Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav aplikované a krajinné ekologie
SPALOVÁNÍ BIOMASY JAKO ŘEŠENÍ OCHRANY ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ Bakalářská práce
Brno 2006
Vedoucí diplomové práce:
Vypracovala:
Ing. Mgr. Ladislav Hanuš Ph.D.
Tereza Prasličáková
Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: Spalování biomasy jako řešení ochrany životního prostředí vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém soupisu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně a zpřístupněna ke studijním účelům.
V Brně, dne………………………….. Podpis……………………………….
Poděkování Děkuji panu Ing. Mgr. Ladislavu Hanušovi Ph.D. za odborný dohled nad mou bakalářskou prací, cenné poznámky a připomínky.
Annotation: The aim of this bachelor thesis is to describe incineration of biomass as a solution of the environment protection. The incineration plant in the Dešná village has been used as an example. The incineration plant was built in 1997 with the help of the State Fund of Environment of the Czech Republic. Originally, a quite expensive technology from Denmark was considered while projecting. Nevertheless, during a tender for a building contractor it turned out that a Czech technology is comparable and reasonable (total costs amounted 38,5 million CZK). The incineration plant utilizes incinerates rape and grain straw. The heating plant is an interesting customer mainly for local agricultural subjects (especially Zemspol s.r.o.). The annual purchase of 600 – 800 tons of straw in the amount of ca 400 000,- CZK is attractive economic contribution for these subjects. Apart from straw, the incineration plant is able to incinerate wood chips and sawdust, which mostly come from the local timber mill. The wood material also serves as alternative fuel in case of lack of straw or technical problems. The incineration plant serves as a central heating plant for 90 % of the village (ca 86 households).
Obsah: 1. Úvod........................................................................................................................................9 2. Cíl práce................................................................................................................................10 3. Alternativní zdroje energie ...................................................................................................11 4. Získávání biomasy ................................................................................................................13 4. 1. Rozdělení biomasy.......................................................................................................13 4. 2. Záměrně pěstované energetické rostliny......................................................................14 4. 3. Obilná a řepková sláma................................................................................................15 4. 4. Dřevní odpad................................................................................................................15 4. 5. Úprava fytopaliva pro energetické využití...................................................................16 5. Spalování biomasy................................................................................................................17 5. 1. Charakteristika biomasy jako paliva ............................................................................17 5. 2. Spalování biomasy .......................................................................................................18 5. 3. Zařízení na spalování biomasy.....................................................................................19 6. Využití biomasy v obci Dešná ..............................................................................................22 6. 1. Obec Dešná ..................................................................................................................22 6. 2. Přírodní podmínky a návrh energetického řešení obce ................................................22 6. 3. Vznik centrálního zdroje tepla na biomasu..................................................................24 6. 4. Technické řešení...........................................................................................................24 6. 5. Měření a regulace.........................................................................................................27 6. 6. Rozvod tepla.................................................................................................................27 6. 7. Financování a ekonomika díla .....................................................................................28 7. Význam spalování biomasy pro venkov a ŽP ......................................................................30 7. 1. Význam spalování biomasy pro venkov a životní prostředí ........................................30 7. 2. Ekonomické hledisko spalování biomasy ....................................................................30 8. Závěr .....................................................................................................................................33 9. Seznam literatury ..................................................................................................................35 10. Přílohy.................................................................................................................................37
Seznam tabulek: Tab. č.1.:Výhody a nevýhody plynofikace a centrálního zdroje tepla na biomasu (Srdečný, 2002) 23 Tab.č. 2.:Technické parametry kotelny Dešná................................................................................. 27 Tab.č. 3.: Zdroje financí pro výstavbu kotelny v Dešné .................................................................. 28 Tab.č. 4.: Investiční náklady na realizaci kotelny Dešná ................................................................. 28 Tab.č. 5.:Tarify cen tepla v obci Dešná ........................................................................................... 29
9
1. Úvod Antropogenní skleníkový efekt, globální oteplování a klimatická změna jsou v roce 2006 skutečností, kterou potvrzují pozorování řady vědců i meteorologická měření. Příčinou těchto jevů je zejména spalování fosilních paliv, při kterých se produkuje skleníkový plyn oxid uhličitý (CO2). Zvyšující se koncentrace CO2 a dalších skleníkových plynů (metanu, oxidu dusného, aj.) v atmosféře omezují vyzařování nahromaděného tepla na zeměkouli zpět do vesmíru, což má za následek globální oteplování. Potřeby energie mohou být uspokojovány z různých zdrojů a mnoha formami. V současné době se začíná usilovně hledat náhrada za fosilní energetické zdroje, jejichž vyčerpání se blíží. Člověk využívá uhlí, ropu a zemní plyn, neboť jde o zdroje dostupné, poměrně rovnoměrně rozšířené, a také proto, že technologie jejich zpracování byly vyvíjeny a užívány po velmi dlouhou dobu. Přechod na nové zdroje znamená v mnohém opustit staré zvyky a osvědčené postupy. I když jsou zásoby hlavních energetických surovin na Zemi odhadovány na více než několik set let, bude patrně stále obtížnější a dražší těžit z méně dostupných ložisek. Předpokládáme rovněž, že požadavky na energii porostou, především v rozvojových zemích světa. 21. století již rozhodně nebude ve znamení fosilních paliv, začíná éra alternativních zdrojů a v současnosti jsou bezpochyby právě ty obnovitelné považovány za nejperspektivnější. Nejenže nabízí pokrytí významného podílu spotřeby energie, ale také rozšiřují oblast poznání o tak závažných problémech, k jakým patří mimo jiné vliv růstu spotřeby energie na rovnovážný systém Země. Jedním z důležitých příspěvků obnovitelných zdrojů energie je biomasa. Její význam nespočívá jen v získání nového zdroje energie, ale biomasa pěstovaná má daleko širší souvislosti: například přispívá k omezení skleníkového efektu, umožňuje efektivní využití půdy a v neposlední řadě má i významné sociální aspekty, neboť přispívá k vytvoření nových pracovních příležitostí (ať už při obsluze spalovny na biomasu, tak při jejím záměrném pěstování a následném zpracování). Ze zemědělského hlediska je tento program zvláště výhodný, neboť umožní produkovat netradiční komodity, které neslouží pro potravinářské účely. To znamená, že místo potravin může zemědělství určitým podílem produkovat energii. K tomu, aby obnovitelné zdroje energie (v tomto případě biomasa) jako možnost, byly vzaty v úvahu rovnocenně s ostatními zdroji však spotřebitelé v naprosté většině případů nemají informace. To samozřejmě platí také i při řešení komunální energetiky.
10
2. Cíl práce Cílem této práce je popis problematiky využívání alternativních zdrojů energie, popis způsobů získávání biomasy pro energetické účely, zdokumentovat na příkladě vybrané spalovny na biomasu její výstavbu a provoz a zhodnotit přínosy spalování biomasy pro ekologickou, ekonomickou a sociální rovinu venkova a ochranu životního prostředí. Dalším úkolem je popis využití biomasy (přesněji fytomasy a dendromasy) jako zdroje tepelné či elektrické energie, popis kladných a záporných stránek spalování biomasy, způsobů získávání, upravování a spalování biomasy a popis zařízení určených ke spalování biomasy. Práce zároveň může sloužit jako příklad při rozhodování a následném realizování spalovny na biomasu. Veškeré tyto výše jmenované informace jsou shrnuty a prezentovány jednou konkrétní již zrealizovanou spalovnou na biomasu – spalovnou v obci Dešná, specializující se na spalování řepné a obilné slámy. Tuto spalovnu jsem si zvolila protože se jedná o první ryze českou kotelnu na spalování biomasy a zároveň je průkopníkem v získávání energie ze slámy, což je ukázkou jak se dá efektivně využít nadprodukce slámy v okolí obce.
