ENERGO↯cast: Spalování biomasy

ENERGO↯cast: Spalování biomasy

Současnou snahou celosvětové energetiky je co nejčistší výroba energie. Snižování emisí uhlíku, boj se změnou klimatu – to jsou témata, která určují, jakým směrem se ubírá současná energetika. Mluví se hlavně o využívání solárních a větrných elektráren, jsou tu ovšem další obnovitelné zdroje, které leží poněkud ve stínu již zmíněných, jedním z nich je biomasa, právě na tu se zaměříme v dalším dílu vzdělávacího seriálu o tzv. energetické gramotnosti – ENERGOcast.

Co je vlastně biomasa?

Biomasou v nejširším smyslu je hmota všech organismů na Zemi. Zahrnuje tedy jak jejich „tělesné" schránky tak i živé či neživé produkty jejich činnosti (obaly, exkrementy, semena, dřevo).

Základním producentem biomasy jsou rostliny, které jsou schopné využitím světelné (sluneční) energie zachycené v zeleném barvivu (chlorofylu) produkovat sacharidy a následně bílkoviny a tuky. Ty jsou základním „stavebním kamenem“ všech živých organismů – biomasy. Zdrojem energie pro tyto chemické reakce je sluneční záření. Proto také tvrzení, že biomasa je „konzervovaná“ sluneční energie není nijak přehnané.

Teoreticky všechny formy biomasy je možno využít pro produkci energie, neboť základním stavebním prvkem živé hmoty je uhlík a uhlíková vazba, která obsahuje energii.

V minulosti lidé získávali energii z biomasy především spalováním. Topilo se dřevem, rašelinou i sušeným trusem. Původně primitivní ohniště se zdokonalovala až po nynější moderní a vysoce efektivní topné soustavy. Do 18. století byla biomasa vůbec nejvyužívanějším zdrojem energie. S nástupem průmyslové revoluce a těžbou fosilních paliv se její význam ocitl v útlumu, ale v posledních 30 letech je její využívání opět na vzestupu. Stále slouží především jako zdroj tepla pro vaření, topení a ohřev vody, ale zvyšuje se i využití pro výrobu elektrické energie či pohonných hmot.

Z hlediska legislativy České republiky se biomasa dělí hlavně podle původu vzniku, a to do tří kategorií:

• Do kategorie 1 patří biomasa, která naroste na poli v rámci běžných osevních postupů, nebo cíleným pěstováním (např. kukuřice pro bioplynové stanice, vojtěška apod., rychle rostoucí dřeviny, energetické byliny – ozdobnice, šťovík aj.).
• Do kategorie 2 jsou zařazeny lesní porosty, tzv. dendromasa. V energetice se využívá především zbytková dřevní hmota ve formě zelené štěpky. Do této kategorie patří i zbytková fytomasa při produkci potravin, krmiv apod., kde je dominantním zástupcem obilná nebo řepková sláma.
• Poslední 3. kategorií je tzv. odpadní biomasa, tedy široká skupina bioodpadů a biologicky rozložitelných zbytků z průmyslových výrob, biologicky rozložitelná část komunálních odpadů, ale např. i masokostní moučka, pivovarnické mláto, kaly z čistíren odpadních vod a mnoho jiných.

Nejčastěji se setkáváme s produkty z biomasy v plynné formě (bioplyn), v pevné formě (lesní štěpka, pelety, sláma) a v kapalné formě (bionafta, biolíh, rostlinné oleje).

Energetické využití

Z hlediska energetiky biomasu využíváme převážně k výrobě elektřiny, tepla a motorových paliv. Nejširší je segment výroby tepla a elektřiny, kde se využívá tzv. pevná biomasa. Jako příklady můžeme uvést vytápění dřevními poleny, peletami nebo briketami z biomasy v rodinných domech, stejně jako výrobu elektřiny a tepla ve velkých průmyslových zdrojích, kde jako palivo slouží např. lesní štěpka nebo balíkovaná sláma. Zde je potřeba biomasa s určitou kvalitou, především s nízkým obsahem vody, který se však velmi liší v závislosti na používané technologii a velikosti zařízení.

Tzv. mokrá biomasa, pod kterou si představme např. travní senáž, čistírenské kaly, rostlinnou biomasu sklízenou na zeleno s vysokým obsahem vody apod., putuje do bioplynových stanic, kde se generuje bioplyn, který může být následně využíván v kogenerační jednotce a vyrábět elektřinu a teplo.

