Využití biomasy pro výrobu biopaliva Bakalářská práce

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

Využití biomasy pro výrobu biopaliva Bakalářská práce

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

Vypracovala: Anna Strelowová

Brno 2011

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

PODĚKOVÁNÍ Děkuji touto cestou vedoucímu mé bakalářské práce Ing. Zdeňku Konrádovi, Ph.D. za odborné vedení při zpracovávání práce a za ochotu při konzultacích a ekologickému institutu Veronica za poskytnutí odborných publikací.

ABSTRAKT Tato práce se zabývá využitím biomasy pro výrobu biopaliva. Tato práce vymezuje základní pojmy v oblasti zpracování biomasy ve vztahu k platným právním předpisům. Hlavním cílem této práce je poukázat na praktické využití biomasy pro výrobu biopaliv.

Klíčová slova: biomasa, biopaliva, bioplyn

ABSTRACT This thesis deals with the use of biomass for biofuel production. This study defines the basic terms in relation to applicable law. The main object of this work is to refer to practical use of biomass for biofuel production.

Key words: biomass, biofuel, biogas

OBSAH

1 ÚVOD............................................................................................................................ 7 2 CÍL PRÁCE.................................................................................................................. 8 3 LITERÁRNÍ PŘEHLED ............................................................................................ 9 3.1 Obnovitelné zdroje energie .................................................................................. 9 3.2 Biomasa.................................................................................................................. 9 3.3 Rozdělení biomasy ................................................................................................ 9 3.3.1 Biomasa záměrně pěstovaná.......................................................................... 10 3.3.2 Biomasa odpadní............................................................................................ 10 3.4 Základní pojmy v oblasti zpracování biomasy ve vztahu k platným právním předpisům .................................................................................................................. 11 3.4.1 Zákon o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie a o změně některých zákonů (zákon o podpoře využívání obnovitelných zdrojů) .................. 11 3.4.2 Zákon o ochraně ovzduší a o změně některých dalších zákonů (zákon o ochraně ovzduší) .................................................................................................. 12 3.5 Možnosti využití biomasy pro výrobu biopaliv................................................ 12 3.5.1 Spalování biomasy......................................................................................... 13 3.5.2 Zplyňování biomasy ...................................................................................... 14 3.5.3 Pyrolýza biomasy........................................................................................... 15 3.5.4 Anaerobní fermentace biomasy ..................................................................... 16 3.6 Biopaliva .............................................................................................................. 18 3.7 Rozdělení biopaliv............................................................................................... 18 3.7.1 Tuhá biopaliva ............................................................................................... 18 3.7.1.2 Brikety z biomasy ................................................................................... 20 3.7.1.3 Dřevní štěpka .......................................................................................... 21 3.7.2 Kapalná biopaliva .......................................................................................... 22 3.7.2.1 Bioetanol ................................................................................................. 22 3.7.2.2 Bionafta................................................................................................... 23 3.7.3 Plynná biopaliva ............................................................................................ 24 3.7.3.1 Dřevní plyn ............................................................................................. 24 3.7.3.2 Bioplyn.................................................................................................... 25

4 SOUČASNÉ MOŽNOSTI VYUŽITÍ BIOPALIV.................................................. 27 4.1 Využití tuhých biopaliv ...................................................................................... 27 4.1.1 Kotle na pelety ............................................................................................... 27 4.1.1.1 Kombinované kotle ATMOS.................................................................. 28 4.1.2 Kotle na spalování briket ............................................................................... 28 4.1.3 Kotle na spalování dřevní štěpky................................................................... 29 4.1.3.1 Obecní výtopna v Hostětíně.................................................................... 29 4.2 Využití kapalných biopaliv ................................................................................ 31 4.2.1 Bioetanol ve spalovacích motorech ............................................................... 31 4.2.1.1Bioetanol v městských autobusech společnosti Scania ........................... 32 4.2.2 Bionafta ve vznětových motorech ................................................................. 33 4.3 Využití plynných biopaliv .................................................................................. 34 4.3.1 Bioplynové stanice......................................................................................... 35 4.3.1.1 Technologie výrobních postupů.............................................................. 35 4.3.1.2 Zařízení na výrobu bioplynu................................................................... 36 4.3.1.3 Bioplynová stanice Vysoké Mýto........................................................... 36 5 DISKUZE ................................................................................................................... 38 5.1 Porovnání biopaliv s neobnovitelnými zdroji energie ..................................... 38 5.1.1 Zhodnocení tuhých biopaliv .......................................................................... 39 5.1.2 Zhodnocení kapalných biopaliv..................................................................... 39 5.1.3 Zhodnocení plynných biopaliv ...................................................................... 41 6 ZÁVĚR ....................................................................................................................... 42 7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY...................................................................... 44 8 SEZNAM PŘÍLOH.................................................................................................... 49

1 ÚVOD V současné době je globální energetická spotřeba tvořena ze 4/5 fosilními palivy, mezi která patří např. ropa, uhlí a zemní plyn. Ovšem jejich neustálé využívání povede k vyčerpání zásob těchto zdrojů energie. Proto je nutné je nahradit obnovitelnými zdroji energie, které nám jsou při svém využití opět k dispozici. Jako téma své bakalářské práce jsem si proto vybrala obnovitelnou energii biomasy využívanou pro výrobu biopaliv. V dnešní době se otázkou biopaliv zabývá hodně odborníků, kteří poukazují na fakt, zda je biopalivo opravdu palivem budoucnosti. Z tohoto důvodu mě tato tématika zaujala nejen svou aktuálností, ale i jejím možným přínosem lidstvu v následujících letech. Ve své práci se chci zaměřit především na výrobu a praktické využití všech druhů biopaliv a blíže se seznámit s problematikou biopaliv. Jako biomasa je označována hmota organického původu a to buď rostlinného nebo živočišného původu, která se účastní koloběhu živin v biosféře. Rostlinná biomasa je tvořena především zemědělskými a lesnickými produkty, případně jejich zbytky nebo je záměrně pěstovaná ve formě energetických rostlin. K živočišné biomase se řadí odumřelé zbytky živočichů, odpady z potravinářského průmyslu a masokombinátů, dále exkrementy hospodářských zvířat. Energie biomasy se využívá především pro ohřev vzduchu a ohřev teplé užitkové vody. Další možností uplatnění biomasy je její přeměna na elektrickou energii. V rámci Evropské unie jsou stanoveny cíle týkající se zajištění výroby energie z obnovitelných zdrojů. Pro Českou republiku byl pro rok 2010 stanovený podíl 8 % výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů. Nejvyšší dosažitelný potenciál představuje právě energie biomasy. V České republice tvoří v současné době výroba energie z biomasy přibližně 66 % produkce energie z obnovitelných zdrojů energie. Velkým přínosem využívání biomasy jsou nulové emise oxidu uhličitého a podpora jednotlivých regionů v oblasti zemědělské činnosti.

7

2 CÍL PRÁCE Cílem této bakalářské práce je vymezit základní pojmy v oblasti zpracování biomasy ve vztahu k platným právním předpisům a popsat možnosti využití biomasy na výrobu tuhých, kapalných a plynných biopaliv a získané informace uvést na základě odborné literatury a internetových zdrojů. Dalším cílem bakalářské práce je uvést praktické příklady využití všech druhů biopaliv včetně doplnění obrázkovou přílohou. Závěrem shrnout zjištěné informace a uvést úvahu o využití a vývoji biopaliv v budoucnosti.

8

3 LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Obnovitelné zdroje energie Obnovitelnými

zdroji

energie

se

rozumí

takové

zdroje,

které

mají

schopnost se při svém využívání plně nebo částečně obnovovat. Jejich využívání by mělo vést k nahrazení fosilních zdrojů energie. V současné době slouží obnovitelné zdroje jako doplňkový zdroj stávajících technologií a mají vysoký energetický a ekologický význam (FAJMAN, 2008, s.48). Mezi zdroje obnovitelné energie patří např. energie vody, větru, slunečního záření, geotermální energie a energie biomasy. Zejména energie biomasy má v České republice nejvyšší dosažitelný potenciál. Je využitelná pro různé formy energie tepla, přes nepřímé generování elektrické energie až po chemickou energii biopaliv pro dopravu. Výhodou jsou nulové emise oxidu uhličitého (FAJMAN, 2008, s.49). Na obnovitelné zdroje energie se vztahuje řada dotačních programů, které jsou podporovány Evropskou unií. Tímto způsobem se Evropská unie snaží zvýšit podíl obnovitelných zdrojů na celkové výrobě elektřiny a šetřit životní prostředí.

3.2 Biomasa Biomasa je hmota biologického původu, která vzniká např. při pěstování rostlin, chovu zvířat nebo se může jednat o organické odpady. Hlavním zdrojem biomasy jsou rostliny, které mají schopnost fotosyntézy (přeměna světelné energie na energii chemických vazeb). Rostlinná biomasa je tvořena řadou různých sloučenin, z nichž největší význam má celulóza, škrob, lignin, oleje a pryskyřice (MURTINGER, BERANOVSKÝ, 2006, s.3). Biomasa je buď záměrně získávaná jako výsledek výrobní činnosti nebo se jedná o využití odpadů ze zemědělské, potravinářské a lesní výroby, z komunálního hospodářství, z údržby krajiny a péče o ni (PASTOREK, KÁRA, JEVIČ, 2004, s.17).

3.3 Rozdělení biomasy Základní rozdělení biomasy podle jednotlivých hlavních druhů biomasy a způsobů využití vychází z přílohy č.1 k vyhlášce č. 482/2005 Sb., o stanovení druhů, způsobů využití a parametrů biomasy při podpoře výroby elektřiny z biomasy ve znění

9

vyhlášky č.5/2007 Sb. Jedná se o zemědělskou, lesní a zbytkovou biomasu, která vzniká jako vedlejší produkt zemědělského a zpracovatelského průmyslu. Biomasa využitelná k energetickým účelům se dělí na biomasu záměrně pěstovanou a na biomasu odpadní.

3.3.1 Biomasa záměrně pěstovaná Mezi záměrně pěstovanou biomasu patří energetické (rychlerostoucí) dřeviny jako jsou topoly, vrby, olše a další stromové a keřové dřeviny. Na energetické dřeviny jsou kladeny vysoké požadavky. Je nutný rychlý růst rostlin v mládí, výborné obrůstací schopnosti, odolnost proti škůdcům a chorobám. Dále je potřeba zajistit vhodné místo pro pěstování rychlerostoucích dřevin. Nejvhodnější jsou oblasti s mírným podnebím a půdy s dobrou zásobou živin a vody (PASTOREK, KÁRA, JEVIČ, 2004, s.28-29). Dále jsou mezi záměrně pěstovanou biomasu zařazeny rostliny bylinného charakteru, např. cukrová řepa, obiloviny, brambory, cukrová třtina. Nejvýznamnější olejninou je řepka olejná. Netradičními energetickými plodinami jsou konopí seté a čirok zrnový. Perspektivní vytrvalou rostlinou je křídlatka díky své vysoké energetické výtěžnosti, stejně také šťovík krmný (PASTOREK, KÁRA, JEVIČ, 2004, s.21-22).

3.3.2 Biomasa odpadní Mezi odpadní biomasu jsou řazeny: •

Rostlinné zbytky ze zemědělské prvovýroby a údržby krajiny - kukuřičná a obilná sláma, zbytky z pastevních areálů, křovin a lesních náletů, odpady ze sadů a vinic.

•

Odpady z živočišné výroby - exkrementy z chovů hospodářských zvířat, zbytky krmiv a odpady z přidružených zpracovatelských kapacit.

•

Komunální organické odpady - kaly z odpadních vod, organické komunální odpady a odpadní organické zbytky z údržby zeleně a travnatých ploch.

•

Organické odpady z potravinářských a průmyslových výrob - odpady z provozů rostlinné produkce, mlékáren, jatek, lihovarů a konzerváren.

•

Lesní odpady - kůra, větve, odřezky (PASTOREK, KÁRA, JEVIČ, 2004, s.18).