11
3. Alternativní zdroje energie Současný trend v energetické politice prosazuje vyrovnaný "energetický mix" jednotlivých zdrojů energie. Jejich role je přímo závislá jak na hodnocení z hlediska trvale udržitelného rozvoje, tak z hlediska ekonomických ukazatelů. Kromě primárních zdrojů (fosilní paliva, uran), to platí i pro tzv. alternativní zdroje, častěji nazývané jako zdroje obnovitelné. (www.alternativni-zdroje.cz)
Energie biomasy Biomasa je organická hmota rostlinného nebo živočišného původu. Je získávána jako odpad ze zemědělské, průmyslové činnosti, jako komunální odpad. Biomasa může být i výsledkem záměrné výrobní činnosti v zemědělství, lesnictví. Je nejstarším lidmi využívaným zdrojem energie. Efektivní a ekologické využití biomasy má minimální negativní vliv na životní prostředí. Biomasu je možné využívat přímým spalováním v topeništích (dřevo, dřevní odpad, sláma atd.) i k výrobě ušlechtilých paliv (pelety, brikety, bioplyn, etanol, bionafta), které podstatně méně zatěžují životní prostředí než klasická paliva (černé, hnědé uhlí, lignit, ropa, aj.). Výroba biomasy je pro životní prostředí spíše přínosem (likvidace odpadů, zalesňování nevyužité a často nevyužitelné půdy), než dobývání fosilních paliv. (http://www.energ.cz)
Energie slunečního záření Přímé sluneční záření je využitelné v tepelných kolektorech, kde je záření absorbováno v tmavých panelech, kterými protéká ohřevné médium, nejčastěji voda. Ta je pak využívána přímo jako užitková voda, nebo jako topné médium. Sluneční světlo lze přímo převést na energii elektrickou pomocí tzv. fotovoltaických článků. Nevýhodou slunečních kolektorů a fotovoltaických článků je hlavně nedostatek slunečných dnů v některých oblastech na Zemi a také poměrně malá účinnost. (Braniš, 1999)
Energie vody Energie vodních mlýnů a elektráren je sluneční energie transformována do energie vodní masy. Hnací silou pro koloběh vody je Slunce. Využitelná je také energie vln a v některých pobřežních oblastech energie mořského přílivu a odlivu. I když je vodní
12
energie jednou z nejčistších energií, stavba přehradních nádrží ovlivňuje ekosystémy v zaplavených říčních nivách. (Braniš, 1999)
Energie větru Kinetická energie větru byla využívána již tradičně ve větrných mlýnech. Dnes je převáděna na elektrickou energii v moderních větrných elektrárnách. Nevýhodou větrných elektráren je nepravidelnost v síle a směru větru, zábor půdy a také hluk listů vrtulí. (Braniš, 1999)
Geotermální energie Jedná se o teplo zemského nitra, nejčastěji využívané v podobě horkých pramenů z hloubkových vrtů. Tato energie je však dosažitelná pouze v některých oblastech světa a ne vždy jsou zdroje termálních pramenů nevyčerpatelné.
Využití tepelných čerpadel Energii k vytápění a k ohřevu vody lze získávat i pomocí tzv. tepelných čerpadel. Teplo se odebírá z vrtů, z půdy, řeky nebo jezera pomocí nízkovroucí kapaliny v plynném skupenství. Ta se v kompresoru tlakem zkapalňuje a zahřívá. Předává pak teplo vlastnímu vytápěcímu médiu, kterým je obvykle voda. V expanzním ventilu se zkapalněný plyn rozpíná, ochlazuje a v systému trubek mimo dům opět pohlcuje okolní teplo. Celý cyklus pokračuje stlačením v kompresoru. (Braniš, 1999)
13
4. Získávání biomasy 4. 1. Rozdělení biomasy Energetickou biomasu rozděluje Pastorek (2001) dle původu a obsahu specifických látek do pěti základních skupin: 1. fytomasa s vysokým obsahem lignocelulózy, 2. fytomasa olejnatých plodin, 3. fytomasa s vysokým obsahem škrobu a cukru, 4. organické odpady živočišného původu, 5. směsi různých organických odpadů.
Z technologického hlediska Pastorek (2001) rozeznává dvě hlavní skupiny zdrojů energetické biomasy: I. Biomasa záměrně produkovaná k energetickým účelům: a)
energetické plodiny lignocelulózové: - energetické dřeviny (vrby, topoly, olše, akáty a další stromy a keře) - obiloviny (celé rostliny) - travní porosty (sloní tráva, chrastice, TTP) - ostatní rostliny (konopí seté, čirok, křídlatka, šťovík krmný, atd.)
b)
energetické plodiny olejnaté (řepka olejka, slunečnice, len, atd.)
c)
energetické plodiny škrobnato-cukernaté (brambory, cukrová řepa, cukrová třtina, kukuřice, atd.)
II. Biomasa odpadní: a)
rostlinné zbytky ze zemědělské prvovýroby a údržby krajiny (sláma, zbytky po likvidaci křovin a lesních náletů, zbytky lučních a pastevních areálů, odpady ze sadů a vinic, travní porosty z úhorů, parkových úprav),
b)
odpady z živočišné výroby (exkrementy z chovů hospodářských zvířat, zbytky krmiv, odpady z přidružených zpracovatelských kapacit),
c)
komunální organické odpady z venkovských sídel (kaly z odpadních vod, organický podíl tuhých komunálních odpadů, odpadní organické hmoty z údržby zeleně a travnatých ploch),
d)
organické odpady z potravinářských a průmyslových výrob (odpady z jatek, odpady z mlékáren, odpady z lihovarů a konzerváren),
14
e)
odpady z lesního hospodářství (dřevní hmota z lesních probírek, kůra, větve, pařezy, kořeny po těžbě dřeva, a palivové dřevo, manipulační odřezky, klest).
4. 2. Záměrně pěstované energetické rostliny Současná celosvětová zemědělská situace nutí zemědělce uvádět půdu do klidu a pěstování fytopaliv je jedním z možných řešení jak neponechat půdu ladem. Mimo to lze energetické rostliny pěstovat také na důlních výsypkách, složištích popele i na dalších deficitních půdách. (Petříková, 1996). Cíleně pěstované energetické rostliny lze rozdělit na dvě hlavní skupiny: rychle rostoucí dřeviny, byliny.
Rychlerostoucí dřeviny Hlavní rozdíl při pěstování energetických dřevin na plantážích oproti běžnému způsobu je v době mezi sázením stromů a těžbou dřeva, která je u energetických plantáží kratší (2 – 8 let). Nejvhodnějšími energetickými dřevinami jsou obecně rychlerostoucí dřeviny jako eukalypty, platany, topoly a vrby, ale pokusy se provádí také s olší, akáty, jasany, borovicemi, pajasanem žláznatým. Pro plantáže s krátkou dobou obmýtí se nejlépe hodí v našich podmínkách topoly (především topol černý, balzámový a další odrůdy, které jsou na vysokou produkci biomasy speciálně šlechtěné) a vrby. (Kovařík, 1999) Vlastní sklizeň rychlerostoucích dřevin probíhá v zimě, kdy je zmrzlá půda, opadlé listí a sušina dřeva je nejvyšší. Sklízení plantáží je možné provádět například motorovou pilou upevněnou na nosný rám na traktoru.
Energetické byliny Méně rozšířený způsob získávání biomasy pro energetické účely je pěstování nedřevní hmoty, tj. bylin. Toto pěstování zatím nemá v České republice žádnou tradici. Spousta využitelných rostlin je málo známých. Hlavním kritériem pro výběr rostliny je její výnos nadzemní hmoty, kdy pro efektivní využívání se musí počítat s výnosem sušiny kolem 10 t/ha za rok. Z toho vyplývá, že rostliny musí být vysoce vzrůstné a nepříliš náročné na stanoviště. Příkladem u nás využívaných energetických rostlin jsou: sléz kadeřavý, chrastice rákosovitá, topinambur hlíznatý, šťovík krmný Uteuša, mužák prorostlý, komonice bílá, ozdobnice čínská, křídlatka japonská, křídlatka sachalinská, konopí seté, aj. (Kovařík, 1999)
15
4. 3. Obilná a řepková sláma Sláma se jako zdroj energie jeví pro mnoho zemědělských podniků jako nejdostupnější. Při plánování jejího tepelného využití je však třeba brát zřetel na úrodnost půdy. Pro spalování lze bez problémů využít cca 33% vyprodukovaného množství. Pro představu z jednoho hektaru je možné sklidit cca 4,5 tuny slámy. (Kovařík, 1999) Ve světě se sláma nejčastěji pálí ve velkých balících, ale postupně se začínají prosazovat i lisované brikety a peletky. Do těch je ale nutné slámu nejprve sešrotovat, což ovšem představuje zvýšení množství energie potřebné pro přípravu paliva a tedy zhoršení výsledné bilance. Dosud nepříliš rozšířené je pěstování energetických obilovin (hlavně pšenice), které jsou pro produkci tepla využity včetně zrna. Pro sklizeň celých rostlin je nutné využít jiných postupů – nejlépe žacím strojem kulturu posekat, nechat dosušit na místě a sklidit pomocí lisu nebo samosběracího lisu
4. 4. Dřevní odpad Dřevo bylo historicky nejstarším palivem a ještě v polovině minulého století krylo 90 % potřeb primárních energetických zdrojů. Ještě dnes představuje pro ¾ světové populace žijící v rozvojových zemích spalování biomasy hlavní zdroj primární energie. (Štekl, 2003) V průběhu zpracování dřeva, počínaje těžbou a konče finálními výrobky vzniká dřevní odpad, jehož množství a fyzikální vlastnosti jsou závislé na technologii zpracování a objemu zpracované dřevní hmoty. Lesní závody produkují ročně asi 0,5 mil. m3 štěpky. Štěpka se suší a třídí, pak se používá do dřevotřískových desek. Jinak nevyužitelné množství štěpky je po třídění spalováno v kotli. Většinou je netříděná štěpka spalována v kotlích a získaná tepelná energie je v závodech využívána k topení a sušení. (Noskievič, 1996) V současné době je odkorňováno v lesních závodech asi 82 % sklizeného porostu, zbytek je odkorňován v dřevozpracujících závodech. Jen malá část kůry je drcena a využívána k topení nebo kompostování. (Noskievič, 1996) Při současné úrovni technologií zpracování kmenového dříví je v ČR cca 23% ztrát. Využití kmenového dříví se u nás pohybuje mezi 46 – 50 %. Stejné množství dříví, které ročně těžíme, zůstává nevyužito (označujeme ho jako odpad) a je potenciální rezervou pro
16
energetické využití. Zatím u nás jednoznačně převládá energetické využití odpadů z dřevovýroby. To nepředstavuje ekologická rizika, spíše naopak – jde totiž o materiály, které jsou i dle zákona č. 185/20001 Sb, odpadem. (Simanov, 2003)
4. 5. Úprava fytopaliva pro energetické využití Fytopaliva, která získáme po těžbě v lese, z dřevozpracujících podniků či po sklizni v zemědělských podnicích, nemají zpravidla vhodné parametry k přímému energetickému využití. Tyto vhodné vlastnosti získáme po úpravách:
1)
Sušením
Vlhkost fytomasy má přímý vliv na její výhřevnost a tím její energetickou efektivnost a proto se vyžaduje minimální vlhkost cca 20%. Vzhledem k vysoké energetické náročnosti sušičů je co nejvíce k sušení využíváno slunečního záření přímo na místě sklizně.
