropného průmyslu - uhlík, se kterým může být spojen. Současně britská skupina vědců vyvinula kombinaci s jinými odpadními hmotami, včetně popela z rýžových stvolů a vytvořila stavební prvek podobný cihle. Dále pracují na jiném produktu, který by měl vzniknout 39
smícháním popela s odpadním rostlinným olejem jako pojivem pro vznik pevné hmoty. Americký tým z Utahu zjistil, že popel z čistého dřeva a plantážní trávy je možné zaměnit za popel z uhlí, a tedy tímto popelem nahradit část portlandského cementu v betonových konstrukcích. BIOAS Projekt BioAS začal s ideální myšlenkou, že popel z čisté biomasy (např. nekontaminovaného dřeva) by měl být vrácen do půdy, na které rostlina vyrostla tak, aby se navrátily živiny a minerály v koloběhu prvků. Na druhou stranu úplná recyklace není možná. Například popel ze znečištěné biomasy (dřevo z demolice) nebo popel, u kterého není možné zjistit původ (stává se častější díky nárůstu obchodu zemědělskými produkty), není možné recyklovat. Také v případech, kdy si farmář nebo majitel půdy nepřeje hnojení půdy popelem z určitého důvodu (přírodní rezervace, pastviny, neinformovanost atd.). I v těchto případech je recyklace obtížná. Ve výše zmíněných případech se nabízejí alternativní způsoby využití, nebo je nutné způsoby vynalézt. ECN zkoumala možnosti pro použití popela, který vznikl v elektrárnách a teplárnách spalujících čistou plantážní biomasu a zjistila, že téměř všechny popely z biomasy je možné technicky použít. KONSTRUKČNÍ STAVEBNÍ MATERIÁLY Největší potenciální využití ve stavebnictví spočívá v použití ve formě různých plniv až po betonové složky - cihly. Některé druhy popelů z biomasy můžou být přidány jako surovina pro hnojiva. Černý, na uhlík bohatý popel ze zplyňování se může používat jako palivo, aby nahradil koks, nebo jako aktivovaný uhlík do mnoha užitečných aplikací. Bohužel, mnoho z těchto příkladů využití je finančně náročné více než obyčejné skládkování materiálu v zemi. Důvodem je stále malá produkce popela a ohromné výchylky v jeho složení. Recyklace popela, kde je stabilní neměnná zdrojová surovina (např. čisté palivové dřevo), je možná. Takový systém funguje ve Skandinávii a v Rakousku. V Holandsku takovéto specifické normy pro recyklaci popela z biomasy neexistují a s jejich tvorbou se v brzké době ani neuvažuje. Situace se může zlepšit v případě, že produkce popelů stoupne a mnoho původců bude přinuceno řešit problém ukládání popela jako odpadu. Tato skutečnost by pro ně mohla být finančně náročná a to otevírá nové možnosti pro podporu využití popela jako suroviny. Situace by se měla změnit i z důvodu plánovaných elektráren na plantážní biomasu z dalekých krajin. Z logiky věci by vyplývalo, že popel by se měl vrátit do země původu palivového dřeva, ale export popela z Evropy do Afriky by byl velice drahý a neekologický, proto bude nutné vyvíjet tlaky na legislativní úpravy.
40
FIXACE UHLÍKU A UKLÁDÁNÍ POPELA Z BIOMASY Pro Holandsko se jeví jako nejlepší cesta využívání popela do konstrukcí budov. Ložový popel ze spalování energetické biomasy se již používá jako stavební materiál (granulace 040). V projektu BioAS byl popílek ze zplyňování již úspěšně testován jako plnivo do zcela nového produktu s obsahem těžkých zbytků z ropné produkce. Materiál je velice slibný a je velmi podobný tradičnímu betonu, v některých vlastnostech ho dokonce předčí, např. v počáteční pevnosti, výsledné pevnosti atd. Zbytky z ropné produkce slouží jako pojivo. Nový materiál byl nazván jako C-FIX a zatím se formuje do stavebních prvků podobných cihle a tvárnici. ECN skupina současně zkoumá jiné způsoby, jak získat inovativní produkty z popela ze spalování hmot rostlinného původu.
C-FIX (zkratka z anglického carbon fixation) je produkt vyvinutý firmou Shell Global Solutions a obchodován pobočkou C-FIX BV. Startovním materiálem je vysoce tvrdý, na uhlík bohatý zbytek získaný z rafinace ropy. Tento zbytek je v současnosti přidáván do paliv námořních plavidel a do paliv pro velké elektrárny jako aditivum. Při spalování vzniká ohromné množství CO2, které je vypuštěno do atmosféry a to znamená, že tento způsob využití je značně neekologický. Mnohem šetrnější pro životní prostředí je využití zbytku z rafinace ropy do stavebních materiálů na stavby budov. Při tomto způsobu je uhlík fixován po dobu životního cyklu a produkt nepřispívá ke zvyšování koncentrací oxidu uhličitého v atmosféře. Vlastnosti C-FIXu jsou obdobné jako u betonu z portlandského cementu a asfaltu. Jedná se o velmi pevné, ale zároveň flexibilní termoplastické pojivo, které odolává kyselinám a louhům. Navíc oproti klasickému betonu je možné do tohoto pojiva zakomponovat i jiná plniva než jen písek a štěrk, jako je recyklovaný asfalt, říční kaly a odpadní granulát. Projekt BioAS se zabýval možnostmi použití popelů z biomasy jako plniva do hmot s CFIXem a výsledky byly výborné. Testovaný materiál byl v souladu s holandskými normami na výluhy makro a mikro elementů. Bylo vyrobeno pět různých stavebních prvků z různého druhu popela z biomasy. Všechny vykázaly vynikající fyzikální vlastnosti. Závěrem se konstatovalo, že s pomocí pojiva, jako je C-FIX, může být úspěšně použit popel z biomasy na výrobu standardních stavebních prvků.
