Biomasa - využítí, zpracování, výhody a nevýhody, energetické využití v ČR

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 výše zmíněných, jedním z nich je právě biomasa.

Jedná se o nejstarší využívaný zdroj energie, dřevo bylo do poloviny 18. století prakticky jediným využívaným palivem pro získávání tepelné energie. Až v 19. století jej z velké části nahradila fosilní paliva. Ke konci 20. století se snahou snížit vliv lidstva na změnu klimatu nabývá tento energetický zdroj znovu na významu a patří mezi významné zdroje i v technicky vyspělých zemích.

Co je biomasa?

Obecně je pod pojmem biomasa míněna veškerá organická hmota na naší planetě, účastnící se koloběhu živin v biosféře. Jsou to těla všech organismů – živočichů, rostlin, bakterií, hub a sinic.

Z hlediska energetického je důležitá pouze biomasa, která je energeticky využitelná. Teoreticky je možné získávat energii ze všech forem biomasy, jelikož základem veškeré živé hmoty je uhlík a jeho chemické vazby, obsahující energii.

Za energetickou biomasu jsou však většinou považovány rostliny. Ty jsou schopny využívat slunečního záření k fotosyntéze, při které je využito jednoduchých anorganických látek – oxidu uhličitého a vody k tvorbě energeticky bohatých sloučenin – cukrů. Jinak řečeno, v rostlinách je akumulována energie slunečního záření. Tato akumulace se vyznačuje poměrně nízkou účinností, na druhou stranu je dlouhodobá a disponuje v podstatě nulovými ztrátami.

Biomasu lze rozdělit do následujících kategorií:

Biomasa pěstovaná pro energetické účely

Jedná se především o rychle rostoucí dřeviny nebo rostliny bylinného charakteru. Jejich předností je snadný výsev, krátké vegetační období a možnost využití i na neenergetické účely.

• rychle rostoucí dřeviny – topol, vrba, olše, akát, líska, platan…
• rostliny bylinného charakteru – konopí, amaranthus, šťovík, ostřík, kostřava…
• travní porosty – sloní tráva, chrastice, trvalé travní porosty
• obiloviny
• olejnaté rostliny – pro výrobu surových olejů a metylesterů – řepka olejná, slunečnice, len
• škrobo-cukernaté rostliny – cukrová řepa, cukrová třtina, brambory

Odpadní biomasa

• z rostlinné výroby – zbytky ze zemědělské prvovýroby a údržby krajiny, odpady ze sadů a vinic, kukuřičná sláma, řepková sláma a veškeré další odpady a zbytky z likvidace křovin
• z živočišné výroby – exkrementy hospodářských zvířat, zbytky krmiv – hnůj, močůvka, kejda
• z těžby a zpracování dřeva a lesní odpady – větve, kůra, pařezy, kořeny, odřezky, piliny, hobliny
• biologicky rozložitelný komunální odpad (BRKO) – zbytky potravin, papírové obaly
• biologicky rozložitelný průmyslový odpad (BRPO) – odpady z jatek, výroby cukru mouky, papíru
• splašky z kanalizace

Rozdělení podle vlastností

• suchá – lze ji spalovat přímo
• vlhká – tekuté odpady – nelze spalovat přímo, výroba bioplynu
• speciální – olejniny, škrobové a cukernaté plodiny – k získávání energetických látek – bionafta, líh

Získávání energie z biomasy

Nejstarší metodou získávání energie z biomasy je spalování. Jedná se o termochemický proces, při kterém dochází k rozkladu organického materiálu na hořlavé plyny a další látky a následně za přítomnosti vzduchu k oxidaci (slučování hořlavých prvků obsažených v palivu s kyslíkem), při které se uvolňuje oxid uhličitý, voda a teplo, jehož množství závisí na výhřevnosti použitého paliva. Na rozdíl od fosilních paliv se spalování biomasy vyznačuje prakticky nulovou bilancí oxidu uhličitého. Množství uvolněného plynu do ovzduší je přibližně stejné jako množství, které rostliny během svého života absorbují při fotosyntéze.

Jedná se o poměrně složité palivo, jelikož podíl těkavé látky je velmi vysoký a vzniklé plyny se vyznačují různými spalovacími teplotami, často se stává, že hoří pouze část paliva. Podmínkou pro dokonalé spalování je vysoká teplota a účinné promísení se vzduchem.

Nejvyšší účinnosti dosahuje biomasa při využití pro produkci tepla – více než 90 %. Velmi často se biomasa využívá v kogenerační výrobě – kombinované výrobě elektřiny a tepla (účinnost 50-90 %). Při čisté výrobě elektřiny se účinnost pohybuje pod 50 %.