2)
Rozměrovými úpravami
Především pro kotle pracující na automatickém principu je nutné rozměrové upravení biomasy, s ohledem na konstrukci podávacího zařízení či použité technologie. Palivo může mít po úpravě formu: Štěpky
–
posekaná
biomasa
dřevitého
původu.
Nejčastěji
se
používá
v automatizovaných kotlích, zvyšuje možnost regulace Polen – tradiční palivo hlavně malých kotlů Řezanky – ekvivalent štěpky u energetických bylin 3)
Briketování a peletování
Biopaliva rozdrcená na drobné části a slisovaná do pravidelné formy, jsou označována jako brikety, pelety či granule. Rozdíl mezi nimi je ve velikosti a použití.
17
5. Spalování biomasy 5. 1. Charakteristika biomasy jako paliva Chemické složení biomasy Všechna paliva rostlinného původu se vyznačují podobným obsahem hořlavých látek, především uhlíku, vodíku, kyslíku. Výrazný je podíl těkavých spalitelných látek (70 – 80%), což má vliv na odlišnou konstrukci spalovacích zařízení. Proto topeniště na biopaliva jsou prostornější, než topeniště na spalování fosilních paliv. Elementární složení biomasy a zvláště přítomnost některých anorganických prvků má výrazný vliv na složení vznikajících spalin i popele. (viz. příloha 1., 2., 3.) Vlhkost ovlivňuje chování při spalování a objem produkovaných spalin. Obecně platí, že obsah vlhkosti dřevní štěpky nemá přesáhnout 30 %. U slámy je přijatelný obsah vlhkosti do 20%. S vlhkým biopalivem jsou také problémy při dlouhodobějším skladování, vzniká riziko rozmnožení hub a plísní spojené s degradováním energetického obsahu. Téměř veškerý dusík obsažený v palivu se při spalování mění na NOx, zatímco u dřevní hmoty a slámy nepředstavuje množství dusíku závažnější problém, spalování travin a především jetelovin by mohlo vést ke zvýšenému výskytu NOx ve spalinách. Chlor přítomný v biomase přechází při spalování kompletně do spalin, za vzniku HCl, Cl2 a jiných sloučenin. Se snižující se teplotou spalin v kotli je část Cl vázána na popílek, zbytek uniká jako HCl společně se spalinami. (Pastorek , 2004) Při spalování tuhých paliv se spalitelná síra přemění na oxid siřičitý SO2. Část oxidu siřičitého se za určitých podmínek přemění na oxid sírový SO3. ten potom vytvoří s vodní párou kyselinu sírovou. Zkondenzovaná kyselina sírová H2SO4 jednak působí korozívně na železné součásti kotlů, jednak podporuje tvoření stmelených nánosů Podobně jako u chloru, 40 – 90% celkové síry obsažené v palivu je vázáno v popelu, zbytek je emitován jako SO2, popřípadě SO3 společně se spalinami.
Spalné teplo a výhřevnost Spalné teplo a výhřevnost jsou základní energetické charakteristiky každého paliva. Spalné teplo (Qv) je teplo uvolněné dokonalým spálením měrné jednotky paliva při ochlazení spalin na původní teplotu paliva včetně zkondenzované vodní páry na vodu. Výhřevnost (Qn) je definována jako množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením paliva bez tepla, které sebou při hoření paliva odnáší odpařená nebo hořením
18
vodíku vzniklá voda. Výhřevnost biomasy je srovnatelná s výhřevností hnědého uhlí. (Pastorek, 2004) (viz. příloha 4.)
Obsah prchavé hořlaviny Prchavou hořlavinu tvoří plynné hořlavé látky, které se zpravidla z paliva uvolňují při zahřátí na určitou teplotu. Obsah prchavé hořlaviny závisí na geologickém stáří paliva. Čím je palivo geologicky mladší, tím má vyšší obsah prchavé hořlaviny. Nejméně prchavého podílu mají antracity, nejvíce prchavé hořlaviny obsahuje biomasa (viz. příloha 5.). Mladší paliva s vyšším podílem prchavé hořlaviny se zapalují snadněji než paliva starší. Uvolňování prchavé hořlaviny značně ovlivňuje průběh a rychlost hoření paliva.
Obsah popele Popel je zbytek, který zůstane po dokonalém spálení biomasy. Popel svou přítomností v palivu snižuje podíl hořlavých látek a tím výhřevnost paliva. Hlavní složky popela jsou oxidy: CaO, K2O, Na2O, SiO2, Fe2O5 a P2O5. Obsah těchto složek je velmi proměnný a závisí na klimatu a druhu půdy v místě růstu fytomasy (viz. příloha 6.). Popel z biomasy obsahuje tedy značné množství živin, zvláště CaO,K2O, proto je možné ho s výhodou dále používat jako hnojivo. Obecně biomasa obsahuje nižší procento popele než uhlí (viz. příloha 7.).
5. 2. Spalování biomasy Spalování je nejstarší známou termochemickou přeměnou biomasy. Spalování je oxidace aktivních látek paliva kyslíkem odebíraným z atmosféry, za vzniku tepelné energie. Dostatečné množství kyslíku, vysoký obsah sušiny a provozní teplota nad hranicí zápalné teploty materiálu jsou předpokladem pro ekologicky přijatelné efektivní spalování biomasy. Tyto podmínky může splnit pouze zařízení konstruované na spalování biomasy a provozované podle pokynů výrobce. (Pastorek, 2001)
19
Spalovací proces dle Pastorka (2001) probíhá ve čtyřech fázích: 1.
Sušení - v materiálu se postupně snižuje obsah vody a začne se zahřívat.
2.
Pyrolýza - po dosažení zápalné teploty při dostatečném přísunu kyslíku se uvolňuje spalné teplo a materiál se postupně rozkládá na hořlavé plyny, destilační produkty a zuhelnatělý zbytek.
3.
Spalování plynné složky - hoření plynných složek prodlužuje plamen a zvyšuje teplotu plynných spalin.
4.
Spalování pevných látek - při dostatečném přístupu kyslíku dohořívají pevné látky na roštu, přičemž se vytváří oxid uhelnatý (CO), který dále oxiduje na oxid uhličitý (CO2).
Optimální teplota pro spalování biomasy se pohybuje v rozmezí 800 – 1 000˚C, při nižších teplotách nedochází k plnému rozložení složitých organických látek a mohou vznikat škodlivé látky dehtové povahy, aromatické uhlovodíky. Naopak vyšší teploty zapříčiňují vznik NOx ze vzdušného dusíku.
