Využití energie biomasy
Využití biomasy je v ČR velmi rozšířeno zejména v domácnostech, ale také v průmyslu. Možností, jak získat z biomasy využitelnou energii, je celá řada. U nás je zcela jednoznačně nejrozšířenějším využitím biomasy její přímé spalování ve specializovaných topidlech. Převážně se jedná o spalování dřeva, dřevěných briket, dřevěných pelet a dřevěné štěpky. V poslední době se začínají využívat i další paliva jako například obilí, kukuřice, případně další plodiny. Vedle přímého spalování lze využívat přeměny biomasy na kapalná či plynná paliva – bioethanol, bionaftu a bioplyn. Vedle účelově pěstované energetické biomasy (energetické plodiny) se rovněž využívá tzv. odpadní biomasa ze zemědělského a lesního hospodářství, potravinářské a dřevozpracující výroby apod.
Spalování biomasy ve specializovaných topidlech
Přímé spalování biomasy je všeobecně známé, kamna či krb a palivové dřevo zná každý. Méně se však ví o odlišných nárocích na topeniště při spalování dřeva oproti například hnědému uhlí. Obě paliva mají odlišný charakter hoření a vyžadují odlišnou konstrukci topeniště.
Ten kdo spaluje palivové dřevo v klasických kamnech či kotli na hnědé uhlí, zbytečně plýtvá svojí energií (na přikládání) i palivem. Kamna (kotel) na hnědé uhlí spálí dřevo velmi dobře, ale nedokážou využít veškerou energii tohoto paliva. Nezanedbatelná část energie tak doslova vyletí komínem nevyužita. Proto se na spalování biomasy využívají odlišná topeniště oproti klasickým.
Spalování biomasy lze rozdělit na:
- Klasické spalování suché biomasy: biomasa je velmi složité palivo, protože podíl částí zplyňovaných při spalování je velmi vysoký. Vzniklé plyny mají různé spalovací teploty. Proto se také stává, že ve skutečnosti hoří jenom část paliva, zejména při pálení dřeva v kotlích na uhlí.
- Spalování při vývinu dřevoplynu: ze suché biomasy se působením vysokých teplot uvolňují hořlavé plynné složky, tzv. dřevoplyn. Jestliže je přítomen vzduch, dojde k hoření, tj. jde o prosté spalování. Pokud jde o zahřívání bez přístupu vzduchu, odvádí se vzniklý dřevoplyn do spalovacího prostoru, kde se spaluje obdobně jako jiná plynná paliva. Část vzniklého tepla je použita na zplyňování další biomasy. Výhodou je snadná regulace výkonu, nižší emise a vyšší účinnost.
Výhřevnost biomasy ukazuje tabulka níže. Výhřevnost je velmi závislá na vlhkosti. Proto je vhodné spalovat biomasu o co nejnižší vlhkosti, obvykle kolem 20 %. Štěpku je vhodné splovat při 30% vlhkosti.
| DRUH PALIVA | OBSAH VODY | VÝHŘEVNOST | MĚRNÉ HMOTNOSTI | ||
| [%] | [MJ/kg] | [kg/m3]= [kg/plm] | [kg/prm] | [kg/prms] | |
| listnaté dřevo | 15 | 14,605 | 678 | 475 | 278 |
| jehličnaté dřevo | 15 | 15,584 | 486 | 340 | 199 |
| borovice | 20 | 18,4 | 517 | 362 | 212 |
| vrba | 20 | 16,9 | |||
| olše | 20 | 16,7 | |||
| habr | 20 | 16,7 | |||
| akát | 20 | 16,3 | |||
| dub | 20 | 15,9 | 685 | 480 | 281 |
| jedle | 20 | 15,9 | |||
| jasan | 20 | 15,7 | |||
| buk | 20 | 15,5 | 670 | 469 | 275 |
| smrk | 20 | 15,3 | 455 | 319 | 187 |
| bříza | 20 | 15,0 | |||
| modřín | 20 | 15,0 | |||
| topol | 20 | 12,9 | |||
| dřevní štěpka | 30 | 12,18 | 210 | ||
| sláma obilovin | 10 | 15,49 | 120 | (balíky) | |
| sláma kukuřice | 10 | 14,40 | 100 | (balíky) | |
| lněné stonky | 10 | 16,90 | 140 | (balíky) | |
| sláma řepky | 10 | 16,00 | 100 | (balíky) | |
Výhřevnost biomasy. Zdroj: EkoWATT
Jaká zařízení na spalování biomasy jsou v současnosti na trhu?