41
BITUBLOCK A VEGEBLOCK C-FIX je, jak již bylo zmíněno, založen na těžkém ropném produktu - na uhlíku, kterým je pojen. Oproti tomu vědecké týmy z univerzity v Leedsu zjistili, že popel ze spalování rýžových stvolů může být zcela bezpečně použit jako plnivo do betonu stejně jako úletový popílek z uhelných elektráren, který je k tomuto účelu již nějakou dobu používán. Tým ve vedení Johna Fortha pracoval na vývoji stavebního prvku složeného téměř beze zbytku z recyklovaného skla, železářské strusky, kalu z čističky odpadních vod a práškového palivového popela z elektráren, včetně popela z rýžových stvolů. Dr. Forth z inženýrské společnosti věří, že jeho vynález Bitublock má velký potenciál stát se revolucí ve stavebním průmyslu, neboť nabízí udržitelnou a energeticky nenáročnou alternativu za zhruba 350 milionů betonových tvárnic vyrobených každým rokem jen ve Velké Británii. Po započítání potenciální produkce v celosvětovém měřítku se ukazuje výhodnost produktu. Tvrdí, že záměrem je totální vytlačení konstrukčního betonu z výroby.
Obrázek 4: Ukázka tvárnic Bitublock Bitublock používá stoprocentně odpadní materiály pro svou konstituci, tím se ušetří ohromné prostory na skládkách, což je ve stavebnictví dosud neslýchané. Navíc má produkt další fantastické přednosti. Výroba je energeticky méně náročná než v případě betonu. Výsledný produkt má pěti až šestinásobnou pevnost. Počáteční pevnosti jsou také větší než u klasického betonu.
42
Graf 1: Vliv doby tepelné úpravy na výslednou pevnost Tajný komponent v novém typu tvárnice je bitumen, lepkavá hmota používaná často na solidifikaci odpadních hmot do kompaktních útvarů. V tomto případě se do procesu přidá požadovaná forma k vytvoření pevné tvárnice. Tvárnice je následně upravena tepelně, to způsobí oxidaci bitumenu a současně jeho tvrdnutí na výslednou pevnost. Výše popsaný postup umožní použití vyššího podílu odpadního plniva do Bitublocku než do klasického cementového nebo jílového pojiva. Popsaná technologie by dokázala zpracovat okolo 400 tis. tun odpadního skla a 500 tis. tun popílku. Dalším novým produktem je Vegeblock. Jedná se o výrobek, který je stále ve vývoji. Jeho podstata spočívá v pojivu, kterým je použitý rostlinný olej. Jde zatím o nejekologičtější produkt konkurující klasickým betonovým výrobkům. Vědci přišli na skutečnost, že odpadní rostlinný olej se dá jednoduše smíchat s recyklovanými agregáty při normální pokojové teplotě a vzniká plnohodnotný materiál, který je možno dále zpracovat a tvarovat. Na rozdíl od Bitublocku vzhled Vegeblocku je přitažlivější, protože se jeví v barevné kombinaci dle použitého plniva. Barva tvárnice se mění i podle charakteru použitého oleje.
43
Obrázek 5: Ukázka tvárnic Vegeblock, barevné varianty Technologie zahrnuje úpravu, která zaručí plnou oxidaci oleje a tím tvrdnutí tvárnice. Nicméně v porovnání s bitumenem je rostlinný olej příznivější. Vyžaduje mnohem kratší čas a tím i méně energie na to, aby zoxidoval. Je to způsobené rozdílnou chemickou skladbou, zejména obsahem derivátů minerálních olejů. Proto na stabilizaci tvárnice stačí přibližně 12 hodin zahřívání na 120 až 160°C. Vlastnosti hmoty Vegeblock jsou minimálně stejné jako u betonových tvárnic s použitím standardního cementu.