5. 3. Zařízení na spalování biomasy Zařízení na spalování biopaliv se volí především dle druhu biopaliva a dle požadavku na tepelný výkon udávaný v kW nebo MW. Tepelný výkon se pohybuje od cca 5 kW u výkonnějších pokojových kamen přes 20-50 kW u dřevozplyňujících kotlů pro rodinné domy až k vysoce výkonným zařízením pro vytápění obcí a měst s tepelným výkonem okolo 10 MW. Jevič (2004) spalovací zařízení rozděluje: Lokální topidla Používají se pro vytápění malých prostor. Mohou být doplňkem ústředního vytápění. Jedná se o krbová kamna na kusové dřevo, klasická sporáková kamna, cihlové pece, kachlová kamna a krby. Kotle malých výkonů (20 – 60kW) na spalování biomasy V kotlích tohoto rozsahu výkonů se spaluje převážně dřevo. Pro dříví je specifické, že mezi tuhými palivy obsahuje nejvyšší podíl plynných látek uvolňovaných pyrolýzou. Z toho vyplývají neopomenutelné důsledky pro konstrukci těchto topenišť (např.menší přívod kyslíku pod rošt, naopak větší přívod kyslíku do proudu unikajících spalin, aj.).
20
Kotle středních výkonů (100 kW – 5 MW) na spalování biomasy Použití těchto kotlů si vzhledem k automatizaci procesu spalování vyžaduje úpravu paliva v podobě štěpky (popř.v podobě špalíků, odřezků, hoblin, nebo pilin). Pro dopravu paliva se obvykle používají šnekové dopravníky a podávací zařízení. U kotlů středních výkonů rozeznáváme různé technologie spalovacích zařízení. S aplikací šnekového podávacího zařízení souvisí použití spodního přívodu paliva. Štěpka je v tomto případě do spalovací komory přisouvány zdola a odhořívá shora. (Jevič, 2004) Posuvné rošty jsou šikmé roštové plochy sestavené z roštových lamel skloněných pod úhlem 15 až 18˚, ovládaných elektricky, pneumaticky nebo hydraulicky. Jednotlivé stupně roštu jsou upevněny na nosné tyči tak, že konce roštnic jednoho stupně se opírají o povrch roštnic stupně následujícího, po kterém při pohybu kloužou. Při přesouvání a přesypu z jednoho stupně na druhý se palivo částečně převrací a smíchává s palivem ještě nevzníceným. Při pohybu vrstvy se rozlámou spečené kusy škváry a posouvaná vrstva vytlačuje vyhořelou škváru z konce roštu do škvárové výsypky. Posuvné rošty jsou obzvláště vhodné pro spalování biopaliv vlhkých nebo s anorganickými příměsemi. Řetězový rošt je v podstatě nekonečný pás, jehož horní plocha, na které spočívá vrstva paliva, tvoří řoštovou plochu. U řetězového roštu je roštový pás složen z plochých deskovitých roštniček. U pásových roštů jsou roštnice upevněny na příčných tyčích unášených dvěma postranními tažnými řetězy. Rošt je v provozu tepelně namáhán pouze v horní části, zatímco spodní část se chladí přiváděným spalovacím vzduchem. Proto pásový rošt snese výhřevnější palivo v porovnání s posuvnými rošty. (Jevič, 2004) Pod pojmem předtopeniště se rozumí samostatná energetická jednotka pro efektivní spalování dříví, z níž jsou horké spaliny vedeny do následného výměníku tepla. Hlavní předností předtopenišť je to, že se mohou předřadit k již instalovaným kotlovým jednotkám na fosilní paliva, jež pak plní funkci výměníku tepla. Další možnou verzí kotlů středních výkonů jsou kotle na slámu. S jejich využíváním začali zemědělci. Šlo o spalovací zařízení menších výkonů, kolem 50 až 100 kW, pro potřeby rodinných farem. Tvar spalovací komory byl přizpůsoben balíkům slámy. Původní kotle byly na ruční přikládání, lepší kotle měly zásobník balíků, aby nebylo zapotřebí často přikládat. Pozdější typy kotlů byly ve tvaru velkých balíků s přikládáním traktorovými vidlemi nebo vysokozdvižnými vozíky. Nejlepší parametry mají kotle s rovnoměrnou dodávkou paliva. Vzhledem k tomu, že nejčastější formou sklizené slámy jsou velké
21
balíky, je nutná úprava balíků před spálením. Obří balíky se vidlemi podávají na rozebírací stůl, odkud se řezanka pneumatickým systémem dostává k topeništi. Zatím nejpropracovanějšími spalovacími zařízeními jsou kotle na spalování obřích balíků o výkonech přes 1 MW, která slouží jako zdroje tepla v centrálních výtopnách. (Jevič, 2004) Kotle velkých výkonů 5 MW a více na spalování biomasy - jsou požadovány při centralizovaném zásobování teplem. Centralizované zásobování teplem je systém, kdy je teplo vyráběno zpravidla v jednom zdroji tepla a dopravováno ke spotřebiteli tepelnými rozvody. Kombinovaná výroba elektrické energie a tepla z biomasy Tepelná energie vzniklá spalováním biomasy může být z části přeměněna na elektrickou energii, aniž by utrpěl záměr vytápět určitý areál. Naopak celková účinnost zařízení se podstatně zvyšuje. Výroba elektřiny v teplárně nejen kryje potřebu vlastního objektu, sídliště či podniku, ale tržbou přispívá i k efektivnosti provozu. (Jevič, 2004)
22
6. Využití biomasy v obci Dešná 6. 1. Obec Dešná Obec Dešná leží v nadmořské výšce 466 metrů v rovinaté krajině na rozhraní jižní Moravy a Čech v bezprostřední blízkosti státní hranice s Rakouskem a sousedí s okresy Třebíč a Znojmo. Skládá se celkem ze sedmi místních částí (Dančovice, Dešná, Bělčovice, Hluboká, Chvalkovice, Plačovice a Rancířov) s celkovým počtem 760 obyvatel. Největším sídlem je Dešná, kde žije trvale 320 obyvatel. Tento počet se udržuje již od poloviny minulého století pouze v Děšné, v ostatních místních částech dochází k výraznému úbytku. V obci je poměrně vysoký stupeň vybavenosti. Je zde pošta, zdravotní a matriční obvod, fara a kostel sv. Jana Křtitele, základní škola, mateřská škola, kulturní dům, dvě restaurace a dva obchody. Není zde prakticky kromě menší oděvní provozovny a menší pily, zastoupen průmysl. Převážně zemědělský charakter obce se zachoval i do dnešní doby zejména vzhledem k příznivým půdním podmínkám. Zemědělství, které má dále velkovýrobní charakter, je hlavním zdrojem pracovních příležitostí. Zástavba zejména v místních částech obce nezměnila ve většině případů svůj charakter a je ukázkou tradiční venkovské architektury. Místní část Plačovice je chráněnou památkovou zónou. Obec Dešná dále spravuje vlastní lesní porosty, provozuje autodopravu, vodovod a kanalizační systém. Obec není plynofikována, trpí poměrně vysokou nezaměstnaností, která do značné míry vyplývá ze situace v zemědělství. (www.desna.cz)
6. 2. Přírodní podmínky a návrh energetického řešení obce Obec Dešná obdobně jako velká většina českého venkova byla v době před druhou světovou válkou plně soběstačná v zásobování palivem, a to dřevní hmotou. Později bylo toto ekologické palivo nahrazeno levnými uhelnými palivy, která umožnila vzniknout klasickým teplovodním ústředním vytápěním v nově stavěných a modernizovaných venkovských domech s výrazně vyšším standardem bydlení než u dřívějších lokálních topenišť. S postupujícím zájmem o zlepšování životního prostředí a rozvojem plynofikace bylo nutné zvolit i další směr v zásobování obce palivem. Zvažovány proto byly zejména dvě varianty – plynofikace nebo návrat k samozásobování obce vlastními energetickými zdroji, kterými je vzhledem k zemědělské velkovýrobě zejména obilní sláma.