Zvláštním druhem využití může být čištění bioplynu na kvalitu zemního plynu a vtláčení do plynárenských sítí nebo využití bioplynu v dopravě pro pohon motorů. Další možností je výroba kapalných biopaliv, tedy zmiňovaná bionafta, biolíh nebo rostlinné oleje. Zde se využívají především olejniny, obilniny a cukrová řepa.

Zatím měně využívanou technologií je termochemický rozklad především rostlinné biomasy, (tj. pyrolýza, resp. zplyňování) a následné využití vznikajících produktů.

Další využití biomasy

Biomasu jako surovinu pro výrobu využívá ke zpracování celá řada průmyslových odvětví. Jsou to například:

• Papírenství – výroba papíru, obalové techniky, vláknitého kartonu
• Stavebnictví – výroba stavebnin a izolačních materiálů
• Dřevozpracující průmysl – výroba nábytku, konstrukcí, bytových doplňků
• Chemický průmysl – výroba produktů náhradou za využívání ropy (umělé hmoty..)
• Farmaceutický průmysl – výroba léčiv a kosmetických přípravků
• Loďařský průmysl – stavba lodí
• Ostatní – výroba dekorativních předmětů, tužek, košíků, smetáků, násad atd.

Výhody a nevýhody energetického využívání biomasy podrobně

Využívání biomasy je často líčeno jako obnovitelné a environmentálně příznivé. Jestli je to i ve skutečnosti, velmi silně závisí na konkrétních případech a realizaci. Nejproblematičtější z tohoto hlediska jsou právě velké projekty s transportem surovin na obrovské vzdálenosti.

Biomasa je často prezentována jako perspektivní zdroj z několika důvodů. Je to domácí zdroj, je obnovitelná, je to trvale udržitelný zdroj, šetrný k životnímu prostředí, je CO₂ neutrální.

Šetrnost k životnímu prostředí úzce souvisí s efektivitou využívání primárního zdroje. U energetické biomasy, je tím primárním zdrojem sluneční záření, zachycené zelenými rostlinami pomocí fotosyntézy. Účinnost fotosyntézy – tedy poměr zachycené energie a energie glukózy získané ze syntézy vody a oxidu uhličitého a uvolněného kyslíku, je 34,2 %. Ovšem chlorofyl zachycuje jen asi 43 % slunečního spektra a podstatná část ze zachycené energie je spotřebovaná na respiraci, která produkuje energii oxidací cukrů. Tato energie je spotřebovaná na všechny vnitřní procesy v rostlině – příjem živin z půdy, syntézu vyšších organických sloučenin, jejich transport v rostlině, a podobně. Celková teoretická účinnost fotosyntézy, po odečtení respiračních ztrát činí asi 4 % z oslunění. Intenzivně ošetřované plodiny s dostatkem vody a živin mohou dosáhnout průměrné 2% účinnosti a nejproduktivnější lesy mírného i tropického pásma dosahují v průměru asi 1,5 %.

Už tento údaj napovídá, že k získání dostatečného množství energie, bude zapotřebí velká plocha a efektivnost využívaní zdroje – slunečního světla, je mírně řečeno mizerná.

Z jednoho hektaru lze získat cca 10 tun (5 až 15) suché biomasy ročně, což představuje cca 100–200 GJ, tj. 28–56 MWh primární energie ročně. Budeme-li z biomasy vyrábět elektřinu, získáme z 1 ha cca 10 MWh. Pro srovnání: tolik (oprávněně) kritizovaná solární elektrárna na orné půdě, představuje produkci cca 500 MWh_e/ha.

Nejlepší využití získané energie biomasy představuje prosté spálení co nejblíže místa vzniku a využití nízkopotenciálového tepla. Stručně řečeno, pokud budete bydlet blízko lesa, je nejlepší, když dřevo použijete k vytápění. Jakýkoli další způsob přináší ztráty a/nebo nutnost vložit do procesu další energii, jejíž množství může být významné.

Jak již bylo popsáno, je produkce potřebné biomasy velmi náročná na plochu. Z jednoho hektaru lze získat 100–200 GJ, tj. 28–56 MWh ročně. Pro vytápění rodinného domu (50 GJ) je nutno sklidit biomasu z plochy minimálně 0,25 – 0,5 ha. Vyrobíme-li z biomasy biometan – tj. náhradu zemního plynu – získáme 67 GJ a pro vytápění RD budeme potřebovat 0,74 ha.