Graf 2: Vliv tlaku lisu na výslednou pevnost
44
POPEL Z BIOMASY JAKO ALTERNATIVA CEMENTU Tým vědců okolo Dr.Wanga a Baxtera z chemického oddělení inženýrství na Brigham Young University současně prezentoval možnosti využití popelů ze spalování biomasy. Stalo se tak na kongresu Centra vývojového inženýrství pro pokročilé spalování. Nejdříve zkoumali pod mikroskopem vlastnosti betonu s přídavkem normálního popela z uhlí, zkoušeli pevnost a pružnost. Potom provedli to samé pro betonovou hmotu s popelem z biomasy jako plniva, nakonec proběhly testy na odolnost materiálu. Analýza se zaměřila na pět základních betonových směsí, které používají úletový popílek z elektráren spalujících současně uhlí s přídavkem biosložky, např. slámu nebo piliny z čistého dřeva v různých poměrech. Tým došel k následujícím výsledkům: Pevnost je stejná jako u betonu, v měření po 1 měsíci a po 1 roku od vzniku hmoty V betonu se projevila silná pucolánová reakce po jednom roce života Vzorky s popelem z uhlí s přídavkem Ca(OH)2 měly 3-6krát větší pevnost Srovnatelná pevnost s Ca(OH)2 i v případě čistého cementu Stejně jako popílek z uhlí se chová v případě redukce rozpínání a smrštění To znamená, že popel z biomasy (čisté dřevo a sláma) může být použit do betonu obdobným způsobem, jako je tomu v případě popela z uhlí, redukovat potřebu portlandského cementu.
45
7
VIZE BUDOUCÍHO VYUŽITÍ
Studie provedené všemi třemi týmy dávají dobrý předpoklad pro zavedení technologií do praxe. Mohlo by se začít ve stavebnictví s objekty pro bydlení, vybavenost apod., zároveň se přispěje k udržitelně využívané energii. Udržitelná produkce bioenergie by měla zahrnovat znovupoužití popela z biomasy, který získáme spalováním v elektrárnách. V nejlepším případě se jedná o popel z čistého dřeva nebo čisté plantážní biomasy všeobecně. Inovativní projekty by mohly do několika let vstoupit na trh se skutečnými a certifikovanými produkty. Odhaduje se doba 6 let, kdy by měly proběhnout poloprovozní testy technologických zařízení a administrativní a legislativní příprava pro uvedení prvků pro stavebnictví na trhy EU a globálně.
46
8
EKONOMICKÉ FAKTORY VYUŽITÍ POPELA Z BIOMASY
SOUČASNÉ NÁKLADY NA VÝROBU ELEKTŘINY Než se přistoupí k samotné analýze nákladů, které se podílejí na chodu energetických systémů na biomasu, je nutné rozumět propočtům nákladů konvenčních elektrárenských komplexů. Elektrárna na biomasu na úrovni dodavatele do rozvodné sítě musí čelit konkurenci elektráren na uhlí, plyn a jádro, stejně jako provozy používající obnovitelné zdroje, jako je například vítr. UHLÍ A PLYN Již řadu desetiletí dominuje uhlí v evropském regionu jako surovina pro výrobu elektrické energie. Například v Anglii, ale i u nás existují velké domácí zásoby kvalitní suroviny a rozsáhlý důlní průmysl. Ale v devadesátých letech došlo vlivem privatizace, tržních mechanismů a jiných faktorů k poklesu těžby. Z mnoha hledisek začal být upřednostňován zemní plyn jako bezpečná a šetrná varianta k uhlí, jehož spalování nepřinášelo životnímu prostředí žádný užitek. V roce 1990 se vyrábělo 65% celkové elektrické energie z uhlí a plyn zaujímal pouhé jedno procento. Dnes jsou obě komodity zastoupeny zhruba půl na půl. Ale právě kvůli dvacetileté absenci nových uhelných elektráren začíná dnes nová vlna návrhů na výstavbu provozů, které by splňovaly přísné emisní limity za použití nejmodernějších technologií. Dle plánů společnosti RWE, která hodlá postavit ve východní Anglii nový provoz na spalování práškového uhlí, bude stát 1 kW instalovaného výkonu okolo 20 tis. Kč (přepočet 1GPD=30Kč). Provozy s kombinovanými cykly na plyn vyjdou až o polovinu levněji než uhelné, také náklady na provoz jsou nižší, účinnost cyklů je vyšší, ale zvyšující se cena plynu dostává tuto variantu na ekonomicky labilní až nevýhodnou pozici. V celkovém srovnání vychází 1 kW generované energie z kombinovaného provozu o 30% dráž než z čistě uhelné. Bereme v úvahu propočty z regionu východní Anglie, kde prodej 1 kW z uhelné elektrárny vychází na 2,6 pence (cca 1 Kč). To bude dosaženo za použití dvou supervýkonných moderních kotlů s 800 MW. Do výše uvedených propočtů může zásadně vstoupit nový ekonomický faktor, kterým je obchod emisními povolenkami. Plyn má mnohem příznivější bilanci obsahu vypouštěných škodlivin, a to může mít vliv na budoucnost výroby elektrické energie. Zatímco u plynu se předpokládá nárůst ceny jen asi o 0,3 pence na kW, uhlí může postihnout až 1 pence na kW. To je za předpokladu, že 1 tuna CO2 bude zpoplatněna sumou okolo 20 liber (6000 Kč). Každopádně se velké energetické podniky pohybují v nákladech na investici provozu okolo 15% celkových nákladů, dnes tvoří 50% náklady na palivo.