23
Tab. č.1.:Výhody a nevýhody plynofikace a centrálního zdroje tepla na biomasu (Srdečný, 2002) Plynofikace obce Jednorázová záležitost
Proinvestuje se menší objem peněz Vložené prostředky se nikdy přímo nevrátí – ekonomicky jasně ztrátová investice
Občané musí sami něco investovat: plynová přípojka, nový kotel, vyvložkování komína aj. Horší rozptylové podmínky – nízkých komínů Peníze za energii odchází z obce Žádné nové pracovní příležitosti
mnoho
Výstavba centrálního zdroje tepla (CZT) na biomasu Dlouholetý provoz – údržba, nákup paliva, likvidace odpadů, případně platby za znečištění ovzduší Proinvestuje se větší objem peněz (zhruba třikrát až čtyřikrát víc než u plynofikace) Vložené prostředky se vrátí – buď jen částečně (mírně ztrátová investice), nebo zcela (nulový zisk), nebo přinesou přímý finanční zisk pro provozovatele (obec) Občané nemusí investovat skoro nic (jsou připojeni zdarma nebo za malý poplatek, výměníková stanice patří CZT, někdy je nutná úprava topení v domě) Lepší rozptylové podmínky- jeden centrální vysoký komín, kontrolované emise Peníze za energii zůstávají v obci nebo v regionu Několik nových pracovních příležitostí (obvykle na částečný úvazek)
Možnosti získání dostatečného množství slámy vycházejí z přírodních podmínek území obce Dešná, které má celkem výměru 3 767 hektarů, z čehož 3 088 hektarů zabírá zemědělská půda (82%), na které jsou z větší části pěstovány obilniny. Pouze 455 hektarů zabírají lesní plochy. Katastrální území místních částí Hluboká, Plačovice a Dešná jsou na prvních třech místech cenové mapy zemědělských pozemků v okrese Jindřichův Hradec. Vzhledem k relativnímu dostatku zemědělských ploch byla ověřována i možnost zajištění potřebného množství paliva z rychlerostoucích dřevin. Produkce řepkové slámy se pohybuje mezi 3 až 5 tunami na hektar, produkce obilní pak činí přibližně 4 tuny z hektaru. K zásobování celé obce teplem proto postačuje produkce slámy z cca 8% výměry zemědělské půdy. Po podrobné přípravě bylo rozhodnuto volit cestu samozásobování, a to jak z důvodů ekologických, tak ekonomických se snahou zachovat život ve venkovském prostoru, který je do značné míry závislý na zemědělské výrobě.
24
6. 3. Vznik centrálního zdroje tepla na biomasu Představitelé obce reagovali na vyhlášený program ozdravění ovzduší MŽP ČR a SFŽP a rozhodli se nahradit převažující uhelné lokální vytápění centrálním zdrojem na biomasu. Bezprostřední okolí obce nabízí přebytky slámy. Na toto palivo byl zpracován projekt zdroje. Původně se uvažovalo o poměrně drahé technologii z Dánska. Při výběrovém řízení na dodavatele stavby se však ukázalo, že česká technologie je srovnatelná a cenově dostupná. Pro realizaci projektu byl vybrán generální dodavatel Stavcent Jindř.Hradec a.s. se subdodávkou technologického zařízení tuzemských výrobců VERNER Červený Kostelec (vlastní kotle s přísunem paliva a regulací) a Step TRUTNOV a s. (spalinové výměníky, spalinové cesty a čištění plynů). Tím se celkové náklady podstatně snížily, za přispění projektanta Dopravoprojekt Brno A.s. a Energis 92 Hradec králové. Pro výstavbu výtopny byl vybrán doposud nevyužívaný pozemek poblíž centra obce. Přitom byla adaptována a využita v těsném sousedství stojící stodola pro sklad slámy (viz. příloha 8). Instalovaný výkon zdroje 2,7 MW postačuje pro vytápění a přípravu teplé užitkové vody jak v obci Děšná, tak v sousedních Dančovicích i Plačovicích. Tyto obce jsou vzdáleny 600 m od prozatím ukončeného rozvodu tepla v Dešné. S napojením těchto místních částí se uvažuje v budoucnu. Výstavba celého zdroje probíhala od 17.2.1997 do 30.9.97 (stavební i technologická část). Zdroj byl uveden do zkušebního provozu 1.října 1997 a do trvalého provozu byl spuštěn 14.3.1998. (Informační brožura Obce Dešná, 1999)
6. 4. Technické řešení Doprava a skladování O dodávku paliva se dle smlouvy s Obci Dešná jako majitelem spalovny stará hlavně místní firma Zemspol Dešná s.r.o. Řepková a obilní sláma se po sklizni lisuje lisem HESTON do kvádrových balíků o rozměrech 120x90x160 cm na polích v bezprostřední blízkosti obce (viz. příloha 9.). Ukládána je do stohů pomocí hydraulických nakladačů. Stohy slouží jako meziskládka před přepravou do krytého skladu (bývalé stodoly). Při nákupu slámy od zemědělců jsou vrchní vlhké balíky ze stohu odstraňovány a nakupuje se jen vnitřní suchá sláma. Z přepravníků jsou balíky vyloženy před skladem a pomocí vysokozdvižného vozíku uloženy. Kvůli požadavkům na požární bezpečnost je sklad paliva vzdálen od kotelny
25
cca 10m. Ve skladu lze umístit asi 270 balíků slámy o váze jednoho balíku asi 280 kilogramů. Toto množství postačí podle odběru tepla na 14 až 50 dnů. Obsluha vždy několik balíků uloží na automatickou rozdružovací linku, která balíky rozřeže a slámu pneumaticky dopravuje do kotle dle potřeby. Denní spotřeba slámy se pohybuje okolo 1,5 tuny (6 balíků) při venkovní průměrné teplotě 10ºC, do 5,5 tuny (20 balíků) při teplotě –15 až –20 ºC. Kromě slámy je kotelna schopna spalovat dřevní štěpky a piliny, které jsou převážně získávány z místní pily. Dřevní hmota je uskladněna v betonovém bunkru v sousedství kotelny (viz. příloha 10.), odkud je samostatným šnekovým a pásovým dopravníkem přesunována do zásobníku před kotli. Dřevní hmota slouží rovněž jako náhradní palivo v případě nedostatku slámy nebo technických problémů.
Příprava slámy pro spalování Balíky slámy jedou jeden za druhým po pásovém dopravníku do rozdružovače (viz. příloha 11.), kde jsou stébla dělena na kousky dlouhé 10 až 15 cm. Ty jsou dále dopravovány pneumatickou dopravou do zásobníku v kotelně, vzdáleného 25 m od rozdružovače (viz. příloha 12.). Délka dráhy pro uložení balíků je 26 m a je-li večer naplněna balíky slámy, vznikne provozní zásoba paliva na celonoční plný provoz kotlů (při max. výkonu nejméně na 12 hodin). Ze zásobníků je palivo šnekovými podavači dopraveno k hořákům. Náhradním palivem mohou být dřevní štěpky, pro jejichž efektivní spalování jsou hořáky rovněž přizpůsobeny. Palivo je přivedeno do kotelny, v malém zásobníku (na slámu i dřevní hmotu) je rozděleno na kotle dle jejich momentálních potřeb a šnekovými dopravníky posouváno do předtopenišť kotlů.
Kotle Jsou instalovány 2 kotle na automatické spalování biomasy řady VERNER GOLEM (viz. příloh 13), se spalinovými výměníky STEP Trutnov o výkonu 0,9 a 1,8 MW. Tato kombinace zajišťuje optimální provoz v období různých venkovních teplot a podle nutné spotřeby. Dva kotle jsou i jistotou v případě technické poruchy. Kotelny řady VERNER GOLEM, od výkonu 45 kW do 5 000 kW, jsou určené pro ohřev vody nebo výrobu páry. Hlavními částmi kotlů jsou hořáky a spalovací prostor.
26
Kolte mají automatické šnekové podávání paliva ze sila, jehož velikost závisí na provozních a stavebních podmínkách a může být navrženo na denní až po několikaměsíční zásobu paliva. Hořáky mohou spalovat jak slámu, tak dřevní štěpky do maximální velikosti 30x30x70 mm, i značné znečištěné minerálními příměsemi (hlína,písek), bez problémů. Hořák má vodou chlazené dno a spalovací komora keramickou vyloženou klenbu. Toto řešení umožnilo spalovat i značně spékavá paliva, kterými jsou i sláma a kůra. Spalovací vzduch se přivádí ventilátorem do několika zón spalování, v nichž se automaticky kontroluje kvalita spalování a přebytek vzduchu „lambda“ sondou. Dohořívací komora je včleněna do spalinového výměníku, čímž se zmenšil objem celého kotle. Je konstruována tak, aby byl úlet tuhých částic minimální a nedopal byl prakticky nulový. Zásobníky paliva – sila mají pohyblivé dno, takže nedochází ke klenbování paliva a zaručují rovnoměrnou dodávku paliva. Jejich umístění může být na stávající podlaze, zapuštěná pod zem nebo jako nadzemní věže. Spalováním vlhké biomasy klesá účinnost kotlů a při snaze o zachování výkonu kotle vzroste spotřeba paliva zhruba o 25%. Maximální vlhkost spalované slámy nesmí přesáhnout 22%, při míchání se štěpkami lze spalovat do 30% vlhkosti. U dřevní hmoty 55% - ještě tehdy jsou splněny emisní limity. Kotle jsou bez trvalé obsluhy, nutná je pochůzková kontrola. Jsou dobře regulovatelné od 30% jmenovitého výkonu. V dohořívací komoře se spaliny promíchají, poněkud se zde zdrží při teplotě mírně nad 1000 ºC, která je zde záměrně udržována proto, aby nedocházelo k nadměrné tvorbě NOxSpalinový výměník zaručuje vychlazení spalin na 200 ºC. Může být do něho zabudován přídavný hořák na kapalné palivo nebo zení plyn, pokud by byl žádán náhradní provoz na další druh paliva. Části spalinového výměníku, které jsou při provozu vystaveny zvýšenému koroznímu namáhání, lze vyměnit. (informační leták firmy VERNER)
Čištění a odvod spalin a popela Spalinové ventilátory dopravují spaliny přes vírové odlučovače do komína. Zachycený popílek putuje turniketovým podavačem do zásobníku a posléze na skládku.Také popel ze spalovací komory je automaticky posunován k drtiči a je z komory vynášen šnekovým dopravníkem, poté je turniketem dávkován do okruhu pneumatické dopravy a dále dopravován do společného zásobníku popela a odtud na skládku.