10

3.4 Základní pojmy v oblasti zpracování biomasy ve vztahu k platným právním předpisům 3.4.1 Zákon o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie a o změně některých zákonů (zákon o podpoře využívání obnovitelných zdrojů) V souladu s právem Evropských společenství je zde upraven způsob podpory výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie. Účelem zákona je v zájmu ochrany klimatu a životního prostředí

podpořit

využívání obnovitelných zdrojů, zajistit trvalé zvyšování podílu obnovitelných zdrojů, přispět k šetrnému využívání přírodních zdrojů a vytvořit podmínky k dosažení cíle podílu elektřiny z obnovitelných zdrojů na hrubé spotřebě elektřiny v České republice ve výši 8 % k roku 2010. Zákon dále definuje základní pojmy v oblasti obnovitelných zdrojů: •

Obnovitelnými zdroji se rozumí obnovitelné nefosilní přírodní zdroje energie, jimiž jsou energie větru, energie slunečního záření, geotermální energie, energie vody, energie půdy, energie vzduchu, energie biomasy, energie skládkového plynu, energie kalového plynu a energie bioplynu.

•

Biomasou se rozumí biologicky rozložitelná část výrobků, odpadů a zbytků z provozování zemědělství a hospodaření v lesích a souvisejících průmyslových odvětví, zemědělské produkty pěstované pro energetické účely a rovněž biologicky rozložitelná část vytříděného a komunálního odpadu.

•

Elektřinou z obnovitelných zdrojů se rozumí elektřina vyrobená v zařízeních, která využívají pouze obnovitelné zdroje, a také část elektřiny vyrobené z obnovitelných zdrojů v zařízeních, která využívají i neobnovitelné zdroje.

•

Hrubou spotřebou elektřiny se rozumí v tuzemsku vyrobená elektřina s připočtením dovozů a odečtením vývozů elektřiny

•

Zeleným bonusem se rozumí finanční částka navyšující tržní cenu elektřiny, která je hrazená provozovatelem regionální distribuční soustavy nebo přenosové soustavy výrobci elektřiny z obnovitelných zdrojů, zohledňující snížené poškozování životního prostředí využitím obnovitelného zdroje oproti spalování fosilních paliv, druh a velikost výrobního zařízení, kvalitu dodávané elektřiny.

11

•

Provozovatelem regionální distribuční soustavy se rozumí držitel licence na distribuci elektřiny, jehož distribuční soustava je přímo připojena na přenosovou soustavu (Zákon č. 180/2005 Sb.).

3.4.2 Zákon o ochraně ovzduší a o změně některých dalších zákonů (zákon o ochraně ovzduší) Tento zákon upravuje práva a povinnosti osob při ochraně vnějšího ovzduší před vnášením znečišťujících látek lidskou činností, podmínky pro další snižování znečišťujících látek působících nepříznivým účinkem na zdraví lidí a zvířat, životní prostředí nebo hmotný majetek a dále upravuje práva a povinnosti osob při ochraně ozonové vrstvy Země před nepříznivými účinky regulovaných látek. Pro účely tohoto zákona v oblasti ochrany ovzduší se rozumí: •

Znečišťováním ovzduší vnášení jedné nebo více znečišťujících látek do ovzduší v důsledku lidské činnosti vyjádřené v jednotkách hmotnosti.

•

Emisí vnášení jedné nebo více znečišťujících látek do životního prostředí.

•

Biopalivem kapalné nebo plynné pohonné hmoty, které jsou uvedeny ve zvláštním právním předpisu, 3a) vyrobené z biomasy a určené pro pohon vozidel na pozemních komunikacích.

•

Biomasou pro účely výroby biopaliv pro mobilní zdroje biologicky odbouratelná

část

výrobků,

odpadů

a

zůstatků

ze

zemědělství,

lesnictví a příbuzných odvětví a biologicky odbouratelná část průmyslového a komunálního odpadu. •

Směsným palivem motorová nafta s obsahem vyšším než 31 % objemových bionafty -směsná motorová nafta, směs min. 70 % objemových bioetanolu s motorovým benzinem - bioetanol E85 a etylalkohol vyrobený z biomasy s obsahem maximálně 5 % hmotnostních komplexních zušlechťovacích aditiv určený k pohonu spalovacích vznětových motorů - bioetanol E95 (Zákon č. 86/2002 Sb.).

3.5 Možnosti využití biomasy pro výrobu biopaliv Biomasa má mnoho možností svého využití. Dodnes nejdůležitějším a také nejstarším využitím biomasy je její používání jako zdroje potravy. Také využívání

12

biomasy pro vytápění, vaření a ohřev vody má svoji dlouhou tradici a v současné době představuje významné využití biomasy. Další možností je využití biomasy jako zdroje energie pro dopravní prostředky a pro výrobu elektřiny. V neposlední řadě je biomasa důležitou surovinou pro průmysl, využití má např. u dřevostaveb (MURTINGER, BERANOVSKÝ, 2006, s.7-9). Rozvoj v oblasti využití biomasy pro energetické účely je podporován Evropskou unií při řešení ekologických otázek energetiky, problémů zemědělské politiky a rozvoje venkova. V rámci těchto programů by se mělo do roku 2010 zvýšit energetické využití biomasy trojnásobně. Z toho připadá jedna třetina na kogenerační výrobu tepla a elektřiny. Biomasu vhodnou pro energetické účely lze rozdělit do dvou základních skupin. Patří sem biomasa vhodná pro spalování a zplyňování a biomasa vhodná pro anaerobní fermentaci. Do biomasy vhodné pro spalování a zplyňování řadíme odpady z dřevařského průmyslu (piliny, hobliny), zemědělské odpady (sláma), odpady z lesního hospodářství (kůra, odřezky) a záměrně pěstované energetické rostliny a dřeviny. Tuto biomasu můžeme využít prostým spálením v kotlích nebo zplyňováním, které představuje dokonalejší způsob energetické přeměny biomasy. Při zplyňování dochází ke vzniku kvalitnějších plynných nebo kapalných paliv. Toto palivo lze dále využít v zařízeních, která vyrábějí teplo nebo kogeneračně elektřinu a teplo. Do skupiny biomasy vhodné pro anaerobní fermentaci patří komunální a průmyslové vody, které se zpracovávají v čistírnách odpadních vod, komunální a průmyslové tuhé odpady, slamnatý kravský hnůj, exkrementy zvířat, odpady z jatek a potravinářské výroby. Z této biomasy lze získat bioplyn řízenými fermentačními procesy. Vzniklý bioplyn můžeme využít ve všech typech energetických zařízeních (www.biom.cz).

3.5.1 Spalování biomasy Spalování je definováno jako okysličování látek až na konečné reakce s maximálním uvolněním tepla (MALAŤÁK, VACULÍK, 2008, s.48). Energie, která je při spalování získána, se využívá pro vytápění, ohřev vody nebo pro výrobu elektrické energie.

13

Spalování probíhá na roštech, nejdříve se odpaří voda z biomasy a dále dochází k uvolňování prchavých látek (pryskyřice) a k tepelnému rozkladu jednotlivých látek. Hořlavé plyny hoří ve formě dlouhého plamene. Z důvodu nedostatku kyslíku nebo nízké teploty nedojde ke spálení všech spalitelných plynů. Do plamene se proto přimíchává sekundární vzduch, který umožní dohoření zbylých plynů. Délka plamene a potřeba vysokých teplot kladou zvýšené nároky na velikost ohniště. Je tedy obtížné vyrobit malé kotle s vysokou účinností (MURTINGER, BERANOVSKÝ, 2006, s.20). V současné době se požívají také kotle využívající pyrolitické spalování, které umožňují dosáhnout účinného spalování s minimální produkcí emisí v poměrně malých kotlích. Topeniště je zde rozděleno na dvě části. V horní komoře probíhá první fáze hoření, dochází k odpařování vody a k částečnému hoření biomasy. Vzniklé plyny postupují přes keramickou trysku do spodní komory, kde dochází k hoření při teplotách nad 1000 °C (MURTINGER,BERANOVSKÝ, 2006, s.21). Nevýhodou při spalování biomasy je její obsah vody. Při spalování biomasy v mokrém stavu přicházíme o více než polovinu tepla, které je v ní obsaženo. Při spalování biomasy vzniká především oxid uhličitý a voda a další znečišťující látky. Zde se jedná hlavně o oxid uhelnatý, který je produktem nedokonalého spalování. V případě dostatečného množství spalovacího vzduchu se oxid uhelnatý oxiduje na oxid uhličitý a jeho emise jsou tedy minimální. Dále vznikají palivové oxidy dusíku. Síra je v biomase obsažena pouze v nepatrném množství a proto jsou emise oxidu siřičitého velmi nízké, což je velkou výhodou spalování biomasy Pro posuzování produkce emisí jsou závazné právní předpisy. Posuzování emisí je hodnoceno podle tepelného výkonu zdroje emisí. Pro kotle s nízkým výkonem nejsou tak striktní hodnocení jako u kotlů s vysokými výkony (PASTOREK, KÁRA, JEVIČ, 2004, s.73).

3.5.2 Zplyňování biomasy Zplyňování biomasy se řadí mezi chemické přeměny biomasy a jedná se o tzv. suchý proces. V současné době se využívají dva základní způsoby zplyňování biomasy. Jedná se o zplyňování v generátorech s pevným ložem a zplyňování ve fluidních generátorech. Zplyňování v generátorech je metodou jednodušší a méně finančně náročnou. Tato metoda je využitelná pouze pro malé tepelné výkony. Ke zplyňování dochází při nižších

14

teplotách kolem 500 °C a za atmosférického tlaku ve vrstvě biomasy (www.biom.cz). Vzduch může proudit v souproudu (směrem dolů) nebo v protiproudu (směrem nahoru) vzhledem k pohybu zplyňované biomasy. Souproudý zplyňovací reaktor je provozně náročnější než reaktor protiproudý. Tento způsob zplyňování paliva neumožňuje využití fluidních technologií. Velkou výhodou však je snížení produkce těžkých uhlovodíkových sloučenin (dehtů). Naopak protiproudý reaktor má obvykle jednoduchou konstrukci. Zde se produkuje plyn o malé výhřevnosti, zejména při zplyňování dřevní hmoty s vyšším obsahem vody. Nevýhodou je nutnost čištění produkovaného plynu, který obsahuje vysoké množství dehtů. Nejčastějším způsobem čištění je praní vodou, což způsobuje vznik fenolových vod. Zde nastává další problém odstranění znečištění, které může být složitější než vlastní výroba plynu (HRDLIČKA, 2000, s.81). Zplyňování ve fluidních generátorech probíhá při teplotách 850 až 950 °C. Při tomto procesu dochází ke vznášení pevných částic paliva působením zplyňovacího média. Vyrobený plyn má proto vyšší obsah pevných částic (HRDLIČKA, 2000, s.81). Při zplyňování ve fluidních generátorech probíhá vývoj ve dvou základních směrech. Jedná se o zplyňování v tlakových generátorech při tlaku 1,5 až 2,5 MPa a zplyňování při atmosférickém tlaku. Tlakové zplyňování biomasy vychází z vývoje zplyňovacích technologií uhlí, obecně mají menší jednotkové výkony. V současné době se upřednostňují systémy s atmosférickým zplyňováním. Vyrobený plyn má výhřevnost 4 až 6 MJ/m3. Tento plyn můžeme využít bez větších úprav pro spalování v klasických kotlových hořácích a po důkladném vyčištění jej lze využít také ve spalovacích komorách turbín a upravených spalovacích motorů (www.biom.cz).

3.5.3 Pyrolýza biomasy Jako pyrolýza se označuje tepelný rozklad biomasy (uhlíkatých hmot) vnějším zdrojem tepla při teplotách 350 až 800 °C bez přístupu vzduchu (SLADKÝ, 1998, s.29). Opět se jedná o suchý proces chemické přeměny biomasy. Primárním energetickým produktem je bio-olej. Dalšími výsledky pyrolýzy jsou plyn, dehet a koks. Podíl těchto složek se liší podle teploty při níž pyrolýza probíhá, složení suroviny a její struktury, doby zpracování a podle způsobu ochlazovaní a dělení plynů a kapalin.