Krby, kamna na dřevo
Pro přímé spalování bez zplyňování se využívají obvykle krby s vhodnou krbovou vložkou, nebo kamna na dřevo. Jako palivo se téměř výhradně využívá palivové dřevo. Čím kvalitnější dřevo spalujeme, tím méně často přikládáme a více se ohřejeme.
Krby se obvykle konstruují jako teplovzdušné topidlo – krbová vložka ohřívá vzduch, který stoupá do místnosti a funguje jako teplovzdušné vytápění. Celá řada krbových vložek a konstrukce krbového tělesa umožňuje pomocí speciálního teplovzdušného rozvodu (vzduchotechnické potrubí) rozvést teplo do více místností a vytápět tak téměř celý dům.
Litinová kamna na dřevo. Foto: EkoWATT
Krbové vložky se rozdělují na:
- jednoplášťové
- dvouplášťové
Jednoplášťové krbové vložky: Obvykle se jedná o litinovou vložku se žebry na vnějším povrchu pro odvod tepla. Vložka se musí obezdít tak, aby mezi vložkou a obezděním zůstala mezera, kudy proudí ohřívaný vzduch. Obezdění zde nahrazuje „druhý plášť vložky“. Toto obezdění akumuluje část tepla, kterou potom předává do prostoru sáláním a menší část ohřevem vzduchu. Zbytek tepla se předává vzduchem, který je nasáván obvykle pod vložkou, proudí kolem vložky, ohřívá se a vystupuje do místnosti. Zachování požadované mezery mezi obezděním a vložkou je zcela zásadní a musí se dodržet. Plocha otvoru pro nasávání vzduchu a stejně tak výstupní plocha výdechu musí mít minimálně 60 cm2/kW výkonu.
Výhody: akumulace tepla v obezděné části, velká sálavá složka, větší možnost individuální konstrukce, snadná možnost použití pasivního teplovzdušného rozvodu.
Nevýhody: je potřeba věnovat mnohem větší pozornost konstrukci celého tělesa krbu, který tvoří vnější část a použít správné materiály.
Dvouplášťové krbové vložky: Obvykle jde o ocelovou vložku s vnitřním a vnějším pláštěm, mezi nimi je mezera, kudy proudí ohřívaný vzduch. Proti propálení je vložka vyložena žáruvzdorným obkladem. Vnější plášť je relativně chladný a je možné ho přímo obložit například sádrokartonem. Krb této konstrukce především vytápí teplovzdušně, sálavá složka je výrazně menší. Pro uchlazení pláště se obvykle instalují ventilátory, které zajišťují potřebný průtok vzduchu kolem vložky. To zajišťuje její chlazení a optimalizuje množství ohřátého vzduchu.
Výhody: Nucený oběh vzduchu umožňuje krb využít mnohem lépe jako teplovzdušné topidlo, včetně rozvodů teplého vzduchu do vedlejších místností, snazší konstrukce tělesa krbu, rychlejší zátop.
Nevýhody: Menší akumulace tepla, je nutné topit rovnoměrněji; ventilátory se mohou porouchat, což může znamenat velký zásah do krbu při opravě; ventilátory mohou být slyšet; ocelová vložka má menší životnost; při poruše ventilátorů může dojít k poškození vložky přehřátím.
Na trhu jsou také výrobky mající výše popsané nevýhody buď částečně, nebo zcela vyřešeny, jsou ale obvykle výrazně dražší.