27
6. 5. Měření a regulace Vlastní kotle a celá strojní část jsou plně automatizovány od přísunu paliva až po dotah spalin a transport popela. Systém měření a regulace řídí a optimalizuje zejména vlastní spalovací proces, ale ovládá i všechny transportní cesty včetně dopravy tepla tepelnou sítí. Dodávka tepla do obce je měřena centrálním měřidlem, které slouží pro vyhodnocení výroby a účtování dodávek tepla.
6. 6. Rozvod tepla Teplo je dodáváno odběratelům dvoutrubkovou bezkanálovou teplovodní sítí s výpočtovými teplotami 105/70 ºC. Potrubí IZOPLUS má prefabrikovanou tepelnou izolaci s vnějším ochranným pláštěm. Domovní přípojky končí předávacími místy s deskovými výměníky a měřením odebraného tepla. V obci je celkem 86 předávacích míst, což představuje 90% připojených objektů v obci. Stanice v domcích jsou umísťovány na zdech převážně ve sklepních prostorech a zabírají v porovnání s kotlem na tuhá paliva velmi malé místo (lze umístit do skřínky 70 x 70 cm). Majitel domu si množství dodávky tepla může regulovat různým způsobem, např. v závislosti na venkovní teplotě, vnitřní teplotě referenční místnosti nebo pomocí termoregulačních ventilů na radiátorech. Kvalitní regulační systém objektu je předpokladem hospodárného vytápění. (Informační brožura Obce Dešná, 1999) Tab.č. 2.:Technické parametry kotelny Dešná Rok výstavby 1997 Stávající instalovaný výkon 2 700 kW Počet předávacích stanic (na jednu stanici 86 může být napojeno více objektů) Roční výroba tepla v roce 1998 2 720 MWh Roční výroba tepla v roce 1999 2 320 MWh Rozvody Teplovodní Potrubí Ocelové, předizolované Délka rozvodů 3 434 m Teplotní spád 105/70˚C Připojení objektů Výměníková stanice v objektu Palivo Obilní nebo řepková sláma v balících o vlhkosti 20 – 30%, dřevní štěpka a piliny o vlhkosti do 50% Roční spotřeba paliva 600 – 800 t slámy Průměrná nákupní cena paliva 550 Kč/t Cena tepla (včetně DPH) 190 – 240 Kč/GJ
28
6. 7. Financování a ekonomika díla Financování bylo z větší části zajištěno z fondů SFŽP, a to jednak nenávratnou dotací a jednak půjčkou s nízkým úrokem. Zbylá část byla uhrazena z vlastních prostředků obce (viz. tab.č. 3.). Celkové investiční náklady stavby dosáhly výše 38,5 mil.Kč, z toho na vybudování rozvodů tepla a předávacích stanic bylo vynaloženo 17,5 mil.Kč (viz.tab.č. 4.). Tab.č. 3.: Zdroje financí pro výstavbu kotelny v Dešné Nenávratná dotace od SFŽP 14,0 mil.Kč (36,4%) Nízkoúročená půjčka od SFŽP 14,0 mil.Kč (36,4%) Vlastní prostředky obce 10,5 mil.Kč (27,2%) Tab.č. 4.: Investiční náklady na realizaci kotelny Dešná Celková investice: Z toho kotelna včetně technologie Z toho rozvody tepla a předávací stanice
38,5 mil.Kč 21,0 mil.Kč 17,5 mil.Kč
Za období topné sezóny 1998 - 1999 bylo vyrobeno 7 592GJ tepelné energie při spotřebě 655 tun slámy. Díky podpoře od SFŽP cena dodávaného tepla byla zastupitelstvem obce v roce 1998 stanovena na 240,- Kč/GJ, z toho přímé náklady na 1 GJ bez odpisů a nákladů na splácení úvěrů jsou zhruba 116 Kč. V přímých nákladech se zobrazuje cena paliva přibližně 50% podílem. Cena vykupované slámy dle uzavřené smlouvy činí 550 Kč/t včetně dopravy do skladu. Na výrobu 1 GJ bylo spotřebováno od 90 do 108 kg slámy. Cena obilní slámy v roce 1998 byla 550 Kč/t a bylo v ní zahrnuto:
Cena slámy v řádku na poli
100,- Kč/t
Průměrná cena za lisování balíků
220,- Kč/t
Doprava do 5 km, podíl na zisku, daně, režie
230,- Kč/t
CELKEM:
550,- Kč/t
Reálná cena paliva – slámy tedy byla
47,45 Kč/GJ
Pro následující topné sezóny byl zaveden nový tarif cen, kdy cena tepla závisí na odebraném množství (viz tab.č. 5.). Stálé platby se neplatí.
29
Tab.č. 5.:Tarify cen tepla v obci Dešná Roční odběr Cena tepla Do 30 GJ 240 Kč/GJ 30 – 50 GJ 220 Kč/GJ 50 – 200 GJ 200 Kč/GJ > 200 GJ 190 Kč/GJ (Informační brožura obce Dešná, 1999)
30
7. Význam spalování biomasy pro venkov a ŽP 7. 1. Význam spalování biomasy pro venkov a životní prostředí Spalování biomasy má velký význam hned v několika sférách – ekonomické, ekologické, sociální.i ochraně životního prostředí. Mezi nejvýznamnější se řadí vliv na životní prostředí. Při spalování biomasy je produkováno jen tolik oxidu uhličitého, kolik jej bylo při pěstování rostlin fixováno prostřednictvím fotosyntézy. Biomasa obsahuje pouze zanedbatelné množství síry, při spalování nevzniká oxid siřičitý. Hodnoty emisí oxidů dusíku jsou závislé na množství dusíkatých látek v biopalivu (neměly by se tedy spalovat mladé rostliny, jeteloviny s obsahem dusíku vyšším jak 1,5% ). Z toho vyplývá, že spalování biomasy přispívá ke snížení emisí skleníkových plynů, které vznikají hlavně spalováním fosilních paliv. Dalším přínosem pro životní prostředí je samotná výroba biomasy, tj. likvidace odpadů, zalesňování nevyužité a často nevyužitelné půdy (důlní výsypky, složiště popele a další deficitní půdy) (Petříková, 1996) Velmi malé množství popela, vzniklé dokonalým spalováním biomasy, je navíc výborným fosforečnato-draselným hnojivem na zahrádku, umožní ušetřit peníze vynakládané za odvoz popela z uhlí nebo koksu. Při záměrném pěstování část biomasy zůstává na poli ve formě kořenového systému a opadaného listí. Tato část se posléze stává zdrojem organické hmoty v půdě. Tím se dále zvýší výhody ekologického vytápění biomasou Biomasa má jako zdroj energie obnovitelný charakter. Je tuzemským zdrojem energie, který není vázán jen na určitou lokalitu, což znamená úsporu finančních prostředků a energie za dopravu To vše může zásadně přispět k rozvoji regionů a značné prostředky vynakládané za fosilní paliva mohou sloužit lépe právě pro oživení a rozvoj problémových regionů. Lepší život lidí v kvalitnějším životním prostředí, snížení nezaměstnanosti (vznikem nových pracovních míst při pěstování biomasy, při výstavbě a následné obsluze spaloven), údržba kulturní krajiny může potom být příjemnou odměnou za vynaložené úsilí.