47
JADERNÁ ENERGIE Výsledkem činnosti vládních seskupení a boj za životní prostředí dal jaderné energii zelenou. Dokonce i mnozí „zelení“ takovou variantu podporují. V Evropě je několik projektů na výstavbu nových jaderných elektráren a většina na území Anglie a Francie. Jedno je ale patrné díky zuřivým debatám ohledně financování - energie z jádra je velice drahá. Poměrně malá historie jaderných elektráren ještě nenabídla ucelený pohled na ekonomiku jaderných elektráren. Takové provozy byly v některých případech podnětem k národním bankrotům. Dnes se snaží vlády najít privátní investory, kteří by se podíleli na realizaci jaderných provozů. Dají se předpokládat vysoké hodnoty u návratnosti investice. To je důležité, protože financování a vyplacení zpět všech nákladů na výstavbu znamená velkou část ustálené prodejní ceny generované elektřiny. Redukování nákladů na výstavbu je velmi atraktivní cesta k propagaci jaderné energie. Obecně je lepší získat informace o nákladech na již dokončené projekty, než věřit propočtům plánovacích týmů. Nové ceny jsou často přikrášlené nerealistickými odpočtovými sazbami tak, aby výsledná cena elektřiny byla pro spotřebitele lákavá. Ukázková studie (Sizewell) uvádí poměrně realistické číslo na výstavbu 1 KW instalovaného výkonu, a to 87000 Kč. Nové plány uvádějí 33000 Kč, což je značně podtržené. Výhodou jaderné elektrárny je stabilní cena paliva. Zatímco uhlí by se zdražilo o 20%, uran by ve stejném duchu postihlo jen 3% navýšení. Z propočtů vychází, že by 1 kWh byla k dispozici za 1,5 - 2,8 pence. Dle amerických údajů 2,3 - 4,1 pence. Nejnovější studie uvádějí mnohem vyšší ceny, protože berou v úvahu různé faktory, jako jsou uhelné daně, emisní poplatky apod. Další neznámou je postoj národních úřadů vůči skladování vyhořelého paliva. Není vyloučené, že se poplatky spojené s touto skutečností negativně promítnou do ceny a konkurenceschopnosti energie z jádra. To kromě jiného způsobí i směřování investic do okolních států mimo platné emisní poplatky a export elektrické energie do EU, např. francouzské energetické společnosti na severu Afriky. Nakonec je nutné zmínit, že uranové palivo není až tak emisně příznivé, jak by se mohlo zdát. Při hoření se oxidy neprodukují a nákup povolenek není nutný, což jádro zvýhodňuje před uhlím a plynem. Ale k extrahování a úpravě paliva je zapotřebí ohromné množství energie a to by mohl být problém. VĚTRNÁ ENERGIE V rámci EU jsou dva typy obnovitelných energií, které dominují mezi provozy zapojenými do sítě. Vyjma vodních elektráren je to biomasa a větrné generátory mimo pobřeží. Přestože existuje celá řada turbín instalovaných na Zemi, největší rozmach se zaznamenává na moři. V současné době je potenciál takových elektráren jen u pobřeží Anglie okolo 53 TWh/rok (Watson, 2002). Mezi obnovitelnými zdroji je to největší konkurence vůči elektrárnám na biomasu. Je známo, že ceny energií z větrných elektráren za posledních 30 let dramaticky klesly. Ale stejně jako v případě jaderných elektráren je výstavba finančně velmi náročná. Nejvíce 48
peněz samozřejmě pojme nákup turbín, instalace na moři, kotvení a elektrické vedení zpět na pevninu včetně transformátorů. Ironií osudu je, že ceny turbín momentálně opět stoupají vlivem zvýšení cen kovů a především oceli a mědi. U větrných elektráren nejsou náklady na palivo, ale údržba a chod stojí dost velikou část z celkového rozpočtu. Ve studii provedené (Anderson, 2007) byla vyčíslena 1 kWh na 6,8 pencí, za předpokladu 35% provozu a 20leté životnosti. Zejména životnost je o polovinu menší než u uhelné nebo jaderné elektrárny a dá se očekávat, že cena by se v dlouhodobém horizontu přehoupla přes 10 pencí. To je dost pesimistické, ale jiné zdroje uvádějí i 4,6 pencí, přesto je to až dvakrát více, než ostatní výše popsané zdroje elektřiny. V případě větrných elektráren je nutné započítat náklady na pokrytí hluchých období, kdy nefouká vítr, to je specifikum větrných generátorů. ELEKTŘINA ZE SLÁMY Po krátkém shrnutí ekonomiky hlavních představitelů energetických provozů se může objasnit problematika nákladů u elektráren poháněných energií z