15

Bio-olej je tmavě hnědá kapalina s hustotou kolem 1,2 kg/dm3 a výhřevností 16 až 19 kJ/kg. Lze jej snadno skladovat a přepravovat. Pro snížení obsahu vody v bio-oleji je nutné biomasu předsoušet tak, aby se dosáhlo vlhkosti nižší než 10 %. V zahraničí se začíná uplatňovat rychlá pyrolýza biomasy, která se vyznačuje jednoduchými a flexibilními technologiemi. Při procesu rychlé pyrolýzy dochází k velmi rychlému přívodu tepla do suroviny (teplota 450 až 600 °C), udržování teploty, ke krátkému pobytu par v reakční zóně (do 2 sekund) a následně k co nejrychlejšímu ochlazení vzniklého produktu. Před vstupem biomasy do reaktorů je potřeba ji rozdrtit na požadovanou velikost podle typu reaktoru. Díky tomu může dojít k rychlému průběhu reakce a k jednoduchému oddělení pevných částí. Výsledným produktem rychlé pyrolýzy jsou páry a aerosoly, které po zchlazení kondenzují na kapalinu. Tu pak lze upravovat na motorové případně jiné biopalivo. Tímto způsobem lze zpracovávat jakékoliv biopalivo i biodpady. Z celkových produktů pyrolýzy můžeme získat 75 % hm. kapalného biopaliva, 13 % hm. hořlavého plynu a 12 % hm. karbonizované biomasy (www.biom.cz). Výhodou pyrolýzy oproti zplyňování je možnost vzniklé produkty skladovat, tedy využít je později a na jiných místech než byly vyrobeny. Je možné je dopravovat z více zdrojů do většího zpracovatelského podniku, kde budou vzniklé oleje upraveny na motorová paliva. Tato metoda je perspektivní pro pěstování jednoletých a víceletých rostlin. Své využití má při nahrazování těžkých topných olejů a jako pohonná hmota automobilů (SLADKÝ, 1998, s.30).

3.5.4 Anaerobní fermentace biomasy Při anaerobní fermentaci se zpracovávají odpady a vedlejší produkty ze zemědělství na bioplyn a fermentovaný substrát, který lze využít ke hnojení (PASTOREK, KÁRA, JEVIČ, 2004, s.136). Při zpracování materiálu, který je charakterizován jako odpad, je potřeba dodržovat legislativní ustanovení zákona č.185/2001 Sb., o odpadech. Při anaerobní fermentaci dochází k mikrobiologické přeměně zvířecích exkrementů, odpadních vod a další vhodné biomasy. K této přeměně dochází bez přítomnosti vzduchu a za mírně zvýšené teploty kolem 40 °C. Výsledným produktem je již zmíněný bioplyn a stabilizované hnojivo (fermentovaný substrát). Jedná se o kvalitní hnojivo, které obsahuje živiny a humusotvorné složky a naopak je zbaveno patogenních zárodků.

16

Toto hnojivo je bez zápachu a svým používáním neohrožuje podzemní ani povrchové vody. Obsah metanu v bioplynu se pohybuje v rozmezí 55 až 60 %. Výhřevnost bioplynu se udává přibližně 20 MJ/m3 (www.biom.cz). Bioplyn slouží jako doplňkový zdroj energie. Je možné jej využít přímo pro uhřev teplé užitkové vody nebo ho lze využít k výrobě teplé užitkové vody a elektrické energie. Proces anaerobní fermentace biomasy má pozitivní vliv na zlepšování životního prostředí, tím že dochází k omezení plynných emisí z organických odpadů (PASTOREK, KÁRA, JEVIČ, 2004, s.136). Anaerobní fermentaci můžeme dále rozdělit na fermentaci v mokrých procesech a na fermentaci v suchých procesech. Mokrý proces anaerobní fermentace se týká tekutých suspenzí s obsahem sušiny asi 10 %. Je tedy vhodný pro suroviny s vyšším obsahem vody, jako jsou kejda a zvířecí exkrementy. Odpadní biomasa se dopraví do míchací a homogenizační nádrže, kde se upraví na čerpatelný substrát. Ten se převádí do velkorozměrného bireaktoru, zde dochází k vlastní fermentaci. Zbylý fermentovaný substrát lze využít v zemědělské výrobě. Pro zvýšení kvality vzniklého hnojiva většinou dochází k rozdělení suroviny na tuhý a kapalný podíl. Bioplyn se skladuje v plynojemu a používá se pro pohon kogenerační jednotky se spalovacím motorem (www.biom.cz). Anaerobní fermentace biomasy v tekutém substrátu klade vyšší požadavky na velikost bioreaktoru je tedy energeticky náročná na vyhřívání, čerpání a odvodňování. Je také potřebné delší setrvání substrátu ve fermentoru, více než 15 dnů (VÁŇA, SLEJŠKA, 1998, s.11). Zařízení je investičně nákladné, vyznačuje se však vysokým využitím energetického potenciálu. V zahraničí je tento systém získávání energie z biomasy velmi rozšířen (www.biom.cz). Při suchém procesu anaerobní fermentace se využívají suroviny s obsahem sušiny vyšším než 25%, nejčastěji však 30 až 35% (např. slamnatý hnůj). V tomto rozmezí je nejintenzivnější produkce bioplynu. V suchých technologiích se využívají procesy mezofilní při teplotách 35 až 40 °C nebo termofilní při teplotách 55 až 60 °C. Velkou výhodou termofilního procesu je hygienizace, kdy dochází ke snížení bakteriální kontaminace. Naopak nevýhodou tohoto procesu je menší stabilita, snížená odvodňovací schopnost a zejména velké ztráty při úniku tepla. Mezi termofilní a mezofilní metodu nejsou velké rozdíly v množství získaného metanu, a proto se více

17

upřednostňuje mezofilní metoda z důvodu nižších tepelných ztrát (VÁŇA, SLEJŠKA, 1998, s.12).

3.6 Biopaliva Využívání biopaliv je vhodné zejména z důvodu, že se omezuje nárůst produkce oxidu uhličitého (významný skleníkový plyn). Při spalování biopaliv nedochází k nárůstu emisí oxidu uhličitého, protože se v podstatě stejné množství spotřebovává z atmosféry při fotosyntéze rostlin. Dalším přínosem je odstranění dalších škodlivých emisí oxidu siřičitého a těžkých kovů, které vznikají při spalování hnědého uhlí. K využívání biopaliv přispívá nadbytek zemědělské půdy, která není potřebná k výrobě potravin. Tímto způsobem může dojít ke zvýšení pracovních příležitostí, zejména na venkově. Využíváním biopaliv se zvýší soběstačnost a nezávislost České republiky na dovozu fosilních paliv ze zahraničí. Ovšem hlavní překážkou při výrobě biopaliv jsou pořizovací náklady pro zařízení na spalování biomasy, které jsou výrazně vyšší než u zařízení na spalování fosilních biopaliv (www.biom.cz).

3.7 Rozdělení biopaliv Biopaliva může rozdělit na tři základní skupiny. Jedná se o tuhá, kapalná a plynná biopaliva.

3.7.1 Tuhá biopaliva Tuhá paliva, která se vyskytují v přirozeném stavu, se skládají ze tří složek: z celkové vody, popela a hořlaviny. Všechny tyto složky jsou důležitými činiteli při spalování a svými vlastnostmi ovlivňují konstrukci i provoz spalovacího zařízení. Voda a popel vytvářejí nehořlavou část paliva označovanou jako přítěž, která snižuje výhřevnost paliva ((MALAŤÁK, VACULÍK, 2008, s.36). Výhřevnost zdravého a suchého dřeva je poměrně vysoká. U jehličnanů se udává 19 MJ/kg a pro listnáče se pohybuje kolem 18 MJ/kg, což je ale asi polovina výhřevnosti fosilních paliv. Výhřevnost se snižuje při skladování tuhých biopaliv, která mají vyšší procento vlhkosti. K dalšímu snižování výhřevnosti dochází působením času a to zejména činností mikroorganismů, hub a plísní (PASTOREK, KÁRA, JEVIČ, 2004, s.83).

18

Hořlavá část biopaliva je tvořena uhlíkem, vodíkem, sírou a dusíkem. Vlastního procesu spalování se účastní pouze uhlík, vodík a síra. Kyslík z hořlaviny působí jako okysličovadlo (MALAŤÁK, VACULÍK, 2008, s.36). Chemické složení hořlavé části různých druhů dřevní hmoty je téměř stejné, výhřevnost je tedy v podstatě shodná. Tím, že biopaliva obsahují pouze stopové množství síry, nedochází ke vzniku škodlivých emisí oxidu siřičitého. Díky této skutečnosti vede využívání tuhých paliv ke zlepšování čistoty ovzduší (PASTOREK, KÁRA, JEVIČ, 2004, s.85).

3.7.1.1 Pelety z biomasy Pelety jsou granule kruhového průřezu o průměru 6 až 20 cm a délce 1 až 5 cm. Jsou vyráběny z organického materiálu (dřevo, dřevní zbytky, stébelniny) bez použití chemických přísad a pojiv (MALAŤÁK, VACULÍK, 2008, s.21). Nejčastěji se vyrábí dřevěné pelety, na trhu se objevují také rostlinné, rašelinové a směsné pelety. Dřevní pelety mají různé barvy, záleží na použitém druhu dřeva a na kvalitě suroviny (www.biom.cz). Vyznačují se vysokou výhřevností kolem 18 MJ/kg a nízkým množstvím vzniklého odpadu (popela) do 1 %. Popel z pelet je výborným zahradním minerálním hnojivem. Oproti klasickému dřevu, které má při dvouletém skladování vlhkost 15 až 20 %, mají pelety vlhkost pouze 8 až 10 %. Díky tomu zabezpečují vyšší životnost spalovacích zařízení (MALAŤÁK, VACULÍK, 2008, s.21). Příklady pelet jsou uvedeny v příloze č. 1 a č. 2. Nejvhodnější surovinou pro výrobu pelet je čistá dřevní hmota ve formě pilin, s minimálním božstvím dřevního prachu. Při vysokém obsahu vody v surovině, je nutné ji předem vysušit při teplotách kolem 160 °C. Před samotným peletováním je potřeba surovinu upravit na vhodný tvar pomocí kladívkového drtiče. Vzniklý materiál se následně dostane k protlačovacímu matricovému lisu, což je hlavní výrobní stroj peletovací linky. Protlačovací matrice je vyrobena z oceli a je opatřena otvory potřebného průřezu. Tudy se protlačuje surovina za vzniku tepla, které uvolňuje obsažený lignin (MALAŤÁK, VACULÍK, 2008, s.20). Výhodou pelet je malá náročnost na velikost prostoru dopravních prostředků a skladů. Pro skladování pelet musí být zajištěno suché a zastřešené místo (SLADKÝ, 1998, s.15). Nejčastěji jsou pelety uskladněny v pytlích nebo textilních vacích (www.biom.cz).

19

Při hoření pelet se nevytváří kouř. U dokonalého spálení vzniká oxid uhličitý, vodní páry a pouze nepatrné množství škodlivin. Pelety je možné zakoupit během celého roku, ovšem jejich ceny se v jednotlivých ročních obdobích mohou výrazně lišit. V letě jsou obvykle ceny za pelety nejnižší a zimě narůstají až o 40 % (www.biom.cz).

3.7.1.2 Brikety z biomasy Briketa je palivo, které se vyrábí lisováním sypkého materiálu. Díky tomu vznikají formy vhodné ke spalování (MALAŤÁK, VACULÍK, 2008, s.24). Palivo je lisováno do tvaru válečků, hranolů nebo šestistěnů o průměru 4 až 10 cm a délce do 30 cm. Brikety mají vysokou objemovou hmotnost, která se pohybuje v rozmezí 1000 až 1200 kg/m3. Díky tomu mají stabilní a nízkou vlhkost, obsah vody v briketách se pohybuje kolem 8 % (www.biom.cz). Objemová hmotnost a mechanická pevnost závisí na použitém materiálu, jeho struktuře, obsahu vody a lisovacím tlaku. Další předností tohoto paliva je možnost využití vzniklého popele jako minerálního hnojiva, obsah popele je do 2 % (MALAŤÁK, VACULÍK, 2008, s.25). Opět se můžeme setkat s briketami z různých materiálů. Na trhu se vyskytují brikety ze dřeva, kůry, energetických plodin nebo směsné brikety. Příklad dřevěných briket je uveden v příloze č. 3. Je potřeba rozlišit k jakému účelu se budou brikety využívat. Pro rychlé vytápění, např. chaty, jsou vhodné brikety z měkkého dřeva a otvorem uprostřed. Naopak pro stabilní vytápění obytného domu jsou vhodné plné brikety z tvrdého dřeva. Brikety se vyrábí z dřevních nebo rostlinných zbytků silným stlačením, které je označeno jako briketování (www.biom.cz). Tato tvarová úprava využívá mechanických a chemických vlastností surovin. Při vysokotlakém lisování se vstupní suroviny zhutňují do soudržných tvarů díky pryskyřicím, které jsou v nich obsaženy. Při briketování nesmí vlhkost materiálu přesáhnout 15 % a zrnitost v jednom směru 15 mm. Lisovaný materiál také nesmí obsahovat více než 6 až 8 % kůry a prachu více než 20 %. Proces briketování probíhá na briketovacích lisech různých konstrukcí při tlaku okolo 400 MPa a teplotě 70 °C. Zpracováním se docílí výrazného zmenšení objemu a tím zvýšení objemové hmotnosti a využitelné energie. Brikety standardní kvality mají výhřevnost 18 až 20 MJ/kg, při použití tvrdého dřeva a dřevního prachu je možné dosáhnout výhřevnosti až 33 MJ/kg (MALAŤÁK, VACULÍK, 2008, s.23-24).