7. 2. Ekonomické hledisko spalování biomasy Kolik stojí 1 GJ biomasy? Výhřevnost suché biomasy bývá nejméně 15 GJ / t. Cena za 1 t slámy se zatím běžně pohybuje mezi 600 - 1000,- Kč, pokud budeme počítat s cenou
31
1000,- Kč, je možné získat 1 GJ již za 67,- Kč, obdobné ceny 1 GJ za 85,- Kč je možné dosahovat při vytápění domků suchým dřívím v moderních dřevozplyňujících kotlích s účinností vyšší než 80 %. Pro porovnání cena 1 GJ ze zemního plynu pro maloodběratele je přibližně 363,-Kč (viz.příloha 14.). (www.tzb-info.cz) Cena za 1 t rychle se rozšiřujících standardizovaných biopaliv se zaručenou výhřevností 17 - 19,6 MJ/kg (briket a pelet z dřevního odpadu, kůry, energetických rostlin, slámy ) bývá kolem 3000,- Kč, cena za 1 GJ ze standardizovaných biopaliv potom při jejich průměrné výhřevnosti 18,3 GJ / t činí přibližně 164,- Kč a je již nyní o cca. 55 % nižší než cena zemního plynu pro maloodběratele. (Kutil, 2001) Uvedené relace již dnes vytvářejí předpoklad pro dynamický rozvoj energetického využívání biomasy a to jak v centrálních kotelnách tak v individuálních kotlích na dřevo a standardizovaná paliva (brikety a pelety).
Centrální obecní kotelny na biomasu V ČR je provozována celá řada obecních kotelen na biomasu (Dešná na slámu, Staré město pod Landštejnem, Hostětín, Rokytnice v Orlických horách na dřevní odpad a štěpku). Ceny za dodaný 1GJ se u nich pohybují nejčastěji v rozmezí od 200 - 250,- Kč a závisejí na investičních nákladech, dostupnosti a místních cenách biomasy. (Kutil, 2001) Tyto kotelny jsou v uspokojivém provozu a umožňují ekonomické a ekologické vytápění. Jejich předností je možnost automatického spalování biomasy v základní formě, například ve formě štěpky nebo balíků slámy. Pokud nevyužívají již dříve vybudovaných teplovodních rozvodů jsou velkou nevýhodou právě investiční náklady na jejich zřízení.
Uzlová řešení - několik blokových kotelen Tam, kde jsou v obcích a osadách domy uspořádány do více lokalit s větším počtem blízko umístěných objektů a jsou případně i menší podniky a provozovny může být výhodné použít několika menších kotelen. Dojde tím k výraznému snížení nákladů na rozvody teplé vody. Vytápění pomocí kotlů v jednotlivých uzlech, přinese však vyšší náklady na jeden instalovaný kW a zhorší se systém zásobování jednotlivých kotlů palivem. V řadě případů bude potom vhodnější nepoužívat kusové palivo nebo štěpku, ale standardizovaná paliva (pelety, brikety), která sice dražší, mají ale až trojnásobnou objemovou hmotnost a vyšší výhřevnost. (Kutil, 2001)
32
Biomasa - alternativní program pro zemědělství V první řadě bude výhodné využívat četné, již dostupné zdroje biomasy. Své místo budou mít jak rychle rostoucí dřeviny (zejména vrby a topoly), tak řada velmi nadějných ověřovaných jedno i víceletých bylin. Dokonce v mnoha případech jsou energetické byliny výhodnější (zejména jednodušší agrotechnika a dostupnější mechanizace). V mnoha případech může přinášet pěstování energetických bylin perspektivní a zajímavý program pro zemědělství, který umožní využití volných ploch. V České republice jsou vzhledem k velké rozloze půdy, která je využívána k zemědělským a lesnickým účelům (asi 87% z celkové rozlohy), dobré podmínky pro energetické využití biomasy. K energetickým účelům je možné využít asi 8 mil. tun pevné biomasy. (http://www.energ.cz) Pokud dojde k využití již dnes existujících zdrojů biomasy a nevyužité plochy budou využity pro cílené pěstování energetických rostlin s výnosem minimálně 10 t suché hmoty/ha, bylo by možné ušetřit v podmínkách ČR 30 - 40 mld. Kč, vydávaných každoročně za dovoz zemního plynu ze zahraničí. (Kutil, 2001)
33
8. Závěr Hlavním zdrojem biomasy jsou v současné době odpadní nebo vedlejší hmoty z lesnictví, dřevozpracujících podniků a zemědělství, jako např. sláma a dřevní štěpka. S předpokládaným rozvojem fytoenergetiky se zcela jistě s těmito zdroji nevystačí, ale bude nutné zajistit dostatek rostlinné hmoty ze záměrně pěstovaných dřevin a bylin. K záměrnému pěstování energetických rostlin mohou být kromě nevyužité zemědělské půdy použity také rekultivované plochy. Spalovna v obci Dešná byla vystavěna v roce 1997 za přispění Státního fondu životního prostředí. Při projektování představitelé obce původně uvažovali o poměrně drahé technologii z Dánska (cca 60 mil. Kč). Při výběrovém řízení na dodavatele stavby se však ukázalo, že česká technologie je srovnatelná a cenově dostupná (celkové náklady činí 38,5 mil. Kč). Spalovna je první ryze česká kotelna na spalování biomasy a je zároveň průkopníkem v získávání energie z obilné a řepkové slámy. Zdrojem paliva pro kotelnu jsou místní zemědělské subjekty (např. Zemspol Dešná s.r.o.) od kterých je sláma vykupována za cenu cca 550,- Kč/t. Kotelna spaluje i dřevní štěpky a piliny, z místní pily. Dřevní hmota slouží rovněž jako náhradní palivo v případě nedostatku slámy nebo technických problémů. Spalovna slouží jako centrální výtopna pro 90% obce (cca 86 domácností). Využití biomasy pro energetické účely v centrálním zdroji je ekologicky vhodné a snižuje podstatně imisní zatížení prostředí proti vytápění uhlím. Na druhé straně je nutno poznamenat, že bez dotace a zvýhodněné půjčky by centrální systém zásobování teplem v obci Dešná s malou hustotou potřeby tepla nemohl být realizován. Z hlediska odběratele (typický rodinný domek) jsou náklady na vytápění z centrální výtopny stejné, jako by byly při vytápění zemním plynem (cca 195,- Kč/GJ při 80% účinnosti kotle). V případě vytápění zemním plynem by si však odběratel musel pořídit nový plynový kotel, vybudovat přípojku, případně vyvložkovat komín, což jsou náklady zhruba ve výši 40 – 80 000,- Kč. Z lokálního hlediska pak systém pro obec Dešná přináší další výhody: obec sama může ovlivňovat cenu tepla, vznikly další pracovní příležitosti, při získávání paliva se podporuje podnikání v místě výkupu, peníze za teplo zůstávají v obecním rozpočtu. Přesto, že se jedná o prototyp, dosavadní provoz spalovny na biomasu v Dešné prokázal, že se jedná o dílo technicky zdařilé, které se vyrovná zahraniční konkurenci a může sloužit za příklad pro další projekty tohoto typu tam, kde jsou vhodné podmínky.
34
Ze širšího pohledu lze dále konstatovat, že bioenergetika pomáhá řešit další problém, který stále nabývá významu, a to je nadprodukce potravinářského zemědělství. Velký význam má bioenergetika i ze sociálního hlediska, neboť vytváří nové pracovní příležitosti zejména v ohrožených sektorech hospodářství a zachovává finanční toky v dané oblasti. V neposlední řadě je nepominutelný i fakt, že dochází ke zlepšení stavu životního prostředí v místě provozovaného zařízení, ale významný je i příspěvek k odvrácení ekologické katastrofy v souvislosti s prohlubováním skleníkového efektu v důsledku emisí fosilního CO2.
35
9. Seznam literatury 1.
ALDORF, Z. Energetické využití biomasy. Brno: MZLU, 2003
2.
BACHER, P. Energie pro 21.století. Praha : HZ Editio, 2002. 182 s. ISBN 80-8600940-8.
3.
BELICA, P.; ŠTEKL, Z. et al. Malý průvodce energetickými úsporami a alternativními zdroji. Valašské Meziříčí : Aldebaran, 2003. ISBN 80-903117-6-8.
4.
BENEŠ, I., et al. Dotace energie a energetické využití biomasy. Praha : Univerzita Karlova, 1995. 61 s. ISBN 80-7184-151-X.
5.
BRANIŠ, M. Základy ekologie a ochrany životního prostředí. Praha : Informatorium, 1999. 169 s. ISBN 80-86073-52-1.
6.
CENEK, M.; PASTOREK, Z., et al. Obnovitelné zdroje energie. Praha : FCC Public, 2001.
7.
FEJTEK, K.;KÁRA, J.; STEJSKAL, F. Praktické využití biomasy ve výrobě tepla a elektrické energie. Česká energetická agentura Raen spol. s.r.o. Praha, 1997
8.
FILIP, J.; ORAL, J. Odpadové hospodářství II. Brno: MZLU, 2003. ISBN 80-7157682-4
9.