Těsnost vložky: Těsnost vložky je zcela zásadním parametrem – záleží na ní účinnost celého spalovacího procesu. V ideálním případě mají krbová dvířka takovou konstrukci, která umožní dokonalé uzavření a utěsnění. Kvalitní utěsnění je žádoucí na bočních stranách a dole. Horní strana dvířek se nechává úmyslně netěsná (pokud výrobce toto nevyřešil jinak).
Při hoření dřeva na roštu se uvolňují hořlavé plynné složky, které stoupají do horní části vložky, kde je přes horní hranu dvířek přisáván spalovací vzduch. Hořlavé plynné složky ve směsi se vzduchem chytí a dojde k dokonalému vyhoření paliva. V horní části krbu je pak vidět typické modré zabarvení plamene, což je právě důsledek hoření plynných složek.
V případě netěsnosti vložky (třeba netěsností dvířek) se do vložky dostává spalovací vzduch nekontrolovaně a plynné složky vyhoří jen částečně a zbytek je odtažen komínem. Z tohoto pohledu mohou být problematické posuvná dvířka.
Komíny
Kotle na dřevo, kamna na dřevo a zejména krby kladou velké požadavky na komín, zejména na jeho dobrý tah, který je naprosto nezbytnou podmínkou pro správnou funkci topidla a pohodu uživatele. Po rozhoření krbu se jeho výkon tlumí komínovou klapkou, nebo zvláštní konstrukcí klapky v horní části krbové vložky. Tím lze do značné míry ovlivnit kvalitu hoření a snížit komínové ztráty.
Přisávání spalovacího vzduchu je kritickým místem možného úniku tepla, což může být problematické zejména u nízkoenergetických staveb. Vhodnějším řešením je zajistit přívod spalovacího vzduchu z venku, což je poměrně náročné a celá řada krbových vložek to neumožňuje díky své konstrukci.
Krb s klasickými dvířky. Foto: EkoWATT
Krbová kamna, nebo-li kamna na dřevo
Na trhu je dostatek těchto výrobků. Lze je rozdělit na dvě skupiny:
Klasická kamna na dřevo
Jedná se o kamna, která vytápějí místnost, kde jsou instalovány. Některá jsou zkonstruována jako užitková tj. mají na horní ploše tál, kde lze vařit. Některé výrobky jsou naopak určeny pouze pro vytápění.
Kamna na dřevo s teplovodním výměníkem
Tato skupina topidel je vybavena teplovodním výměníkem, který lze připojit na etážovou otopnou soustavu a vytápět tak několik místností najednou popřípadě menší nízkoenergetický rodinný domek.
Teplovodní kotle na zplyňování dřeva
Teplovodní kotle na zplyňování dřeva využívají systém spalování za pomoci zplyňování. Jsou velmi dobře regulovatelné (podobně jako plynové kotle prostorovým termostatem) a mohou bez problémů nahradit stávající kotle na tuhá paliva. U těchto zařízení platí dvojnásob, že jejich chod je nejefektivnější v oblasti maximálního výkonu. „Dušení“ kotle v oblasti malého výkonu přináší zhoršení účinnosti a jeho zanášení.
Při instalaci kotle je nutno dodržet další podmínku a to je teplota vratné vody. Ta by neměla klesnout pod 50 - 55 °C. Při nižších teplotách mohou na výměníku kondenzovat agresivní látky, které způsobují jeho korozi. Za kotel se z tohoto důvodu instaluje směšovací armatura, která udržuje požadovanou teplotu zpětného potrubí přimícháváním nahřáté topné vody ze stoupacího potrubí.
Oba tyto negativní jevy lze velmi elegantně vyřešit instalací akumulační nádrže s příslušnou regulací. Kotel pak nevytápí přímo otopnou soustavu, ale akumulační nádrž, z níž si ústřední topení odebírá přes směšovač právě tolik topné vody, kolik je potřeba – podle pokynů regulace. Kotel pracuje v delších časových intervalech a má proběh na plný výkon tj. při nejvyšší účinnosti. Zvýší se tak efektivita chodu kotle, sníží se spotřeba paliva a není třeba tak často přikládat. Při vyhasnutí kotle je také možné dále vytápět dům z akumulační nádrže.