20

Výhodou briket jsou nízké nároky na skladovací prostory, dopravu a manipulaci. Brikety se nejčastěji uskladňují v pytlích nebo jsou skládané na paletách ve fóliích (www.biom.cz).

3.7.1.3 Dřevní štěpka Dřevní štěpka je strojně nakrácená a nadrcená dřevní hmota o délce 5 až 25 cm. Získává se z odpadů lesní těžby, průmyslového zpracování nebo z pěstování energetických dřevin. Štepka je určena k vytápění větších budov. Přímo po těžbě dosahuje obsah vody v materiálu více než 55 %. Při dosoušení se obsah vody snižuje na 30 %. Výhřevnost paliva je závislá na obsahu vody, a proto zde není dosaženo tak vysokých hodnot jako u pelet nebo briket. Pohybuje se v rozmezí 8 až 12 MJ/kg. Štěpku můžeme rozdělit podle kvality a příměsí na: zelenou, hnědou a bílou štěpku. Zelená štěpka se vyrábí ze zbytků po lesní těžbě, nachází se v ní části větviček, listí nebo jehličí. V případě tohoto druhu štěpky se zpracovává čerstvá hmota a proto je charakterizována vysokou vlhkostí. Hnědá štěpka je tvořena zbytkovými částmi kmenů, odřezků z dříví, které nebylo odkorněno. Na těchto štěpkách jsou tedy znatelné části kůry. Bílá štěpka vzniká z odkorněného dříví, a to nejčastěji z odřezků vzniklých při pilařské výrobě. Tato štěpka je využívána pro výrobu dřevotřískových desek. Dřevní štěpka se zpracovává pomocí drtičů a štepkovačů. Hrubší štěpku o nestejné frakci získáme při využití kladivových drtičů, jemnější naopak získáme díky nožovým štěpkovačům. Příklad dřevní štěpky upravené nožovým štěpkovačem je uveden v příloze č. 4. Skladování dřevní štěpky je prostorově náročné. Navíc je potřebné aby ve skladu bylo vhodné odvětrávání z důvodu vysokého obsahu vody ve štěpce. V případě nezajištění odvětrávání může docházet k plesnivění a zapařování (www.biom.cz). Z tohoto důvodu jsou nutné vyšší investiční náklady na zařízení skladu pro štěpku a stejně tak jsou vyšší náklady na dopravu. Pokud nejsou štepky vysoušeny, dopravuje se do kotelny skoro trojnásobná hmotnost paliva (SLADKÝ, 1998, s.15). Velkou výhodou dřevní štepky je její nízká pořizovací cena. Jedná se totiž o zcela čistý a obnovitelný zdroj energie bez další přidané energie potřebné např. na lisování. Navíc si spotřebitelé mohou v malých objemech připravit štěpku sami vhodnými drtiči.

21

V tomto případě je vhodné využít zbytky ze stromů, případně energetické dřeviny (www.biom.cz).

3.7.2 Kapalná biopaliva Kapalná biopaliva se uplatňují zejména na pohon motorových vozidel. Díky využívání kapalných biopaliv se sníží závislost na ropě a tedy i její vzrůstající ceně a bude zajištěna rostoucí spotřeba pohonných hmot. Jedná se také o ekologicky vhodnější paliva než jsou stávající ropná paliva (FAJMAN, 2008, s.59). Uhlovodíková paliva by měla být nahrazena především bioetanolem a bionaftou. V rámci Evropské Unie jsou stanoveny cíle v oblasti využití kapalných biopaliv. Pro rok 2010 je potřeba dosáhnout 5,75 % energetického obsahu biopaliv. Podpořit splnění těchto cílů by měla přímá dotace pro pěstitele energetických plodin, která je plně hrazena Evropskou Unií a je pod správou Státního zemědělského intervenčního fondu. V České republice bylo v roce 2005 dosaženo 0,05 % podílu biopaliv na celkovém prodeji paliv v dopravě (www.biom.cz). Velkou nevýhodou využívání kapalných biopaliv je jejich vysoká cena. V důsledku vysoké poptávky po biopalivech se pěstování surovin pro jejich výrobu přesunulo zejména do rozvojových zemí, kde jsou výrobní náklady nižší. Tím, že došlo k přesunu těžiště pěstování energetických plodin do rozvojových zemí (daleko od budoucí spotřeby materiálu), zvýšily se také přepravní náklady. Na produkci obnovitelné energie se potom spotřebuje více energie fosilní (FAJMAN, 2008, s.67). Pro běžné využívání kapalných biopaliv je nutné zavedení efektivnější technologie, její další vývoj a komplexní řešení výroby. Díky tomu je možné dosáhnout nejvyššího stupně energetické přeměny a využití vedlejších produktů (www.biom.cz).

3.7.2.1 Bioetanol Líh se využíval k pohonu motorů již za první Československé republiky. Jednalo se o přípravek dynalkol. Ten obsahoval 40 % etylalkoholu a 60 % benzenu. Směs těchto látek byla velmi stálá a výkon motoru byl srovnatelný s benzínem (KÁRA , 2001, s.7). V současné době je bioetanol využíván jako vysokooktanové motorové palivo. Většinou je vmícháván do benzínu, kde tvoří jeho nízkopodílovou složku. Výchozí surovinou pro výrobu bioetanolu jsou zemědělské plodiny jako kukuřice, cukrová řepa, obilniny nebo brambory. Využít lze také další biomasu, dřevo, piliny a odpady, které

22

vznikají při výrobě papíru. Tyto suroviny se lihovarnickými postupy zpracují na výsledný produkt. V současné době se produkce bioetanolu v České republice pohybuje okolo 2500 l u obilnin a 6000 l u cukrovky. Obilniny jsou

pro produkci bioetanolu vhodnější

surovinou než cukrová řepa. V posledních letech však vzrostla cena obilovin, což zvýšilo i cenu bioetanolu. Spaliny biolihu neobsahují popel ani síru a obsahují nižší podíl oxidu uhličitého a oxidů dusíku než benzín. Nepodílí se tedy na navyšování skleníkového efektu a nevytváří škodlivé emise. Výpalky, které vznikají při výrobě bioetanolu se mohou po úpravě využívat jako hnojivo (www.biom.cz). Nevýhodou je možné riziko obsahu vody, která by mohla způsobit korozi a má vliv také na distribuci a spalování paliva. Největším nedostatkem bioetanolu je jeho nižší výhřevnost oproti benzínu. Nižší výhřevnost paliva výrazně zvyšuje jeho spotřebu, záleží na množství přídavku bioetanolu ve směsích (KÁRA, 2001, s.11). Výhřevnost bioetanolu se udává 26,87 MJ/kg, pro benzín je hodnota výhřevnosti podstatně vyšší a to 43,3 MJ/kg (PASTOREK, KÁRA, JEVIČ, 2004, s.208).

3.7.2.2 Bionafta V technické dokumentaci se termín bionafta nevyužívá. Uznány jsou termíny: metylestery řepkového oleje (MEŘO) a směsné palivo pro vznětové motory s obsahem metylesteru řepkového oleje s 30 až 36 % hm. MEŘO (KÁRA, 2001, s.23). Bionafta se vyrábí z olejnatých rostlin a biologických odpadů. Nejčastěji se jedná o výrobu ze semen řepky olejné. Po procesu hydrolýzy a esterifikaci uvolněných vyšších mastných kyselin metanolem, lze získat nejen metylester, ale také glycerol, který se využívá pro nízkotuhnoucí směsi do chladičů vozidel. Tato technologie je téměř bezodpadová (www.biom.cz). Metylester řepkového oleje se chemicky značně liší od ropných produktů. Jeho hustota, výhřevnost i průběh spalování se však motorové naftě velmi podobají. Výhřevnost MEŘO je 37,1 MJ/kg. MEŘO je čirá nažloutlá kapalina bez mechanických nečistot a viditelné vody, lze ji neomezeně mísit s motorovou naftou. Tato kapalina není toxická a neobsahuje těžké kovy. Je ovšem agresivní vůči pryžím a běžným nátěrům. Proto se při využívání řepkových mytelesterů doporučuje výměna pryžového těsnění palivového systému.

23

Metylester řepkového oleje v podstatě neobsahuje síru a jako složka směsných paliv se podílí na snižování jejího obsahu v palivech do vznětových motorů. Další velkou výhodou je dobrá biologická rozložitelnost, která se pohybuje kolem 98 % za 21 dní. MEŘO má také nižší hodnoty emisí oxidu uhličitého a siřičitého a kouřivosti než motorová nafta, což má pozitivní vliv na životní prostředí. Nevýhodou metylesteru řepkového oleje je, že se jedná o letní palivo. K potížím při startování dochází již při teplotách 5 °C a při teplotách pod bodem mrazu vznikají problémy s dopravou paliva z nádrže k motoru a při startování studeného motoru. Aby se MEŘO přizpůsobil provozu v zimě, je třeba přidat do směsi vhodná aditiva (KÁRA, 2001, s.23-28).

3.7.3 Plynná biopaliva Mezi plynná biopaliva patří dřevní plyn, který se vyznačuje poměrně nízkou účinností a vedle něj bioplyn. Ten má vysokou výhřevnost a vyskytuje se zde již s počátkem života na Zemi. Nejedná se tedy o novodobý vynález (SCHULZ, EDER, 2004, s.17).

3.7.3.1 Dřevní plyn Dřevní plyn se skládá z mnoha uhlovodíků, hlavní spalitelnou složkou je vodík. Jeho výhřevnost je velmi nízká, pohybuje se okolo 5 MJ/m3. První informace o dřevním plynu lze nalézt v souvislosti s výrobou dřevěného uhlí. Při karbonizaci dřeva totiž docházelo k uvolňování jeho plynných složek. Tehdy se vzniklý plyn považoval za odpad a nebyl proto žádným způsobem dále využíván. Teprve v prvních prototypech stacionárních výbušných motorů se dřevní plyn využíval jako pohonná hmota (www.biom.cz). Při technologii výroby dřevního plynu je nutná spolupráce odborníků z různých oborů (strojírenství, chemické technologie). Proto došlo k vývoji tohoto biopaliva zejména se vznikem platnosti zákona o podpoře obnovitelných zdrojů energie. Nejčastějšími výrobními metodami jsou technologie se sesuvným ložem, případně přetlakové generátory nebo generátory se spodním plněním paliva. Dřevo ve vyvíječi plynu hoří shora dolů, plyn dále postupuje přes žhavé dřevěné uhlí a tím dochází k přeměně oxidu uhličitého na oxid uhelnatý. Ten tvoří základní složku dřevního plynu. V generátoru dochází dále k rozkladu vodní páry na vodík

24

a k rozkladu dehtu, který vznikl nedokonalým spalováním. Následně se plyn filtruje od prachu a chladí se v trubkovém nebo vodním chladiči. Při výrobě dřevního plynu vzniká 20 % vodíku a oxidu uhelnatého, malé množství metanu a zbývající část tvoří dusík. Nejčastěji se tyto technologie využívají k pohonu motorových vozidel, proto dnešní využití dřevního plynu vychází z původního souproudého zplyňovače. Generátory s pevným ložem můžeme rozdělit na: souproudé, protiproudé a s křížovým proudem. Další rozdělení je na generátory s fluidním nebo unášivým ložem. Nevýhodou výroby dřevního plynu je vyšší obsah oxidu uhličitého a dusíku, který způsobuje nízkou výhřevnost. Přestože má dřevní plyn poměrně dlouhou historii, je stále nedostatečně probádaným a proto je málo využívaným obnovitelným zdrojem energie (www.biom.cz).