FILIP, J. a kol: Odpadové hospodářství. Brno: MZLU, 2002. ISBN 80-7157-608-5
10.
KOTOVICOVÁ, J. a kol. Ochrana životního prostředí. Brno: MZLU, 2004. ISBN 80-7157-749-9
11.
KOVÁŘÍK, M. Abeceda fytopaliv. Venkov, 1999, roč. 1, č. 5, s. 27 – 28.
12.
KUTIL, A.: Ekonomické podmínky využívání energetické biomasy. Biom.cz [online].
2004
[cit.
2006-03-15].
Dostupné
z
WWW:
. 13.
NOSKIEVIČ, P., et al. Biomasa a její energetické využití. Ostrava : Vysoká škola báňská - technická univerzita Ostrava, 1996. ISBN 80-7078-367-2.
14.
NOSKIEVIČ, P.; KAMINSKÝ, J. Využití energetických zdrojů. Ostrava : Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, 1996. ISBN 80-7078-378-8.
15.
PASTOREK, Z.; KÁRA, J.; JEVIČ , P. Biomasa: obnovitelná zdroj energie. Praha : FCC Public, 2004. 286 s. ISBN 80-86534-06-5
16.
PETŘÍKOVÁ, V., et al. Biomasa pro energii v obcích a městech s využitím zahraničních zkušeností. Praha : CZ Biom, 1998. 66 s. ISBN 80-238-2246-2.
36
17.
PETŘÍKOVÁ, V.; VÁŇA, J.; USTJAK, S. Pěstování a využití technických a energetických plodin na rekultivovaných pozemích. Praha : ÚZPI, 1996. 24 s. ISBN 0231-9470.
18.
PETŘÍKOVÁ, V.: Jak zvýšit využívání biomasy pro energii. Biom.cz [online]. 200412-02
[cit.
2006-03-12].
Dostupné
z
WWW:
. 19.
SRDEČNÝ, K., Výtopna na biomasu - zdroj energie pro obec. Alternativní zdroje energie [online]. 2001, č. 6 [cit. 2002-02-06]. Dostupný z WWW: .
20.
VERNER, V.: Využití biomasy pro lokální a centrální vytápění. Biom.cz [online]. 2002 [cit. 2006-04-21]. Dostupné z WWW: .
Webové stránky: 21.
www.ceskaenergetika.cz
22.
www.desna.cz
23.
www.energ.cz
24.
www.energetika.cz
25.
www.oze.cz
26.
www.tzb.info.cz
27.
www.verner.cz
37
10. Přílohy Příloha 1. Elementární složení dřevní štěpky……………………………………………...17 Příloha 2. Elementární složení obilní slámy……………………………………………….17 Příloha 3. Elementární složení travin ……………………………………………………...17 Příloha 4. Porovnání výhřevnosti různých druhů paliv……………………………………18 Příloha 5. Obsah prchavé hořlaviny v tuhých palivech……………………………………18 Příloha 6. Průměrné koncentrace živin v popelu v závislosti na biopalivu………………..18 Příloha 7. Obsah popele u pevných paliv………………………………………………….18 Příloha 8. Pohled na kotelnu Dešná……………………………………………………….24 Příloha 9. Ukládání balíků do stohu (Dešná) ……………………………………………..24 Příloha 10. Silo na ukládání dřevní hmoty (Dešná) ……………………………………...25 Příloha 11. Dopravník s balíky a rozdružovadlo (Dešná) ………………………………..25 Příloha 12. Zásobník paliva se šnekovými dopravníky pro zásobování kotlů (Dešná) ….25 Příloha 13. Kotel s výměníkem tepla (Dešná) …………………………………………...25 Příloha 14. Náklady na vytápění (pro rodinný dům – cca 80 GJ) ..……………………….31
Příloha. 1. Elementární složení dřevní štěpky Chemické složení Parametr Vlhkost Popel Prchavá složka Uhlík Vodík Dusík Síra Kyslík Chlór Křemík Hliník Železo Vápník Hořčík Sodík Draslík Fosfor
Jednotka % hm. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš.
Dřevní štěpka Průměr 45,0 1,1 81,0 50,0 5,8 0,3 0,05 41,4 0,02 0,1 0,015 0,015 0,2 0,04 0,015 0,1 0,02
Rozsah 20-60 0,3-6 70-85 49-52 5,2-6,1 0,1-0,7 <0,1 39-43 <0,1 <1,1 <0,1 <0,1 0,1 – 09 <0,1 <0,1 0,05 – 0,4 <0,1
Příloha 2. Elementární složení obilní slámy Chemické složení Parametr Vlhkost Popel Prchavá složka Uhlík Vodík Dusík Síra Kyslík Chlór Křemík Hliník Železo Vápník Hořčík Sodík Draslík Fosfor
Jednotka % hm. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš.
Sláma Průměr 14,0 4,5 78,0 47,5 5,9 0,7 0,1 41,8 0,4 0,8 0,005 0,01 0,5 0,5 0,05 1,1 0,08
Rozsah 7,7-23 2-7 75-81 45,6-48 5,3-6,4 0,3-1,5 0,05-0,3 40,4-42,3 0,1-1,1 0,1-1,5 <0,03 <0,04 0,2-1,2 0,2-1,2 <0,3 0,2-1,9 0,03-0,2
Příloha 3. Elementární složení travin Chemické složení Parametr Vlhkost Popel Prchavá složka Uhlík Vodík Dusík Síra Kyslík Chlór Křemík Hliník Železo Vápník Hořčík Sodík Draslík Fosfor
Jednotka % hm. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš. % hm. suš.
Traviny Průměr 14,5 5,3 76,0 48,1 6,5 1,1 0,12 38,8 0,32 0,04 0,003 0,02 0,6 0,6 0,04 1,2 0,06
Rozsah 10,5-21 3,8-8 74-82 47-49 5,5-6,8 0,7-3,1 0,05-0,3 36-41 0,1-1,0 0,03-0,06 <0,03 <0,03 0,3-1,1 0,3-1,1 <0,3 0,3-2,5 0,04-0,1
Příloha 4. Porovnání výhřevnosti různých druhů paliv Druh paliva Černé uhlí Hnědé uhlí Lehký topný olej Zemní plyn Dřevo o vlhkosti 50% průměr Dřevo o vlhkosti 20% průměr Dřevo o vlhkosti 14% průměr
Výhřevnost (MJ/kg) 26-29 12-15 42 46 7,1 14,4 14,9
Příloha 5. Obsah prchavé hořlaviny v tuhých palivech Parametr Koks Černé uhlí Hnědé uhlí Dřevní štěpka
Obsah prchavé hořlaviny (%) 1,5 36 – 37 51 81
Příloha 6. Průměrné koncentrace živin v popelu v závislosti na biopalivu Parametr Sláma-pšenice (%) CaO 7,8 MgO 4,4 K2O 14,5 Na2O 0,4 P2O5 2,2
Piliny- jedle (%) 41,5 6,4 8,4 0,4 2,7
Kůra- jedle (%) 42,2 6,5 5,0 0,8 1,7
Dřevní štěpkajedle (%) 44,7 4,8 6,7 0,6 3,6
Příloha 7. Obsah popele u pevných paliv Palivo Obsah popele (%) Kůra-jedle 5-8 Dřevní štěpka s kůrou-jedle 1-2,5 Dřevní štěpka bez kůry-jedle 0,8-1,1 Piliny-jedle 0,5-1,1 Sláma-pšenice 4-10 Hnědouhelné brikety 7-10 Příloha 8. Pohled na kotelnu v Dešné
Příloha 9.Ukládání balíků do stohu (Dešná)
Příloha 10. Silo na ukládání dřevní hmoty (Dešná)
Příloha 11.Dopravník s balíky a rozdružovadlo (Dešná)
Příloha 12. Zásobník paliva se šnekovými dopravníky pro zásobování kotlů (Dešná)
Příloha 13. Kotel s výměníkem tepla (Dešná)
Příloha 14. Náklady na vytápění (pro rodinný dům – cca 80 GJ) Palivo
Náklady na vytápění v Kč/rok
Hnědé uhlí
15 354,-
Černé uhlí
24 557,-
Koks
30 499,-
Dřevo
6 795,-
Dřevěné brikety
21 333,-
Dřevěné pelety
16 534,-
Štěpka
22 400,-
Rostlinné pelety
8 333,-
Obilí
12 026,-
Zemní plyn
29 086,-
Propan
40 682
Lehký topný olej
29 535
Elektřina akumulace
34 950,-
Elektřina přímotop
39 127,-
Tepelné čerpadlo
14 374,-
Centrální zásobování teplem
28 571,-