biomasy. Účelem je pochopení míry konkurenceschopnosti vůči konvenčním technologiím. Pro rozbor ekonomiky jsou popsány dvě hlavní části provozu: samotná sestava technologie a ucelený řetězec dodávek slámy. CENA SLÁMY Sláma je široce dostupná jako zemědělský koprodukt, ovšem s celou škálou využití a tedy i počtem trhů. Cena je ovlivněna hned celou řadou faktorů, od charakteru počasí (který ovlivňuje sklizeň a kvalitu) až po konkurenci na jednotlivých trzích. V Evropě se cena slámy pohybuje okolo 500 - 1500 Kč/t v roce 2007. Nové státy EU mají jiné ceny, neboť míry využití jako plnohodnotného produktu zatím v takovém měřítku chybí. Zde se bere v úvahu balíkovaná sláma z obilí. Ceny se ale dost pohybují a například v Anglii stála jedna tuna v roce 2002 až 3000 Kč, zatímco o rok později došlo k poklesu na 600 Kč (Scott, 2003). Cenu slámy nejvíce ovlivňuje vlhkost materiálu. Při vyšší vlhkosti je zapotřebí více slámy k dosažení nominálního výkonu a to určuje cenu, která bude dodavateli vyplacena za balík slámy. DOPRAVA PALIVOVÉ SLÁMY Ceny uvedené v předchozím odstavci jsou míněny v areálu dodavatele, není v nich započítána doprava do elektrárny, takže se cena biomasy přímo před kotlem logicky navýší. Dle propočtů se již nevyplatí dovážet slámu, pokud je zdroj dále než 50 km od elektrárny. Existují ale v praxi provozy, jejichž rádius je 80 km s tím, že většina dodavatelů je v okruhu 50 km. Například u elektrárny v Eleanu se v okruhu 40 km vyprodukuje 700 ktun slámy, což je okolo 520 ktun v balících, ale požadavky jiných spotřebitelů (podestýlka pod hospodářská zvířata) je tak vysoká, že je nutné zvětšit rádius odběrové oblasti. Tím se i zamezí nepřirozeným jevům na regionálních trzích vlivem nerovné hospodářské soutěže. 49
Existují analýzy (Newman, 2003) o vlivu hutnosti balíků na cenu dopravy. Souvisí to se skutečností, že návěs je limitován spíše rozměry než hmotností nákladu (v případě slámy). Obyčejně se náklady na dopravu pohybují okolo 30% celkové ceny paliva, ale v případě materiálu s menší hutností, jako jsou například stvoly řepky olejné, je dopravné podstatně vyšší. Proto záleží na důsledném výběru spalované suroviny, nejen na vzdálenosti dopravované slámy. V konečném rozpisu nákladů na balík slámy se ukazuje, že dodavatel dostane za jednotku asi desetinu celkové ceny. Všechna ostatní hodnota pokrývá sběr, balení, skladování, nakládku, dopravu a přidružené faktory. CENA MISCANTHUSU Jde o poměrně novou alternativu ke slámě. Jedná se o plodinu pěstovanou pro energetické účely a je jen otázkou času, který prokáže výhodnost pěstování této plodiny oproti využití slámy jako koproduktu z pěstování obilí. V současnosti je dražší nežli sláma. Je to v principu díky vyšším nákladům na balící proces. Na druhou stranu má tento materiál větší hutnost a je možné dosáhnout nižších nákladů na dopravu. Současné ceny pro balík Miscanthusu jsou od 700 do 1300 Kč za tunu. Dopady na cenu vlivem vzdálenosti jsou obdobné jako u slámy. V Anglii je pěstování energetických plodin řízeno vyhláškou, která umožňuje pěstování jen v okruhu 25 mil, tj. cca 35 km od elektrárny. To může značně ovlivnit další vývoj v pěstování a v ceně Miscanthusu. Díky těmto skutečnostem je i předčasné vyhodnocovat situaci, protože neexistuje dostatek relevantních informací ze strany farmářů, protože je nedostatek této suroviny. Farmáři začnou pěstovat Miscanthus ve chvíli, kdy budou mít bezpečné a nasmlouvané dlouhodobé odběratele, aby mohli generovat plusový zisk. Některé studie jsou optimistické (Laeger, 2005). Bohužel ve skutečnosti neexistuje důvěra mezi výrobci a zpracovateli ve využitelnost Miscanthusu. Zde může pomoci nové schéma materiálových zdrojů na straně elektráren nebo vhodné státní podpory do sektoru pěstování energetických plodin. VÝSTAVBA ELEKTRÁRNY Odhady celkových nákladů na výstavbu spalovacího provozu na biomasu jsou diskutabilní. Uváží-li se poměrně malé množství fungujících provozů, především těch s moderními technologiemi, jako je aktivní využití zplyňování, tak je nutné konstatovat naprostý nedostatek informací. Ovšem pokus o získání reálných čísel je nutný, neboť musí