3.7.3.2 Bioplyn Bioplyn vzniká při látkové výměně metanových bakterií, k níž dochází při rozkladu organické hmoty bakteriemi. Organickou hmotu tvoří kejda, hnůj, fytomasa (klestí ze stromů) nebo svod domovních odpadních vod. K procesu rozkladu (vyhnívání) dochází ve vlhkém prostředí bez přístupu vzduchu působením metanových bakterií při teplotě 0 až 70 °C. Vyhnívání lze rozdělit na čtyři fáze. První fáze se nazývá hydrolýza, při ní přeměňují anaerobní bakterie makromolekulární organické látky na nízkomolekulární. Vznikají jednoduché cukry, aminokyseliny a mastné kyseliny. Ve druhé fázi (acidogenezi) dochází díky acidofilním bakteriím k dalšímu rozkladu na organické kyseliny, oxid uhličitý a vodík. Ve třetí fázi (acetogenezi) vytvoří octotvorné bakterie kyselinu octovou, oxid uhličitý a vodík. Ve čtvrté fázi (metanogenezi) dochází ke vzniku metanu, oxid uhličitého a vody působením metanových bakterií. V bioplynových stanicích, kde dochází ke kontinuálnímu plnění organickou hmotou, probíhají všechny fáze současně. Nejsou odděleny prostorově ani časově. U vícestupňových bioplynových stanic dochází k procesům rozkladu odděleně. V současné době je známo přibližně deset druhů metanových bakterií o velikosti 1/1000 mm. Každý druh vyžaduje speciální typ péče. Pro všechny druhy jsou stejné požadavky na životní podmínky. Mezi ty patří např. vlhké prostředí, zabránění přístupu

25

vzduchu a světla, stálá teplota, hodnota pH a rovnoměrný přísun substrátu (SCHULZ, EDER, 2004, s.7-20). V tropických oblastech jsou bioplynové stanice zásobovány čerstvou fytomasou celoročně, v našich podmínkách je potřeba zabezpečit provoz bioplynových stanic zejména mimo vegetační období. V této době je největší spotřeba bioplynu k výrobě tepla. Je proto nutné biomasu upravovat sušením nebo silážováním (VÁŇA, SLEJŠKA, 1998, s.22). Kvalita vzniklého bioplynu se určuje zejména poměrem hořlavého metanu k oxidu uhličitému. Při zastoupení oxidu uhličitého v bioplynu dochází k jeho zřeďování, tím se zvyšují náklady při skladování. Proto je vhodný co nejvyšší obsah metanu. Dosažitelný obsah metanu se pohybuje v rozmezí 50 až 75 % a závisí na průběhu procesu, skladbě živin v substrátu a teplotě substrátu. Při rozkladu bílkovin dochází ke vzniku sirovodíku. Jedná se jedovatý a agresivní plyn, který způsobuje korozi. Je proto nutné bioplyn odsiřovat. Obsah sirovodíku je od 0 až do 1 %, vyšší koncentrace pozastavuje proces vyhnívání. Výhodou bioplynu je jeho mnohostranné využití. Může se používat pro výrobu proudu, vaření, vytápění a ohřev teplé užitkové vody. Výhřevnost bioplynu se uvádí mezi 5,5 a 7 kWh/m3, záleží přitom na obsahu metanu. Při využití bioplynu na výrobu proudu není snadné najít spalovací motor, který by vyhovoval následujícím požadavkům, mezi které patří nízká cena, dobrá mechanická účinnost, nízká hlučnost, malé emise výfukových plynů a odolnost vůči vlhkosti a stopovým látkám v bioplynu. Při používání bioplynových motorů vznikají škodliviny, jedná se o oxid siřičitý, oxidy dusíku, oxid uhelnatý, uhlovodíky a saze. Odstranění škodlivin je velmi problematické (SCHULZ, EDER, 2004, s.23-79).

26

4 SOUČASNÉ MOŽNOSTI VYUŽITÍ BIOPALIV 4.1 Využití tuhých biopaliv Výrazný podíl spotřebovávané energie využíváme k ohřevu vody a k výrobě tepla. Na teplo je možné přeměnit téměř každou formu energie, je však nutné počítat s nižší účinností (MURTINGER, BERANOVSKÝ, 2006, s.29). Teplo z biomasy se získává procesem spalování. Ke spalování dochází za daných provozních podmínek a s určitým přebytkem vzduchu. Přebytek vzduchu musí být nízký, aby nedocházelo ke ztrátě tepla spalinami. Na druhé straně musí být vzduchu dostatek, aby bylo zajištěno dokonalé spálení paliva (MALAŤÁK, VACULÍK, 2008, s.59). Hoření probíhá při vysokých teplotách a jeho výsledkem je oxid uhličitý a voda. Při nedokonalém spalování vznikají nežádoucí látky, mezi které patří oxid uhelnatý, oxidy

dusíku,

polycyklické

aromatické

uhlovodíky

a

saze

(MURTINGER,

BERANOVSKÝ, 2006, s.29). Konstrukce zařízení na spalování biomasy musí mít optimalizovaný spalovací proces, aby nebyly předepsané limity

těchto škodlivých látek přesaženy. U kotlů

malých výkonů (do 100 kW) se využívá k regulaci lambda sonda a teplotní čidlo v kouřových plynech. V případě kotlů větších výkonů je možné proces spalování sledovat a řídit podle množství oxidů dusíku a uhlovodíků. Nejdokonalejším způsobem řízení spalování je v současné době měření koncentrací oxidu uhelnatého a uhlovodíků. Takto lze zajistit nízké emise škodlivin (PASTOREK, KÁRA, JEVIČ, 2004, s.112).

4.1.1 Kotle na pelety Pro spalování v kotlích na pelety se vyžívá čistá dřevní hmota s min. obsahem prachu, který zhoršuje soudržnost pelet. Obsah vody by se měl pohybovat okolo 10 %. K vlastnímu hoření dochází v hořáku. Jeho konstrukce má významný vliv na účinnost spalování pelet. Pelety se do hořáku dávkují pomocí šnekového mechanismu. Pelety mají pravidelný tvar a malý rozměr, proto lze využívat automatické dávkování paliva do hořáku. Dávkování probíhá v souladu s chodem regulačního systému kotle tak, aby byla pokryta okamžitá spotřeba tepla. Pelety se zapálí elektricky žhavenou spirálou. Spalování pelet má vysokou účinnost, která se udává kolem 90 %. Hořák na pelety lze navíc zabudovat do stávajícího kotle na tuhá paliva. Některé druhy kotlů umožňují spalovat kromě pelet i další palivo. 27

Výhodou peletových kotlů je i jejich možný nízký výkon, který je vhodný zejména pro nízkoenergetické domy. Pohybuje se od 2 do 8 kW. Naopak nevýhodou je vyšší cena kotlů na pelety oproti kotlům na kusové dřevo. Díky vysoké ceně se však výrobci snaží o dosažení nejvyšší účinnosti a spolehlivosti. (MURTINGER, BERANOVSKÝ, 2006, s.35-39).

4.1.1.1 Kombinované kotle ATMOS Firma ATMOS nabízí nejenom samostatné kotle na pelety nebo zplynovací kotle na dřevo ale dále má ve své nabídce kombinované kotle na zplynování dřeva, pelety, zemní plyn a extra lehký topný olej (www.atmos.cz). Mezi zástupce těchto kotlů patří typ ATMOS DC 15EP(L). Tento kotel pracuje na principu generátorového zplyňování v kombinaci s hořákem na pelety, zemní plyn nebo lehký topný olej. V kotli můžeme střídat dva typy paliva, lze topit např. peletami a zemním plynem. Záleží na tom, který hořák je v kotli zabudovaný. Těleso má nad sebou tři spalovací komory. Dvě horní slouží ke spalování kusového dřeva a nejspodnější komora je osazena vybraným hořákem. Oba systémy jsou od sebe odděleny vodním pláštěm, aby nedocházelo k jejich vzájemnému ovlivňování. K odvodu spalin slouží jedno výstupní hrdlo, a proto je dostačující pouze jeden komín (MURTINGER, BERANOVSKÝ, 2006, s.39-40). Kotel je řízen automaticky na požadovanou výstupní teplotu vody při dosažení nejvyšší účinnosti. Kombinovaný kotel ATMOS je uveden v příloze č. 5. Kotel ATMOS dosahuje stejné účinnosti jako speciální kotle na zemní plyn nebo pelety. Zároveň se jedná o levnější a technicky výhodnější řešení než by bylo použití dvou samostatných kotlů. Velkou výhodou je možná výměna jednotlivých hořáků, kdykoliv je možné přejít na jiné médium a dokonce se jedná o dotovaný kotel, ale pouze v provedení kotle na dřevo v kombinaci s hořákem na pelety (www.atmos.cz).

4.1.2 Kotle na spalování briket Kotle na spalování briket mají regulaci výkonu závislou na teplotě výstupní vody, požadovanou teplotu je možné nastavit na regulátoru. Při provozu je důležité udržet teplotu zpáteční vody nad 60 °C, při nedodržení této podmínky se podstatně snižuje životnost kotle. Dále je nutné dodržovat dávkování paliva podle požadovaného výkonu.

28

Brikety se vyznačují nízkou vlhkostí a naopak vysokou objemovou hmotností. Do kotle je možné naložit poměrně velké množství hmoty, čímž se zajistí delší interval mezi přikládáním. Výhodou dřevěných briket je snadná manipulace s nimi a pohodlné skladování (Společnost VERNER a.s., str.94-95).

4.1.3 Kotle na spalování dřevní štěpky Dřevní štěpku lze využívat obdobně jako pelety, tedy v kotlích s automatickým provozem. Štěpka má poměrně vysoký obsah vody, přesto většinou nedochází k jejímu vysoušení a skladuje se volně na hromadách. Do kotle přichází štěpka s vyšším obsahem vody, kdy záležení hlavně na aktuálním počasí. Nejčastěji se štěpka spaluje ve velkých kotlích, které jsou zásobárnami tepla pro zemědělské podniky nebo v obecních výtopnách. Dřevní štěpka je do spalovací komory dopravována pomocí šnekového zásobníku. V kotlích na spalování štěpky se často mohou spalovat i piliny, případně se piliny spalují v samostatných kotlích, které jsou určeny pro tyto účely. U kotlů velkých objemů závisí optimální spalování na složení a vlhkosti paliva. Emise škodlivých látek a popílku jsou minimální a k oddělení popílku ze spalin dochází v cyklonovém odlučovači. Výhodou těchto kotlů oproti kotlům na pelety je podstatně nižší cena štěpky (MURTINGER, BERANOVSKÝ, 2006, s.35-41).

4.1.3.1 Obecní výtopna v Hostětíně V obci Hostětín v Bílých Karpatech je vybudovaná obecní výtopna na dřevní štěpku s rozvodem tepla. Na obecní výtopnu je připojeno 69 domů. Výkon kotle je 732 kW a celková roční spotřeba dřevní štěpky je 600 tun. Výtopna produkuje za topnou sezónu asi 3 500 GJ tepla. Důvodem k realizaci výtopny v Bílých Karpatech se staly rozsáhlé zdroje biomasy v této oblasti (zejména zbytky z lesní těžby a zpracování dřeva) a zvyšující se cena tepla z fosilních paliv a elektřiny. Navíc energie z biomasy snižuje emise oxidu uhličitého, prachu a oxidu siřičitého. Díky obecní výtopně dochází k využívání místních zdrojů a k podoře zaměstnanosti v obci. Celkové náklady na vybudování kotelny byly z velké části financovány nizozemskou vládou prostřednictvím vládní organizace Senter. Těmito financemi byla pokryta instalace kotle, konzultace, technologický projekt a vytvoření informačního

29

centra. Vybudování teplovodního potrubního rozvodu podpořila Česká energetická agentura a zbývající náklady byly uhrazeny ze Státního fondu životního prostředí.