Biomasa je velmi často využívána jako zdroj tepelné energie v domácnostech, ať již jako dřevo, nebo ve formě pelet či briket ve speciálních kotlích.

Zpracování biomasy pro energetické účely

Mechanická úprava

Mechanickými procesy se biomasa upravuje do předfinální nebo finální podoby. Úpravy usnadňují především přepravu biomasy i její následné využití na získání energie. Je ovšem nutno podotknout, že přeprava biomasy na delší vzdálenosti není příliš ekonomicky efektivní. Mezi mechanické úpravy patří řezání pro zpracování dřeva na řezivo a palivo, drcení, které slouží především jako předstupeň výroby briket a pelet. Štěpkování a lisování briket resp. pelet, kdy jsou následně tyto produkty využívány především pro výrobu tepla a elektřiny. Poslední možností mechanické úpravy je lisování oleje, který je následně esterifikován na metylester.

Termické procesy

Karbonizace – jedná se o výrobu dřevěného uhlí, což je nejstarší metoda zušlechťování dřeva pro energetické účely. Dříve využívaný tepelný rozklad bez přístupu vzduchu se vyznačoval nehospodárností a byl ekologicky nevhodný. V dnešní době se využívá suché destilace v karbonizačních pecích a retortách. Při tomto procesu vzniká oxid uhelnatý a toxické (formaldehyd, acetaldehyde) a karcinogenní látky (kondenzované uhlovodíky, fenoly). K výrobě 1 tuny dřevěného uhlí je potřeba zhruba 10 tun dřeva.

Pyrolýza – neboli termický rozklad organických látek bez přístupu kyslíku. Materiál se ohřívá nad mez termické stability organických sloučenin, které jsou štěpeny na nízkomolekulární sloučeniny. Použitím katalytické pyrolýzy je možné využít komunálního odpadu, papíru, pneumatik a plastů (polystyren, polyetylen, PVC) k výrobě biooleje, který dosahuje výhřevnosti 16-19 kJ/kg. Zvláště z důvodu využití výše zmíněných odpadů se jedná o perspektivní metodu využití biomasy.

Zplyňování – využívá se slámy, palivového nebo odpadního dřeva k jejich přeměně na plynné produkty. Produktem je generátorový plyn, který se využívá jako palivo pro vozidla nebo k výrobě elektřiny a tepla.

Biochemické a chemické přeměny

Alkoholová kvašení – organickou fermentací v mokrém prostředí a následnou destilací rostlin obsahujících cukr a škrob se získává vysokoprocentní alkohol (etanol), který se následně využívá jako ekologické palivo pro spalovací motory. Z kilogramu cukru lze teoreticky získat 0,65 litru čistého etanolu.

Metanové kvašení – neboli anaerobní fermentace je proces zpracování odpadních vod a zvířecích exkrementů za nepřístupu vzduchu při teplotě 35-45 °C. Touto přeměnou se získává bioplyn – směs plynů obsahující 50-75 % metanu, 25-40 % oxidu uhličitého a další plyny.

Esterifikace surových olejů – vylisovaný olej z olejnatých rostlin se substitucí metylalkoholu za glycerin mění na metylester, který se vyznačuje podobnými vlastnostmi a výhřevností jako motorová nafta.

Výroba elektřiny a tepla z biomasy v ČR

Výroba elektřiny a tepla z biomasy v České republice má v posledních letech rostoucí trend. Jak je partrné z tabulek a grafů níže, dynamičtější růst je pozorován u výroby elektřiny z biomasy, a to především díky provozní podpoře výroben elektřiny z biomasy.

V roce 2015 bylo podle statistiky Ministerstva průmyslu a obchodu vyrobeno z biomasy 2 091 GWh elektřiny, což je asi 2,5 % celkové hrubé výroby elektřiny v ČR. Zhruba polovina tohoto množství elektřiny byla vyrobena spálením dřevního odpadu, štěpky, kůry apod. (1 062 GWh), 688 GWh elektřiny bylo vyrobeno spálením celulózových výluhů a 341 GWh spálením rostlinných materiálů.

Výroba tepla z biomasy je ve statistice MPO rozdělena na výrobu v domácnostech a mimo domácnosti. Podle statistiky MPO bylo v roce 2014 v domácnostech vyrobeno z biomasy zhruba 31,4 PJ tepla. Výroba tepla z biomasy mimo domácnosti dosáhla 20,4 PJ. Z toho vyplývá celkový podíl výroby tepla z biomasy na hrubé výrobě tepla v ČR na úrovni 9 %.