dojít ke splácení částek, které se použily na výstavbu, ke stanovení ročních nákladů na provoz a tudíž i na stanovení standardní ceny generované kWh. Rozbor nákladů krok za krokem byl proveden v detailní studii (Caputo, 2005), aby byla získána srovnávací a vysoce relevantní informace o nákladech na výstavbu, pro řadu elektrických provozů na biomasu. Rozsah kapacit byl stanoven na 10-50 MW a je založen na dvou klíčových alternativních cyklech. Oba předpokládají použití technologií fluidního lože. První je přímé spalování pohánějící standardní parní turbínu, označené C/ST, a zplyňování pohánějící kombinovaný cyklus, označeno G/CC. Celkový odhad nákladů je patrný z obrázku níže. 50
Graf 3: Závislosti nákladů na nominálním výkonu elektrárny Kalkulace jsou provedeny na základě kursu Eura v roce 2003 a při porovnání se moc neliší od stavu v roce 2005 (Caputo, 2005). Studie shromažďující průměrné „instalační náklady“ pro devět nejvýznamnějších provozů na Britských ostrovech (včetně Eleanu a Arbre) ukazuje, že menší provozy s nominálním výkonem v rozmezí 10-15 MW mají náklady na 1 kW okolo 2520 liber, což je cca 75000 Kč, u větších provozů s výkonem 30-40 MW se náklady dostávají na úroveň 1860 liber, tj. cca 55000 Kč. Data jsou v souladu s oběma studiemi (Caputo i Renewable East, 2005). Je zajímavé, že Caputo používá i analýzu s jinými typy paliv a dochází k názoru, že elektrárna na biomasu má smysl jen v případě výkonů u systému C/ST nad 25 MW a u G/CC nad 30 MW kapacity. VÝROBNÍ NÁKLADY Aby se daly spočítat celkové náklady na výrobu elektrické energie z přesně určené rostliny, je zapotřebí znát nejen vlastní investice a cenu paliva, ale také vlastní financování a celkové provozní náklady. Teprve důkladné porozumění výše uvedeného dovolí provést citlivé a adekvátní odhady. Stejnou důležitost jako hlavní náklady na výstavbu má její schéma financování (hlavní struktura), což určuje anuitu placenou ročně po celou životnost elektrárny, v mnohých případech i kratších intervalech. Důležité je umoření dluhů a zvolení správné diskontní sazby při jednání s bankami. Podle typu investora se volí bankovní produkty, které jsou buď s vyššími výnosy a vyššími riziky, nebo bezpečnější, ale dražší produkty. Mohou se provést zjednodušení při znalosti správných poměrů dluhu a hodnoty majetku a jejich odpisových sazeb. To vše pak umožňuje efektivní kalkulaci celku. Dodatečné náklady na provoz (fixní i proměnné), zahrnující údržbu, obsluhu a služby, se mohou shrnout jako celkové náklady na chod a údržbu (OaM), často je tato hodnota přepočtena na 1 kW produkované elektřiny, kapacity elektrárny.
51
Je těžké najít odpovídající matematické nástroje. Caputo nabízí určitý způsob počítání OaM nákladů, ale zahrnuje do toho i cenu paliva, ačkoliv by se hodilo i podle jeho slov tuto položku separovat, aby bylo možné úspěšně pokračovat s citlivou analýzou. Jiné studie doporučují výdaje v řádech 3% celkových nákladů, plus proměnné operační náklady v hodnotě 1,1 libry/MWh (cca 35 Kč) pro elektrárny s produkcí 20-50 MW. Např. u elektrárny v Eleanu by to znamenalo asi 2,2 milionu liber ročně, tj. cca 70 mil. Kč nebo přepočteno na 62 liber/kW. Jiná organizace (Carbon Trust) doporučuje úroveň 10,7 liber/MWh pro nominální výkon 30 MW, což se rovná cca 86 librám/kW. K propočtům byla stanovena následující výchozí data: Ceny Euro vůči libře 1,4 EUR=1GPD a inflace činí 2,5% Následné analýzy používají stejné hodnoty, aby se zamezilo komplikacím při výpočtech kvůli změně inflačních hodnot Životnost elektrárny je stanovena na 20 let, během této doby by mělo dojít ke splacení celkových nákladů Ceny dopravného stoupají s nárůstem spotřeby elektrárny, neboť je zapotřebí využívat většího rádiusu svážených balíků, cena od 32 liber za tunu Účinnosti stoupají mírně v souvislosti s kapacitou provozu, dle Caputa jsou vyšší v případě G/CC systému Přes vyšší účinnost výše uvedeného systému si zachovává systém C/ST vyšší zatížitelnost Odpočtová sazba je fixní 10% Náklady na OaM (chod a údržbu) jsou u elektráren s větší kapacitou vyšší, při pohledu na použitý systém mají systémy G/CC nižší provozní náklady.