Obrázek č.1: Schéma výroby energie v obecní výtopně v Hostětíně (www.hostetin.veronica.cz) Výtopnu tvoří soustava s teplovodním kotlem, který spaluje štěpku z okolních dřevozpracujících podniků a lesů. Do skladu se průběžně dováží dřevní štěpka, která se následně dostává do kotle pomocí sila s posuvným dnem. Šnekovými dopravníky se palivo přesune do spalovací komory, ve které se nachází pohyblivé litinové rošty. Ty se pohybují mezi pevnými rošty, čímž se zajišťuje rozdělení paliva. Užita mohou být také nehomogenní paliva do 50 % obsahu vlhkosti. Štěpka hoří při teplotě 800-1000 °C. Spaliny se ochlazují a odpráší se v multicyklonu (www.hostetin.veronica.cz).V cyklonu dochází k rotaci kouřových plynů díky proudění vzduchu. Odstředivou sílou se zde pevné částice oddělují. Cyklony jsou technologicky jednoduché a jejich investiční i provozní náklady jsou podstatně levnější než elektrostatické filtry. Proto jsou využívány častěji (PASTOREK, KÁRA, JEVIČ, 2004, s.113-114). Spaliny jsou následně z multicyklonu vyvedeny do komína. Fotografie obecní výtopny v Hostětíně je uvedena v příloze č. 6. Na rozvody topné vody je připojena většina domácností v obci Hostětín. V těchto domech je nainstalovaná předávací stanice s výměníky pro vytápění a ohřev vody. V období mimo topnou sezónu je výtopna odstavena a domácnosti využívají pro ohřev teplé užitkové vody elektrické bojlery a sluneční kolektory (www.hostetin.veronica.cz).

30

4.2 Využití kapalných biopaliv Důležitou formou energie pro lidstvo je mechanická energie pro pohon dopravních prostředků. Energii obsaženou v biomase zatím nelze v současné době přeměnit přímo na mechanickou práci. Nejdříve se energie biomasy přemění na teplo a potom pomocí motoru se transformuje na mechanickou energii. Nevýhodou tohoto procesu je vznik odpadního tepla o nižší teplotě, které uniká do okolního prostředí. Toto není problémem u stacionárních zařízení, kde lze teplo využít na vytápění. Naopak u dopravních prostředků nelze odpadní teplo využít, a proto se u automobilových motorů uvádí nízká účinnost, kolem 30 % (MURTINGER, BERANOVSKÝ, 2006, s.48). Dalším možným problémem při využívání kapalných biopaliv jako alternativního motorového paliva je vyšší cena výrobních nákladů oproti fosilním palivům. Je zde snaha tento cenový rozdíl snížit poskytováním podpor na nepotravinářské využití biomasy. Využívání kapalných biopaliv nevyžaduje vysoké investice do infrastruktury z důvodu, že lze tato paliva používat ve stávajících motorových vozidlech. Navíc může rozšířené využívání biomasy zlepšit udržitelný rozvoj venkova, podpořit mnohofunkční zemědělství a tím zvýšit také počet pracovních míst. Důležité při použití biopaliv je, aby byly v souladu s technickými normami a aby byly splněny požadavky na množství emisí. Biopaliva lze používat jako čistá nebo smíchaná s deriváty minerálních olejů (PASTOREK, KÁRA, JEVIČ, 2004, s.199-200).

4.2.1 Bioetanol ve spalovacích motorech Bioetanol představuje vhodné obnovitelné palivo ve spalovacích motorech, je využíván zejména v motorech zážehových. U vznětových motorů je jeho použití obtížnější z důvodu výrazných odlišností hodnot bioetanolu a motorové nafty. Z následující tabulky lze vyčíst nízké cetanové číslo etanolu, které představuje hlavní problém při užití bioetanolu ve vznětových motorech. Cetanové číslo je obdobou oktanového čísla u zážehových motorů, udává tedy vznětlivost, která je v případě etanolu nízká. Proto se zvyšuje speciálními aditivy. Přesto nelze bioetanol spalovat v běžných vznětových motorech, ale pouze v upravených motorech.

31

Tabulka č.1: Základní parametry motorové nafty a etanolu (www.biom.cz)

Pří úpravě dochází ke zvýšení kompresního poměru a změně dimenzování vstřikovacího systému z důvodu nízké výhřevnosti bioetanolu. Tento motor již nelze využívat na klasickou naftu. Bioetanol je možné využít také ve dvoupalivovém systému s oddělenou nádrží. V tomto případě se nafta a etanol dostávají do spalovacího prostoru samostatnými vstřikovači. Poslední možností, jak využít etanol ve vznětových motorech je jeho přidávání přímo do nafty. Mísitelnost obou paliv je však obtížná, stejně jako stálost směsi. Vhodné je proto mísitelnost a stálost zajistit vhodnými přísadami (butanolem). Nejúčinnější je přidání 5 % bioetanolu do nafty, při vyšším množství se snižuje mazací schopnost paliva. Tím se snižuje životnost vstřikovacího zařízení. Při využívání směsi motorové nafty a 5 % bioetanolu ve

vznětových

motorech

se výrazně snižuje produkce emisí oxidu uhelnatého, dále dochází k mírnému snížení emisí uhlovodíku, oxidu uhličitého a oxidů dusíku. Nižší je také kouřivost motoru. Snižuje se však točivý moment (asi o 2 %), to ale nepředstavuje závažný nedostatek (www.biom.cz).

4.2.1.1Bioetanol v městských autobusech společnosti Scania Společnost Scania se zabývá výrobou a dodáváním těžkých nákladních vozidel, autobusů a průmyslových motorů. Scania nabízí také servisní služby. Společnost má

32

prodejní a servisní místa po celém světě. Výzkumu a vývoji se zaměstnanci věnují zejména ve Švédsku, tedy v blízkosti výrobních zařízení. Scania se také snaží snižovat vlivy svých produktů na životní prostředí a to během celého životního cyklu vozidel a motorů. Tedy jak během výroby tak i při jejich využívání. Jedná se především o ekonomické využití energie a dosažení nízké úrovně emisí. Významný podíl při ochraně životního prostředí a omezení klimatických změn má právě využívání bioetanolu v městských autobusech firmy Scania. Již 20 let se společnost zabývá vývojem alternativních paliv. Ve Stockholmu je provozováno přes 200 městských autobusů, které ve svých vznětových motorech spalují bioetanol (www.scania.cz). Konkrétně se jedná o palivo, které je označeno jako E95. Tato směs se skládá z převážné části z etanolu (95 %) a zbývající část (5 %) tvoří aditiva, která podporují vznětlivost paliva (www.biom.cz). Scania považuje bioetanol za velmi efektivní obnovitelné palivo, které je vhodné pro městský provoz. Navíc využívání etanolu vede k udržitelnému systému veřejné dopravy. Městský autobus Scania OmniCity 2006 je uveden v příloze č. 7. Etanolové motory prokazují vysokou účinnost a jsou určeny pro každodenní intenzivní využití (www.scania.cz). Při srovnání s běžnou motorovou naftou dochází při používání paliva E95 k nižší produkci nebezpečných emisí oxidu dusíku a naopak k mírnému nárůstu emisí uhlovodíků. U vznětových motorů je závažným problémem vznik pevných částic, které u etanolových motorů v podstatě vůbec nevznikají (www.biom.cz). V současné době se dostávají na trh také etanolová nákladní vozidla Scania, která jsou určená k distribuci a sběru odpadu (www.scania.cz).

4.2.2 Bionafta ve vznětových motorech Bionafta se začala vyrábět na počátku 90.let. Jednalo se o 100 % metylester řepkového oleje (MEŘO). Toto palivo bylo alternativou pro vznětové motory. Tato bionafta snižovala výkon motoru, způsobovala vysokou kouřivost a mohlo docházet k poškozování pryžových částí motoru. V současné době se využívá bionafta, která je upravena látkami ropného charakteru. Ty musí být odsířené pro zachování biologické odbouratelnosti. Jedná se tedy o palivo

33

pro vznětové motory s obsahem MEŘO nad 30 %, kde je zbývající část tvořena motorovou naftou a vhodnými aditivy. V případě, že se rozhodneme přejít na bionaftu, je potřeba důkladně vyčistit palivový systém od vody a usazenin. Bionafta je náchylná na přítomnost vody. Pokud se dostane do styku s větším množstvím vody, začne se srážet a zanáší palivový filtr. Při skladování bionafty je důležité zajistit čistý skladovací prostor a zabránit případnému kontaktu s vodou. Při přechodu na bionaftu je třeba počítat s nižším výkonem (o 2 %) a vyšší spotřebou (do 3 %). Zvýšená spotřeba paliva by neměla být příliš znatelná z důvodu nižší ceny za bionaftu než za běžnou motorovou naftu (www.af.czu.cz). Pro porovnání provozních vlastností bionafty s podílem nad 30 % řepkových methylesterů (směsné palivo) byly provedeny provozní zkoušky. Uskutečněny byly ve spolupráci se zkušebnami ŠKODA-LIAZ a ZETOR. Po dlouhodobé zkoušce paliva v traktoru Zetor 10540 byly zjištěny následující provozní odlišnosti: •

Snížení výkonu o 2,5 až 5 % oproti motorové naftě. V závislosti na tuto skutečnost roste úměrně měrná spotřeba paliva.

•

V zimním období nebylo problematické spuštění motoru se směsným palivem. Negativní vliv na pryžové hadičky je srovnatelný jako u motorové nafty.

•

Ve srovnání s motorovou naftou se snižuje teplota výfukových plynů a celkového tepelného zatížení motoru.

•

Emise částic i kouřivost je nižší. Emise oxidů dusíku jsou buď vyšší nebo nížší v závislosti na typu motoru (PASTOREK, KÁRA, JEVIČ, 2004, s.230-231).

4.3 Využití plynných biopaliv Elektrickou energii je možné získat z plynných biopaliv. K těmto účelům je vhodný bioplyn, který se nejčastěji používá na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny za pomoci kogenerační jednotky (MURTINGER, BERANOVSKÝ, 2006, s.56-61). Výhodou využívání bioplynu je jeho jednoduchá náhrada za zemní plyn a tedy možnost využívat stávající potrubní sítě. Rostlinné živiny, které jsou při výrobě bioplynu přítomny, lze dále využívat v hodnotném organickém hnojivu. Jedná se o vedlejší produkt procesu anaerobní digesce (VÁŇA, SLEJŠKA, 1998, s.26).

34

4.3.1 Bioplynové stanice V bioplynové stanici dochází k anaerobní digesci (vyhnívání), při níž vzniká bioplyn a digestát. Výhodou tohoto procesu je, že vstupující surovina může mít vysoký obsah vody. Nejčastěji se jedná o odpadní biomasu z živočišné výroby (kejda, hnůj), zbytky z rostlinné prvovýroby a odpad z domácností. Díky tomu se zde mohou likvidovat těžko odbouratelné organické odpady (MURTINGER, BERANOVSKÝ, 2006, s.58-59).

4.3.1.1 Technologie výrobních postupů Technologické postupy při řešení bioplynové stanice lze rozdělit podle: •

způsobu plnění - dávkový nebo průtokový způsob plnění

•

prostorového rozdělení procesu - proces jednostupňový nebo vícestupňový

•

konzistence substrátu – pevný nebo kapalný substrát

Při využití dávkového plnění se vyhnívací nádrž (fermentor) naplní najednou. Dávka postupně vyhnívá do konce doby kontaktu (bez přidání nového substrátu), následně se vyhnívací nádrž naráz vyprázdní. Z důvodu jednorázového naplňování a vyprazdňování vyhnívací nádrže je potřeba mít k dispozici také přípravnou a skladovací nádrž o stejné velikosti. Nevýhodou je nerovnoměrná výroba bioplynu. Je nutné mít dva menší fermentory, které se střídavě plní a vyprazdňují. Tímto dochází ke zvýšení nákladu na provoz bioplynové stanice, a proto není tato metoda v praxi příliš využita. Naopak při laboratorních pokusech se využívá ve většině případů. Jedná se o optimální metodu, protože nedochází ke smíchání s čerstvým substrátem. Průtokový způsob plnění se využívá ve většině bioplynových stanic. V tomto případě je fermentor stále naplněn a k vyprázdnění dochází pouze výjimečně (z důvodu oprav, odstranění usazenin). Čerstvý substrát je do fermentoru dodáván z menší přípravné nádrže a souběžně dochází k odvodu odpovídajícího množství vyhnilého kalu do skladovací nádrže .Výhodou je rovnoměrná výroba bioplynu, plně automatizovaný proces a nižší cena oproti dávkovému systému. Nevýhodou je možnost, že může dojít ke smíchání nového substrátu s již vyhnilým kalem. Při jednostupňovém procesu probíhají všechny fáze anaerobní fáze (hydrolýza, acidogeneze,

acetogeneze

a

metanogeneze)

v jednom

vyhnívacím

prostoru.