Výhody: Levné palivo; snadná možnost náhrady jiného teplovodního kotle (třeba na hnědé uhlí); vysoká účinnost spalování; čistý provoz; přijatelné pořizovací náklady; výborná regulovatelnost; není nutné tak často přikládat, minimální produkce popela, který lze použít jako hnojivo.
Nevýhody: Je nutné mít sklad palivového dříví a kvalitní komín; kotel má o něco větší rozměry než klasický kotel na hnědé uhlí; kotle mají obvykle zbytečně velký výkon; u novostaveb je téměř nutné použít akumulační nádrž.
Zplyňovací kotel českého výrobce ATMOS. Foto: EkoWATT
Automatické kotle na dřevěné peletky či štěpku
Automatické kotle na dřevěné pelety či štěpku představují vrchol automatizace vytápění biomasou. Na trhu je dostatek kotlů na dřevěné pletky různých výkonů pro rodinné domy. Kotle jsou vybaveny vlastním zásobníkem – výrobci obvykle nabízejí několik velikostí zásobníků. Transport paliva ze zásobníku je zcela automatický podle pokynů řídící jednotky. Zásobník se snadno naplní palivem, které je dodáváno v pytlích, případně ve větším balení. V sousedním Rakousku je velmi rozšířené dodávat palivo přímo ze speciální cisterny nákladního automobilu. Palivo se pomocí transportní hadice nafouká „přímo do velkého zásobníku s palivem v domě. Z něj je transportováno dopravníkem do kotle.
Automatický kotel na pelety se zásobníkem. Foto: EkoWATT
Kotle na štěpku vhodné pro rodinné domky (malého výkonu) se na našem trhu zatím nevyskytují. Například v Rakousku nebo v Německu jsou již běžně k dostání. Na našem trhu je možné sehnat kotle většího výkonu od cca 50 kW, včetně zásobníku paliva a dalšího příslušenství.
Špičkový automatický kotel na dřevěnou štěpku se zásobníkem. Foto: EkoWATT
Výhody: Plně automatický chod; snadná možnost náhrady jiného teplovodního kotle (třeba na hnědé uhlí); vysoká účinnost spalování; čistý provoz; plná regulovatelnost; minimální produkce popela, který lze použít jako hnojivo
Nevýhody: Vyšší pořizovací náklady; dražší palivo; je nutné mít sklad paliva a kvalitní komín; kotel má o výrazně větší rozměry než klasický kotel na hnědé uhlí.
Kotle na obilí
Mají stejné výhody a nevýhody jako kotle na peletky, pouze využívají jiné palivo, které má také jinou cenu.
Kamna na peletky či obilí
Na trhu jsou k dispozici také teplovzdušná, případně i teplovodní, kamna na peletky či obilí. Ty lze připojit na etážovou otopnou soustavu a vytápět tak několik místností najednou popřípadě i menší nízkoenergetický rodinný domek.
Všechna topidla vybavená teplovodní vložkou s možností napojení na teplovodní etážové vytápění mají jednu „relativní“ nevýhodu. Vždy když se v nich zatopí, je nutné pustit teplo i do celé teplovodní otopné soustavy, aby nedošlo k poškození teplovodní vložky – tedy i v létě.
Kamna na pelety s automatickým přikládáním a teplovodním výměníkem. Foto: EkoWATT
Přepracování biomasy na jiné palivo
Zařízení pro zpracování biomasy jsou vždy dodávané jako technologický celek „na míru“. Z tohoto důvodu jsou zde uvedeny pouze pro doplnění. Komponenty nebudou zadávány do systému EIS.