52
systém provozu
Elean
C/ST
G/CC
kapacita MW
36
10
20
50
10
30
náklady na výstavbu mil.liber/kW
62/1722
26/2650
39/1930
67/1346
30/2990
62/2063
zatížení
92%
90%
90%
90%
85%
85%
účinnost
33%
28%
30%
32%
39%
43%
návratnost
20
20
20
20
20
20
OaM náklady
62
67
64
60
65
60
odpisová sazba
10%
10%
10%
10%
10%
10%
anuita
11,70%
11,70%
11,70%
11,70%
11,70%
11,70%
celkové náklady mil.liber/rok
7,3
3
4,5
7,9
3,5
7,3
provozní náklady mil.liber/rok
2,2
0,7
1,3
3
0,7
1,8
roční výkon MWh
288719
78885
157770
394425
74503
223508
výhřevnost MJ/kg
14,3
14,3
14,3
14,3
14,3
14,3
cena slámy (za tunu, za GJ)
32, 2,24
26, 1,82
28,4, 1,99
32, 2,24
25,1, 1,75 28,3, 1,98
spotřeba tuny/rok
223645
70926
132394
310299
48092
130855
cena paliva mil.liber/rok
7,2
1,8
3,8
9,9
1,2
3,7
celkové náklady mil.liber/rok
16,7
5,5
9,6
20,8
5,4
12,8
cena vyrobené kW (pence)
5,77
7
6,07
5,28
7,21
5,72
faktory
Palivové faktory
Tabulka 5: Vliv technologie a kapacity na náklady DOBA NÁVRATNOSTI Obyčejně se předpokládá, že doba návratnosti by měla být menší než je stanovena životnost elektrárny. Většina scénářů počítá s návratností 15 let a marginální okrajové kapitálové náklady mohou být zdárně redukovány. V takové situaci se dnes nachází mnoho hydroelektráren, které jsou již splacené a díky této skutečnosti se dobře utkávají na trhu s energiemi. Účinná diskontní sazba zůstává na úrovni 10%. Z výše uvedené tabulky se srovnáním nákladů vyplývá, že investiční náklady jsou zásadní a stojí za úvahu tato zařízení 53
najímat jako subdodávku v nejmenším možném časovém úseku. Ve skutečnosti to ale záleží na principu počítání a časovém úseku návratnosti. Cash flow je ovlivněno zkrácením časových úseků návratností, ale je to v prvních letech provozu upřednostňováno. ŽIVOTNOST ELEKTRÁRNY Je jasné, že výrobní náklady jsou mnohem nižší v případě, že se investice navrátí. Proto je záhodno prodloužit životnost provozu, jak jen je to možné. Z výpočtů je možno uvést, že elektrárna s prodlouženým životním cyklem na 25 let a zaplacenými náklady po 15 letech může mít výslednou úsporu nákladů v rozmezí od 6,8 až do 12,3% s tím faktem, že nejmenší elektrárny v každé kategorii budou vykazovat větší benefit. DISKONTNÍ SAZBY Stejně jako v případě délky odpisování jsou účinky zvyšování diskontních sazeb velmi důležité. Doposud se analyzovaly provozy s životností 20 let, neboť je to nejvíce skloňovaná hodnota v literatuře. Tabulka výše ukazuje výsledky zvýšených diskontních sazeb dosahujících až hodnoty 16%. Výsledky ve srovnání se zaplacením investice během 15 let mají očekávaný výrazný vliv na celkové náklady, a to značně díky charakteru elektráren na biomasu jako investičně náročných zařízení. Vezmeme-li v úvahu zvýšení diskontní sazby o 2,4 a o 6 procentního bodu, dostaneme zvýšení nákladů o 11,9%, resp. 18,2%. NÁKLADY NA ÚDRŽBU A VÝSTAVBU Pro tuto analýzu se používá diskontní sazba 10% u všech zařízení, tudíž mohou být hodnoty srovnány s ostatními zástupci v tabulce. Samozřejmě jen pro účely porovnání finančních parametrů, účinky upravených nákladů na výstavbu jsou pociťovány jen v období prvních 15 let, kdy dochází ke splácení investice. Na další život zařízení a cenu generované jednotky to nemá význam. Stejně je tomu v případě účinků na chod a údržbu. Sice tato položka zaujímá malou část celkových nákladů, ale dopady jsou mnohem méně zkoumány, přestože jsou aplikovatelné na celou životnost provozu elektrárny. Toto zjištění je v souladu s tvrzením v (CarbonTrust, 2005), která potlačuje důležitost nákladů na provoz. Avšak čísla v této studii určená pro OaM korespondují s nárůstem zhruba o 20-40% nad naši srovnávací úroveň, získanou z (DTI, 2007), takže se dají očekávat větší nárůsty.
CENY PALIVA Další proměnnou k analýze je cena palivové slámy. Již bylo vysvětleno, že palivo zaujímá velkou část celkových nákladů a že cena slámy se může dramaticky měnit v poměrně malých časových úsecích. Je taky na místě uvést, že právě cena paliva bude hrát významnou roli po 15 letech, po splacení investice, až do konce životnosti provozu.
54
Graf 4: Účinky cen slámy na cenu elektřiny Výše uvedený graf znázorňuje, že dopad dlouhodobé průměrné ceny paliva se mění jako u většiny proměnných, jako je údržba a provozní náklady. V procentním vyjádření účinky jsou více akutní pro větší elektrárny, pro provoz C50 znamená 40% zvýšení ceny palivové slámy nárůst 18% u generované kW, navýšení 40% u nákladů na výstavbu přidá méně než 14% na generované kW. ÚČINNOST A ZATÍŽITEL NOST Poslední proměnné, které je záhodno sledovat, jsou vnitřní faktory, které závisejí na použité technologii a míře využití elektráren. Pro objasnění problematiky budou použity jen zařízení C10 a G10, neboť mají stejnou kapacitu a jsou vyrovnaní konkurenti. Navýšení zatížení u provozu G10 na 90% tak, aby byla dosažena úroveň C10, přinese úsporu nákladů o 4,2%, zatímco snížení faktoru zatížení u C10 na 85% by vedlo k navýšení 3,6%. Zvýšení účinnosti provozu C10 z 28% na 30% až 33% tak, aby se vyrovnal provozu v Eleanu, přinese redukce 2,5 a 5,6%. Zatímco snížení účinnosti provozu G10 z 39% na 36% a 33% znamená nárůsty u nákladů 2 a 4,5%. Jednoduše shrnuto, vyšší cena výstavby u gasifikačního provozu způsobuje menší citlivost na změny v účinnosti a zatížení. Ale pro jakýkoliv provoz všeobecně je přínos ze zvýšení účinnosti, protože menší spotřeba slámy bude automaticky sledována vyššími cenami paliva.