Při vícestupňovém procesu jsou jednotlivé fáze vyhnívání prostorově odděleny.

35

Nejčastěji se využívá dvoustupňový postup, vícestupňový proces by znamenal také vyšší náklady. Tuhé substráty představují obtížnější pracovní postup z důvodu zhoršené zpracovatelnosti při dopravě do fermentoru. Proto je vhodnější využívat tekuté substráty (SCHULZ, EDER, 2004, s.30-34).

4.3.1.2 Zařízení na výrobu bioplynu Struktura základních prvků bioplynové stanice: 1. Zdroj organických materiálů – sběr a transport do příjmové nádrže musí přibližně odpovídat výkonnosti strojní linky. 2. Příjem a úprava substrátu – do této skupiny patří zařízení na separaci tuhých příměsí, na ředění vodou, na předehřev a homogenizaci materiálu 3. Anaerobní reaktor – je nejdůležitější součástí bioplynové stanice (PASTOREK, KÁRA, JEVIČ, 2004, s.148). Základní rozdělení fermentorů je na horizontální a vertikální konstrukční typ. Výhodou horizontálního reaktoru je možnost instalovat výkonné a energeticky úsporné míchadlo. Dochází zde k dobrému promíchání substrátu v podélném směru. Nevýhodou tohoto typu je velká spotřeba prostoru. Vertikální reaktor má kruhový průřez a většinou je vyrobený z betonu. Výhodou je lepší využití prostoru a objemu a tím snížení materiálových nákladů (SCHULZ, EDER, 2004, s.35-36). 4. Bioplynová koncovka – obsahuje potrubí na dopravu bioplynu, bezpečnostní zařízení, zásobník, zařízení na úpravu a konečné využití bioplynu 5. Kalová koncovka – obsahuje armatury, dopravní čerpadla a separační zařízení (PASTOREK, KÁRA, JEVIČ, 2004, s.148-150).

4.3.1.3 Bioplynová stanice Vysoké Mýto Bioplynová stanice ve Vysokém Mýtě byla vybudována v rámci projektu Integrovaný systém nakládání s bioodpady. Tento projekt byl spolufinancován z prostředků Evropské unie, Státního fondu životního prostředí České republiky, Pardubického kraje a z vlastních prostředků města Vysokého Mýta. Celkové náklady na vybudování bioplynové dosáhly 75 572 599 Kč. Stanice byla zprovozněna v roce 2008.

36

Hlavním účelem bioplynové stanice Vysoké Mýto je sběr biologicky rozložitelných odpadů a svoz bioodpadů od podnikatelských subjektů a následné zpracování těchto odpadů. Ke sběru biologicky rozložitelného odpadu slouží obyvatelům Vysokého Mýta speciální sběrné nádoby. Do sytému sběru je zařazen také kuchyňský odpad z restauračních zařízení. Fotografie bioplynové stanice Vysoké Mýto je uvedena v příloze č. 8. Bioplynová stanice je umístěna při čistírně odpadních (ČOV) vod Vysoké Mýto, je tedy možné zpracovávat čistírenské kaly. Bioplynová stanice má kapacitu přibližně 8000 tun odpadů za rok. Získaný bioplyn je zde spalován ve dvou kogeneračních jednotkách, které mají výkon 160 kW. Díky kogeneračním jednotkám vzniká elektrická energie a teplo. Elektřina se prodává do sítě, teplo se využívá při technologiích. Přebytečné teplo slouží k vytápění objektů ČOV. Dalším článkem bioplynové stanice jsou drtící a hygienizační jednotky. Tímto je zajištěno zdravotně nezávadné zpracování odpadů. Technologický systém se nachází v uzavřeném objektu. K odstranění zápachu slouží biofiltry (www.vysoke-myto.cz).

.

37

5 DISKUZE Obnovitelné zdroje energie v současné době představují důležitou součást života lidí. V budoucnosti se očekává jejich rostoucí význam. V České republice je neperspektivnější využívání energie z biomasy. Další obnovitelné zdroje energie jako například energie větru nebo sluneční energie nemají v naší zemi ideální podmínky. Nelze je využívat jako jediný zdroj energie, ale pouze jako doplňující zdroj. Využívání energie z biomasy se mi jeví jako efektivní. V České republice je dostatek zemědělské půdy, kterou lze využít pro záměrně pěstovanou biomasu. Tímto pěstováním plodin navíc dochází k podpoře regionů, nabídce nových pracovních míst a pro zemědělce je prodej energetických plodin výnosný. V literatuře se objevuje také etická otázka, jestli je dobré pěstovat rostliny pouze k energetickému účelu. Pokud se na polích budou pěstovat pouze energetické plodiny, zvýší se závislost České republiky na dovozu potravin ze zahraničí. Myslím, že je tedy nutné, nalézt vhodný poměr ploch určených k pěstování rostlin ke konzumaci a rostlin na výrobu energie. Toto doporučení je pouze z pohledu naší republiky, v celosvětovém měřítku se etická otázka pěstovaní energetických plodin bude ubírat jiným směrem. Na světě je mnoho zemí, kde je nedostatek potravy a lidé trpí podvýživou. V těchto oblastech je podle mého názoru zřejmě nepředstavitelné pěstovaní rostlin, pro jejich následné spálení nebo fermentaci. Tato problematika je důležitá, zabývá se jí řada odborníků. Přesto bych se v diskuzi chtěla zaměřit spíše na užitky, které plynou z využívání biopaliv a jejich porovnání s neobnovitelnými zdroji energie.

5.1 Porovnání biopaliv s neobnovitelnými zdroji energie Všechny druhy biopaliv mají nižší výhřevnost než obnovitelné zdroje energie, což vede k jejich zvýšené spotřebě. Z tohoto důvodu se mohou stát biopaliva cenově náročná a v případě tuhých biopaliv kladou také zvýšené nároky na skladovací prostory. Naopak velkou výhodou při využívání biopaliv je omezený nárůst produkce oxidu uhličitého, který se podílí na vzniku skleníkového efektu. Snižují se také emise těžkých kovů, které vznikají při spalování uhlí. Na obnovitelné zdroje energie je poskytována řada dotačních programů. Díky tomu se předpokládá v budoucnosti jejich významnější podíl zejména na výrobě elektřiny.

38

5.1.1 Zhodnocení tuhých biopaliv Tuhá biopaliva představují, podle mého názoru, pro domácnosti nejdostupnější možnost využití obnovitelných zdrojů energie. Jak je uvedeno na příkladu obce Hostětín, je možné vybudovat výtopnu pro celou vesnici nebo si mohou jednotlivé domácnosti pořídit kotel na spalování pelet nebo štěpky. V Hostětíně byla výtopna postavena z důvodu rozsáhlých zdrojů biomasy, která se nachází v okolí obce. Díky tomu je výtopna nezávislá na dodávkách tuhých biopaliv, čerpá z vlastních zásob. Tímto způsobem mohou fungovat i kotle na biomasu v domácnostech. Pokud má rodina dostatek biomasy, kterou může využít pro vytápění v těchto kotlích, výrazně se sníží náklady na nákup paliv. Na pořízení kombinovaného kotle na dřevo a pelety je možné získat dotaci. Tímto se výrazně sníží pořizovací náklady, které jsou obecně u obnovitelných zdrojů energie vyšší než u zdrojů neobnovitelných. Výhodou využívání tuhých biopaliv je možnost používání místních zdrojů biomasy, čímž se zvyšuje konkurenceschopnost daného regionu. Není tedy potřeba nakupovat již upravená tuhá biopaliva. Pro spotřebu domácnosti lze využívat dřevní štěpku získanou ze zbytků dřevin, která bude následně upravena pomocí zahradních drtičů. Využívání tohoto druhu biopaliv je šetrné k životnímu prostředí, nedochází totiž k emisím oxidu siřičitého. Významným nedostatkem je nízká výhřevnost, která je zhruba o polovinu nižší než u fosilních paliv. Navíc k dalšímu snižování výhřevnosti dochází při skladování biopaliv, které mají vyšší procento vlhkosti. Proto si myslím, že nejvhodnějším řešením je pořízení kombinovaného kotle, který spaluje jak obnovitelná tak i neobnovitelná paliva. I když se nejedná o zařízení využívající pouze tuhá biopaliva, přispěje se i tímto způsobem ke snížení spotřeby fosilních paliv.

5.1.2 Zhodnocení kapalných biopaliv Kapalná biopaliva pro pohon motorových vozidel začínají mít významné postavení mezi stávajícími ropnými palivy. Rostoucí význam biopaliv bude podpořen zvyšující se cenou ropy a snahou co nejméně poškozovat životní prostředí (tedy nižší produkce škodlivých emisí). Myslím si, že další rozvoj kapalných biopaliv výrazně podpoří a urychlí výrobci automobilů, kteří mají dostatek finančních prostředků na jejich výzkum. Proto se

39

v blízké době jistě setkáme s novými výrobními technologiemi v této problematice. Řada automobilových výrobců nabízí vozidla, která se vyznačují nízkou spotřebou paliva a sníženými emisemi oxidu uhličitého. Tímto způsobem lze jistě omezovat využívání fosilních zdrojů energie, nejedená se ovšem o jejich náhradu zdroji obnovitelnými. Přesto se automobily s nízkou spotřebou běžných pohonných hmot podílí na udržitelném rozvoji. Společnost Scania se vývojem obnovitelných pohonných paliv zabývá jíž 20 let. Její výsledky jsou patrné zejména na městských autobusech ve Stockolmu, které spalují bioetanol. Tento příklad dokazuje, že lze biopaliva efektivně využít také v městské dopravě, navíc se začínají objevovat na trhu také etanolové nákladní vozy společnosti Scania. Nevýhodou kapalných biopaliv je vysoká pořizovací cena, která může být alespoň částečně kompenzována poskytováním dotací na pěstovaní energetických plodin. V literatuře se můžeme často setkat s tvrzením, že bionafta negativně ovlivňuje pryžové součásti palivového systému v motoru. Podle provozních zkoušek, které byly provedeny se zkušebnami ŠKODA-LIAZ a ZETOR se však tato skutečnost nepotvrdila. Problém může nastat při nedůkladném vyčištění palivového systému, pokud se rozhodneme přestoupit na bionaftu. Při styku s větším množstvím vody, zanáší bionafta palivový filtr. Největší nevýhodou je jistě nižší výkonnost a tím pádem také vyšší spotřeba biopaliva oproti motorové naftě nebo benzínu. Ceny směsných paliv (nad 30 % MEŘO) jsou sice o něco nižší, ovšem při dnešních cenách ropy stále velmi vysoké, a proto asi nejsou kapalná biopaliva často užívanou pohonnou hmotou. Podle mého názoru není pro motoristy příliš atraktivní využívat pro pohon automobilu obnovitelné palivo, které se svou cenou blíží klasickým motorovým palivům a navíc má nižší výkonnost. Z tohoto důvodu zatím nejsou kapalná biopaliva využívána širokou veřejností. Je nutný další vývoj těchto alternativních paliv, který zajistí jejich užívání ve větším měřítku. Myslím si, že kapalná paliva představují budoucnost v dopravě i v ochraně klimatu, ovšem za podmínek, že budou vyvinuty nové a efektivnější technologie. V současné době stále nejsou kapalná biopaliva natolik rozvinutá, aby mohla plně nahradit klasické pohonné hmoty. Do doby, než se tohoto cíle dosáhne, se mi jeví jako nejvhodnější využívání vozidel s nízkou spotřebou běžného paliva, která svým provozem tolik nezatěžují životní prostředí.