Pro posouzení ekologických dopadů energetického využití biomasy je důležitá jeho udržitelnost. Jde o schopnost biologických systémů udržovat diverzitu a produktivitu v daném režimu po dobu neurčitou. V širším kontextu je udržitelnost vytrvalostí systémů a procesů.

V souvislosti s energetickým využíváním biomasy se zpravidla mluví jen o uhlíku, resp. CO₂ a využívání biomasy je prezentováno jako CO₂ neutrální. Vysvětluje se to tak, že množství CO₂ vypuštěného při spalování biomasy je stejné jako množství CO₂, které rostliny v předchozím období přijaly z ovzduší. Tento stav je definován i v zákonných normách jako emisní faktor „0“. Přitom se vůbec nezohledňují emise CO₂ z fosilních paliv (zejména nafty), vypouštěné při pěstování i přepravě, ani energie pro výrobu hnojiv a pesticidů. Tato vložená energie může u některých typů biopaliv tvořit podstatný podíl z energie biopaliva. U produkce MEŘO (Metyl Esteru Řepkového Oleje neboli bionafty z řepky), je poměr získané a vložené energie 1,4. U některých dalších kapalných biopaliv, například etanolu z kukuřice, mohou být energetické vstupy dokonce vyšší než zisk z biopaliva.

Opakem udržitelnosti je pak situace, kdy – citujeme: „…společnost…vyčerpává a degraduje zdroje rychleji, než jsou regenerovány…“ Udržitelnost a obnovitelnost biomasy jako energetického zdroje může být značně omezená.

Velmi důležité je také, aby se při pěstování plodin pro energetické účely neohrožovalo udržení biodiverzity. Tento pojem dle Úmluvy o biologické rozmanitosti znamená rozmanitost živých organismů na Zemi, což zahrnuje rozmanitost druhů i diverzitu ekosystémů.

Při pěstování energetických plodin pro energetické využití je žádoucí, aby pro daný zdroj energie – tedy bioplynovou stanici, parní elektrárnu apod. – byl zajištěn odpovídající zdroj paliva. Proto je potřeba pěstovat odpovídající druh na přiměřené ploše. Pro elektrárnu založenou na bioplynové stanici o výkonu 1 MW, je nutno pěstovat palivo na ploše cca 700 ha. Jde zpravidla o čisté monokultury, kde je jakákoli příměs jiných druhů (plevelů) velmi nežádoucí. Pro zajištění dlouhodobých vysokých výnosů, je proto nutné hnojení umělými hnojivy a používání pesticidů. Plodiny se pak pěstují na stejné ploše i několik let po sobě, respektive se zařazují do osevního postupu častěji, než je žádoucí pro zachování dobrého stavu půdy.

V posledních letech se v některých evropských zemích prosazuje jako „ekologická“ náhrada produkce elektřiny z uhlí využití spalování biomasy. V tomto případě jde o velké zdroje s výkonem stovek megawattů a spalování velkého objemu hlavně dřevní hmoty. Formálně sice jde o nízkoemisní zdroj, ale reálné environmentální dopady jsou daleko problematičtější. Při spalování biomasy vznikají i různé škodliviny, např. (chlor, polychlorované látky, PAU, pevné částice apod). Jejich emise se u velkých zdrojů dají podobně jako u fosilních filtrovat. Zatímco v malých topeništích mohou vznikat spalováním biomasy – dřevní hmoty i látky nebezpečné. U emisí oxidu uhličitého se předpokládá, že při opětném růstu rostlin se ekvivalentní množství pohltí. Pokud však jde o les, který roste desetiletí, může to trvat značně dlouho. Problém to může být, jestliže potřebujeme dosáhnout rychlého snížení emisí. V krátkodobém horizontu jsou emise oxidu uhličitého v tomto případě podobné těm při jiných spalovacích procesech. Dalším environmentálním problémem je, že při tak masivní produkci elektřiny z biomasy se musí její zdroje, například pelety, dovážet i z velmi velké vzdálenosti, často i přes oceán. Značné emise se tak vyprodukují i během dopravy.

Vzdělávací seriál vznikl za podpory společnosti Severní energetická a.s.

Martina Černá
Ekologické centrum Most pro Krušnohoří
Výzkumný ústav pro hnědé uhlí a.s., Most

Foto: archiv ekocentra, pixabay.com