55
SHRNUTÍ Po rozboru účinků různých parametrů na cenu generované jednotky kW je jasné, že není možné s určitostí stanovit cenu všeobecně pro elektrárny používající biomasu. A to ani v případě, že máme danou technologii a kapacitu provozu. Bohužel ani v tomto případě, kdy došlo k mnoha zjednodušením u výpočtů, stále existuje řada proměnných, které nelze dopředu odhadnout a získat relevantní výsledek. Přesto je výčet parametrů v této kapitole dostačující pro pochopení základních principů při počítání výhodnosti elektráren na biomasu. Výsledné hodnoty jsou poměrně příznivé a naznačují, že takové provozy mohou stávajícím uhelným, jaderným a větrným elektrárnám konkurovat. Ukázkové případy s použitím provozu C50 dokazují, že je možné získat 1 kWh za méně než 3,6 pence, tj. cca 1,2 Kč, za předpokladu snížení základních nákladů, provozních nákladů o 20%, to samé u ceny paliva, dále pomůže vyšší zatížení na 92% a buďto zkrácení návratnosti na 10 let nebo prodloužení životnosti na 25 let. Tedy v případě optimistického náhledu může elektřina z biomasy, získaná v provozech s desítkami megawattů, porazit elektřinu z větrných elektráren a může se dotáhnout na úroveň elektráren používající uhlí a plyn. Pokud by se braly v úvahu pesimistické scénáře, zůstane cena energie ze spaloven biomasy dlouho a daleko od horních hranic cen energie z jiných zdrojů, a to včetně jaderné.
56
9
POUŽITÁ LITERATURA:
Department of the Environment, National Sustainable Development Strategy, London, 1994 Department of the Environment, Transport and the Regions, London 1998 DETR, ‘Achieving a better quality of life’, Government Annual Report 2000, Sustainable Development, London, 2000 Waste Strategy 2000: England and Wales (Part 1), Department of the Environment, Transport and the Regions, May 2000 Forth J. P. and Zoorob S. E., ‘Masonry units from soil and bitumen’, ISSN 0950-9615, Proceedings of the 6th International Masonry Conference, London, UK, November, 2002, pp 163-166 Forth J.P, Zoorob S.E, and Dong V.D. (2004) "The development of a masonry unit composed entirely of recycled and waste aggregates", International RILEM Conference on the Use of Recycled Materials in Buildings and Structures, 8-11 November 2004, Barcelona, Spain, Vol. 1, pp. 341-350. Forth J. P., Zoorob S. E. and Thanaya I. N. A., ‘Development of bitumen bound recycled byproduct aggregate building blocks’, Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Construction Materials Journal, June 2006, Issue CM1 S. E. Zoorob, J. P. Forth and H Bailey, ‘Vegeblock: Masonry Units from Recycled Waste and Vegetable Oil’, 21st International Conference on Solid Waste Technology and Management, Philadelphia, USA, March, 2006 Brady G. S., Materials Hand Book, McGraw-Hill, London, p. 126, 1986. Jackson N., Dhir R. K., Civil Engineering Materials, Macmillan Education Ltd., Hong Kong, 1991. American Standard for Testing and Materials, Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete, ASTM C 618-94, 1994. United States Department of Transportation - Federal Highway Administration, Fly Ash Facts for Highway Engineers, http://www.fhwa.dot.gov/pavement, 2005. Tarun R. N., Rudolph N. K., and Rafat S., Use of Wood Ash in Cement-based Materials, A CBU Report, CBU-2003-19 (REP-513), http://uwm.edu/Dept/CBU/report/, 2003. British Standards Institution, Sampling and Testing of Mineral Aggregates, Sands and Fillers, BS 812, London, 1975. British Standards Institution, Methods of Testing for Soil for Civil Engineering Purpose, BS 1377, London, 1990. 57
British Standards Institution, Methods of Determination of Slump, BS 1881, Part 102, London, 1983. http//www.biom.cz British Standards Institution, Method for Determination of Compressive Strength of Concrete Cubes, BS 1881, Part 116, London, 1983. Neville A. M., Cementitious Materials of Different Types, Pearson Education Asia Pte. Ltd., 1995. Abdullahi M., The use of Rice Husk Ash in Low-cost Sandcrete Block Production, Unpublished M. Eng. Thesis, Department of Civil Engineering, Federal University of Technology, Minna, Nigeria, 2003. Dashan, I. I. and Kamang, E. E. I., Some Characteristics of AHA/OPC Concretes: A Preliminary Assessment, Nigerian Journal of Construction Technology and Management, Vol. 2, No. 1, p. 22-28, 1999. British Standards Institution, Specification for Aggregates from Natural Sources for Concrete, BS 882, British Standards Institution, London, 1992.
58