40

5.1.3 Zhodnocení plynných biopaliv Počet bioplynových stanic se v České republice postupně zvyšuje, využívání bioplynu znamená důležitou náhradu za neobnovitelné zdroje energie. Bioplyn, vzniklý při anaerobní fermentaci biomasy, lze využít na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny. Také další produkt, který při tomto procesu vzniká, je možné následně použít. Jedná se o stabilizované hnojivo, které obsahuje živiny a humusotvorné složky. Toto hnojivo je zbaveno patogenních zárodků a je bez zápachu, neohrožuje tedy podzemní a povrchové vody. Bioplynové stanice také řeší, alespoň částečně, problematiku odpadového hospodářství. Je možné zde likvidovat těžko odbouratelné organické odpady i čistírenské kaly, jejichž odstranění může být náročné. Myslím si, že i díky tomu se bude postupně zvyšovat počet bioplynových stanic. Výhodou tedy je, že bioplynové stanice mohou využívat pro výrobu elektřiny a tepla také odpadní biomasu a není proto nutné zpracovávat pouze záměrně pěstovanou biomasu. Navíc lze zpracovávat také suroviny s vysokým obsahem vody. Bioplyn má nízkou výhřevnost oproti obnovitelným zdrojům energie, což je jeho hlavním nedostatkem. Výhřevnost bioplynu závisí na obsahu metanu, který se pohybuje okolo 60 %. Pokud by se však jednalo o bioplyn s téměř stoprocentním obsahem metanu, bylo by možné dosáhnout stejné výhřevnosti, jakou má zemní plyn. Toho se však v praxi nedosahuje. Další nevýhodou je vznik sirovodíku, ke kterému dochází při rozkladu bílkovin. Sirovodík je agresivní plyn způsobující korozi, proto je nutné bioplyn odsiřovat. Tímto rostou náklady na celý proces anaerobní fermentace. Výroba bioplynu představuje složitý proces, při kterém musí být splněna řada podmínek. K procesu rozkladu dochází působením metanových bakterií, které mají vysoké životní nároky. Je nutné dodržet předepsanou hodnotu pH, vlhké prostředí, rovnoměrný přísun substrátu a zejména stálou teplotu. Nedodržení těchto požadavků může vést k pozastavení výroby bioplynu. Hlavní nevýhodou bioplynových stanic je jejich vysoká pořizovací cena, která je spojena právě s náročností celého výrobního procesu. Z tohoto důvodu si myslím, že zatím není v České republice takové uplatnění bioplynových stanic, jako v jiných státech Evropské unie.

41

6 ZÁVĚR Biopaliva začínají mít v současné době stále větší význam jako obnovitelné zdroje energie. Jejich používání však zatím nemůže plně nahradit fosilní paliva, jejichž spotřeba na světě výrazně převažuje. Při neustálém zvýšeném využívání fosilních paliv, může dojít k jejich vyčerpání. Z tohoto důvodu mají v současnosti biopaliva a ostatní obnovitelné zdroje důležitou funkci doplňkového zdroje energie. Tato situace se může v následujících letech rychle změnit a biopaliva získají významné postavení na trhu. Je tedy nutný další vývoj, který by zajistil rovnocenné postavení biopaliv a neobnovitelných zdrojů energie. Největším nedostatkem biopaliv je jejich nižší výhřevnost a tím také zvýšená spotřeba ve srovnání s neobnovitelnými zdroji energie. Z tohoto důvodu zřejmě nejsou biopaliva více využívána. Proto jsou velmi důležité nové technologie, které pomohou tuto překážku odstranit nebo alespoň zmírnit. Přesto lze na příkladech uvedených v předchozích kapitolách vidět, že je možné úspěšně využívat biopaliva již dnes. Zejména obecní výtopna v Hostětíně na dřevní štěpku je vhodným příkladem. V okolí výtopny jsou velké zásoby biomasy (zbytky z lesní těžby), které lze využívat k vytápění. Není proto nutné dovážet a nakupovat upravená tuhá biopaliva a řešit vyšší spotřebu těchto paliv. Navíc se v obci vytvořila nová pracovní místa, snížily se emise oxidu uhličitého a odpadla nutnost likvidovat dřevní odpady. Biopaliva nám tedy svým využíváním přináší řadu výhod. Hlavní předností je menší negativní vliv na životní prostředí. Při používání biopaliv dochází k nižším emisím škodlivých plynů. Díky této skutečnosti budou mít biopaliva jistě významné postavení v budoucnosti. Celosvětovým cílem je snížení nežádoucího vlivu na životního prostředí a dosažení udržitelného rozvoje tak, aby i následující generace lidí mohli žít spokojeně a nemuseli omezovat své potřeby. Pro dosažení tohoto cíle bude nutné (mimo jiné) výrazně omezit spotřebu fosilních paliv a zvýšit využívání obnovitelných zdrojů energie jako je energie vody, větru, biomasy, sluneční energie. V České republice představuje nejvyšší dosažitelný potenciál právě energie biomasy, ostatní obnovitelné zdroje energie zde nemají tak dobré podmínky. Pokud se v naší republice zvýší poptávka po biopalivu, můžeme tímto způsobem alespoň z malé části přispět ke zlepšení životního prostředí a dosažení udržitelného rozvoje. 42

Využívání biopaliv může také významně podpořit jednotlivé regiony v republice. Na pěstování energetických plodin, které jsou potřebné při výrobě biopaliv, jsou poskytovány zemědělcům dotace z fondů Evropské unie. Díky tomu dochází k zajištění zaměstnanosti v krajích, podpoře domácí zemědělské produkce a snižuje se závislost České republiky na dovozu fosilních paliv. V neposlední řadě řeší zejména bioplynové stanice také problematiku odpadů, kterých se na našem území produkuje značné množství. Je zde totiž možné zpracovávat odpadní biomasu z domácností i průmyslu a čistírenské kaly. Místo obtížného odstraňování odpadů dochází v bioplynových stanicích k jejich dalšímu zpracování, které slouží k výrobě energie. Nevýhodou bioplynových stanic je ovšem na druhé straně vysoká pořizovací cena a dodržení složitého procesu anaerobní fermentace. Biopaliva mají stále některé nedostatky, které bude nutné v následujících letech odstranit. Přesto jsou už dnes s úspěchy využívána a jsou stále aktuálním tématem k diskuzím. Proto si myslím, že jejich používání bude mít v budoucnosti rostoucí význam.

43

7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY Literární zdroje FAJMAN M.: Obnovitelné zdroje energie v ČR. In: Zemědělské poradenství 2008, s. 47-59, Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2008, 94 s., ISBN 978-80-7375-259-0

FAJMAN M.: Bioetanol - východiska a směry vývoje. In: Zemědělské poradenství 2008, s. 59-69, Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2008, 94 s., ISBN 978-80-7375-259-0

HRDLIČKA F.: Možnosti využití biomasy pro zplynování v ČR. In: Biomasa zdroj obnovitelné

energie

v krajině

–

Sborník

referátů

z mezinárodní

konference

v Průhonicích, s.79-85, Průhonice: Výzkumný ústav Silva Taroucy pro krajinu a okrasné zahradnictví, 2000, 227 s., ISBN 80-85116-23-5

KÁRA J.: Motorová paliva z biomasy v České republice, Praha: Ústav zemědělských a potravinářských informací, 2001, 40 s., ISBN 80-7271-095-8

MALAŤÁK J., VACULÍK P.: Biomasa pro výrobu energie, Praha: Česká zemědělská univerzita v Praze, 2008, 206 s., ISBN 978-80-213-1810-6

MURTINGER K., BERANOVSKÝ J.: Energie z biomasy, Brno: ERA group spol.s.r.o., 2006, 94 s., ISBN 80-7366-071-7

PASTOREK Z., KÁRA J., JEVIČ P.: Biomasa obnovitelný zdroj energie, Praha: FCC PUBLIC s.r.o., 2004, 288 s., ISBN 80-86534-06-5

SCHULZ H.,

EDER

B.:

Bioplyn

v praxi,

Ostrava:

HEL,

2004,

168

s.,

ISBN 80-86167-21-6

SLADKÝ V.: Novinky ve zpracování a spalování biopaliv, Praha: Ústav zemědělských a potravinářských informací, 1988, 52 s., ISBN 80-7271-021-4

44

Společnost VERNER a.s.: Spalování biomasy. In: Biomasa zdroj obnovitelné energie v krajině – Sborník referátů z mezinárodní konference v Průhonicích, s.91-99, Průhonice: Výzkumný ústav Silva Taroucy pro krajinu a okrasné zahradnictví, 2000, 227 s., ISBN 80-85116-23-5

VÁŇA J., SLEJŠKA A.: Bioplyn z rostlinné biomasy, Praha: Ústav zemědělských a potravinářských informací, 1998, 41 s., ISBN 80-86153-92-4

Legislativa Zákon č. 86/2002 Sb., o ochraně ovzduší a o změně některých dalších zákonů (zákon o ochraně ovzduší)

Zákon č. 180/2005 Sb., o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie a o změně některých zákonů (zákon o podpoře využívání obnovitelných zdrojů)

Internetové zdroje Alternativní

paliva.

[online].

[cit.

2010-01-26].

Dostupné

z WWW:

.

Bionafta.

[online].

[cit.

2010-01-27].

Dostupné

z WWW:

.

HROMÁDKO J.: Využití etanolu ve vznětových motorech. Biom.cz [online]. [cit. 201101-25]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655

Integrovaný systém nakládání s bioodpady. [online]. [cit. 2010-01-31]. Dostupné z WWW:.

45

KIZLINK J.: Biopaliva pro motorová vozidla: produkce, cena, legislativa. Biom.cz [online].

[cit.

2010-11-01].

Dostupné

z

WWW:


clanky/biopaliva-pro-motorova-vozidla-produkce-cena-legislativa>. ISSN: 1801-2655

Kombi kolte na dřevo, pelety, ETO a zemní plyn. [online]. [cit. 2010-01-25]. Dostupné z WWW: .

KUNTEOVÁ L.: Bioetanol. Biom.cz [online]. [cit. 2010-11-01]. Dostupné z WWW:

MOTLÍK J., VÁŇA J.: Biomasa pro energii (1) Zdroje. Biom.cz [online]. [cit. 2010-1024]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655

MOTLÍK J., VÁŇA J.: Biomasa pro energii (2) Technologie. Biom.cz [online]. [cit. 2010-10-23]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655

Obecní výtopna v Hostětíně. [online]. [cit. 2010-01-24]. Dostupné z WWW: < http://hostetin.veronica.cz/231/obecni_vytopna>.

STUPAVSKÝ V.: Pelety z biomasy - dřevěné, rostlinné, kůrové pelety. Biom.cz [online].

[cit.

2010-10-28].

Dostupné

z

WWW:


clanky/pelety-z-biomasy-drevene-rostlinne-kurove-pelety>. ISSN: 1801-2655

STUPAVSKÝ V, HOLÝ T.: Brikety z biomasy - dřevěné, rostlinné, směsné brikety. Biom.cz [online]. [cit. 2010-10-28]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655

STUPAVSKÝ V, HOLÝ T.: Dřevní štěpka - zelená, hnědá, bílá. Biom.cz [online]. [cit. 2010-10-28]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655

46

STUPAVSKÝ V.: Kapalná biopaliva – cíle a perspektivy. Biom.cz [online]. [cit. 201010-29]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655

ŠEJVL R.: Elektřina s vůní dřeva (1): Znovuobjevený dřevní plyn. Biom.cz [online]. [cit. 2010-11-14]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655

ŠEJVL R.: Budoucnost dřevního plynu. Biom.cz [online]. [cit. 2010-11-14]. Dostupné z WWW: . ISSN: 18012655

VÁŇA J.: Využití biopaliv v České Republice. Biom.cz [online]. [cit. 2010-10-28]. Dostupné z WWW: < http://stary.biom.cz/clen/jv/treti_tis.html>. ISBN 80-02-01340-9

47

PŘÍLOHY

8 SEZNAM PŘÍLOH Příloha č. 1 Dřevěné pelety bez kůry Příloha č. 2 Pelety z řepkové slámy Příloha č. 3 Dřevěné brikety Příloha č. 4 Dřevní štěpka zpracovaná nožovým štěpkovačem Příloha č. 5 Kombinovaný kotel ATMOS DC 15EP(L) Příloha č. 6 Obecní výtopna v Hostětíně Příloha č. 7 Městský autobus Scania OmniCity 2006 Příloha č. 8 Bioplynová stanice Vysoké Mýto

Příloha č. 1 Dřevěné pelety bez kůry

Příloha č. 2 Pelety z řepkové slámy

Příloha č. 3 Dřevěné brikety

Příloha č. 4 Dřevní štěpka zpracovaná nožovým štěpkovačem

Příloha č. 5 Kombinovaný kotel ATMOS DC 15EP(L)

Příloha č. 6 Obecní výtopna v Hostětíně

Příloha č. 7 Městský autobus Scania OmniCity 2006

Příloha č. 8 Bioplynová stanice Vysoké Mýto