Zpracování biomasy na bioplyn nebo na bioethanol (bio-chemická přeměna)
Bioetanol – fermentací roztoků cukrů je možné vyprodukovat etanol (etylalkohol). Vhodnou biomasou je cukrová řepa, obilí, kukuřice, ovoce nebo brambory. Cukry mohou být vyrobeny i ze zeleniny nebo celulózy. Teoreticky lze z 1 kg cukru získat 0,65 l čistého etanolu. V praxi je však výtěžnost nižší – kolem 90 až 95 %. Fermentace cukrů může probíhat pouze v mokrém (na vodu bohatém) prostředí. Vzniklý alkohol je nakonec oddělen destilací a je vysoce hodnotným kapalným palivem pro spalovací motory. Jeho přednostmi jsou ekologická čistota a antidetonační vlastnosti. Nedostatkem etanolu jako paliva je schopnost vázat vodu a působit korozi motoru, což lze odstranit přidáním antikorozních přípravků. Bioethanol lze přimíchávat do automobilového benzínu – v příštích letech bude v zemích Evropské unie přimícháváno povinně určité procento bioethanolu.
Bioplyn – při rozkladu organických látek (např. hnůj, zelené rostliny, kal z čističek) v uzavřených nádržích bez přístupu kyslíku vzniká bioplyn. Tento proces, kdy se organická hmota štěpí na anorganické látky a plyn, vzniká díky bakteriím pracujícím bez přístupu kyslíku (anaerobně). Rozkládání víceméně odpovídá procesům probíhajícím v přírodě s tím rozdílem, že v přírodě probíhají i za přítomnosti kyslíku (aerobní procesy). Proto jsou meziprodukty těchto procesů odlišné a také chemické složení konečných produktů se liší. Zbytky z vyhnívacího procesu jsou vysoce hodnotným hnojivem nebo kompostem.
Bioplyn osahuje cca 55 - 70 % objemových procent metanu, výhřevnost se proto pohybuje od 19,6 do 25,1 MJ/m3. V zemědělství se v největší míře využívá kejda (tekuté a pevné výkaly hospodářských zvířat promísené s vodou), případně slamnatý hnůj, v menší míře také sláma, zbytky travin, stonky kukuřice, bramborová nať (obtížnější zpracování). Bioplynový potenciál hnoje závisí na obsahu sušiny a na složení a strávení potravy – hnůj od různých zvířat má tady různé vlastnosti.
V bioplynové stanici se biomasa zahřívá na provozní teplotu ve vzduchotěsném reaktoru, kde zůstává pevně stanovenou dobu zdržení (většinou experimentálně ověřenou). Optimální teplotní pásma jsou vázána na různé kmeny bakterií:
| BAKTERIE | TEPLOTA FERMENTOVANÉHO MATERIÁLU [°C] |
| bakterie psychrofilní | 15-20 |
| bakterie mezofilní | 37-43 |
| bakterie termofilní | 55 |
Optimální teplotní pásma anaerobních bakterií. Zdroj: EkoWATT
Schéma bioplynové stanice, kontinuální systém. © EkoWATT
Legenda: 1 - odvod bioplynu, 2 - přepad kalu, 3 - zásobník odplyněné kejdy, 4 - nová sběrná nádrž, 5 - kalové čerpadlo, 6 - plynojem, 7 - vodní uzávěr, 8 - připojení ke stávajícímu dálkovému vytápění, 9 - teplo z kogenerační jednotky, 10 - kogenerační jednotka, 11 - dmychadlo, 12 - elektřina z kogenerační jednotky
Zpracování biomasy na bionaftu (mechanicko-chemická přeměna)
Bionafta – vyrábí se lisováním oleje z řepkového semene, který se působením katalyzátoru a vysoké teploty mění na metylester řepkového oleje (MEŘO), jenž je použitelný jako bionafta. Nazývá se "bionafta první generace". Protože výroba metylesteru je zatím dražší než běžná motorová nafta, mísí se s některými lehkými ropnými produkty, nebo s lineárními alfa-olefiny, aby jeho cena mohla konkurovat běžné motorové naftě. Tyto produkty se nazývají "bionafty druhé generace". Musí obsahovat alespoň 30 % metylesteru řepkového oleje, zachovávají si svou biologickou odbouratelnost a svými vlastnostmi, jako je např. výhřevnost, se více přibližují běžné motorové naftě. Jejich výroba se řídí ČSN 656507, která pojednává o výrobě biopaliv. Motory musí být pro spalování bionafty přizpůsobeny (např. pryžové prvky).
Zpracoval: EkoWATT