Jaký je potenciál využití biomasy v Česku a ve světě

Jedním z nejdůležitějších zdrojů, které ve svých energetických koncepcích pro Českou republiku předpokládají organizace Duha a Greenpeace, je využití biomasy. Je tak důležité se detailněji podívat na reálné možnosti tohoto zdroje.

Autoři: Jan Kašinský a Vladimír Wagner 

Biomasa je jedním z nejdéle využívaných zdrojů energie. V následujícím textu tak budeme označovat organickou hmotu vzniklou během procesu fotosyntézy v zelených rostlinách, kterou lze využít pro získávání energie. V malém množství se to týká i živočišných surovin, ovšem i zde je základem fotosyntéza.

Na biomasu se lze v tomto ohledu dívat na konzervovanou energii slunečního záření. Její výhodou je možnost relativně snadného uložení a možnost využít ji později. Z toho vyplývá i nezávislost na aktuálním počasí, denní a roční době. Využít ji lze pro výrobu elektřiny, produkci tepla, v oblasti transportu i v řadě průmyslových procesů. Možné je decentrální lokální používání malých zdrojů postavených na místních surovinách, ale realizují se i velké zdroje, do kterých se dováží surovina i z velmi velkých vzdáleností.

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. I proto bude následující rozbor zaměřen hodně na environmentální aspekty. Článek je pokračováním cyklu o české i světové energetice a možných zdrojích energie, ve kterém už byly detailně popsány zdroje větrné, jaderné, fotovoltaické, vodní, geotermální a také možnosti akumulace, cest k nízkoemisní energetice a rizika i možné scénáře. Různé aspekty energetiky byly na serveru Osel rozebrány i v cyklu Zemský ráj to napohled s články zde, zde, zde, zde a zde.

Nejdříve se podívejme na jednotlivé druhy využitelné biomasy. Ty mohou být odpadní z různých druhů zemědělské i průmyslové produkce nebo záměrně pěstované právě za účelem získávání energie.

 

Biomasa odpadní

Velmi efektivní a ekologicky přínosné může být energetické využití odpadní biomasy. Zde existuje několik možností.

Rostlinné odpady ze zemědělské prvovýroby a údržby krajiny, což je kukuřičná nebo obilná sláma, seno, zbytky po likvidaci křovin a náletových dřevin, odpady ze sadů a vinic, odpady z údržby zeleně a travnatých ploch.

Lesní odpady (dendromasa) – po těžbě dříví zůstává v lese určitá část stromové hmoty nevyužita (pařezy, kořeny, kůra, vršky stromů, větve, šišky a dendromasa z prvních probírek a prořezávek).

Organické odpady z průmyslových výrob – spalitelné odpady z dřevařských provozoven (odřezky, piliny, hobliny, kůra), odpady z provozů na zpracování a skladování rostlinné produkce (cukrovary), odpady z jatek, mlékáren, lihovarů a konzerváren.

Odpady z živočišné výroby, kterými jsou hnůj, kejda, zbytky krmiv, odpady z přidružených zpracovatelských kapacit.

Komunální organické odpady – kaly, organický tuhý komunální odpad.

Je třeba zdůraznit, že odpadní biomasa se často využívá i ke zlepšování kvality zemědělské půdy nebo ke zkrmování. Je pak důležité, aby její energetické využívání nesnížilo možnosti tohoto použití, které bývá z ekologického hlediska velmi důležité. 

Biomasa záměrně pěstovaná 

Další možností je záměrné pěstování biomasy pro energetické účely. Zde může jít o produkci pevné biomasy pro spalování při výrobě tepla i elektřiny, produkci biopaliv i bioplynu. Ke způsobu využití se však dostaneme později, teď si vyjmenujme možné druhy pěstované energetické biomasy.

Lignocelulózové, tedy dřeviny (vrby, topoly, olše), obiloviny (celé rostliny), travní porosty (trvalé travní porosty, psineček, ozdobnice) a ostatní (konopí seté, křídlatka, šťovík).

Olejnaté, což jsou u nás řepka, slunečnice, len a sója, ve světě pak třeba známá palma olejná nebo podzemnice olejná.

Škrobnato-cukernaté, mezi které patří brambory, cukrovka, obilniny (zrno), cukrová třtina, kukuřice.

 

Přímé spalování

Přehled možného využití začněme u přímého spalování. To a následné využívání nízkopotenciálového tepla pro vytápění a přípravu teplé užitkové vody, je nejefektivnější způsob využití energie biomasy vůbec. Zejména, pokud je zdroj paliva v nevelké vzdálenosti maximálně desítky km. Tím zdrojem může být nedaleký les nebo dřevozpracující podnik, produkující odřezky, piliny apod.

Dřevo lze spalovat jako kusové s minimální úpravou – tj. nařezání, resp. štípání na velikost vhodnou pro konkrétní kotel. Další možností je zušlechtění peletováním.

Peletování je postup, při kterém se organická hmota (dřevo, dřevěné piliny, sláma, seno, a jejich směsi) rozmělní a poté se pomocí výkonného lisu protlačuje přes matrici. Stlačením se hmota zahřeje na teplotu až přes 100°C. Lignin obsažený ve většině těchto materiálů při vysokých teplotách funguje jako plastické (kapalné) pojivo a umožní vytvoření pevných pelet. Výsledkem je trvanlivé výhřevné palivo, umožňující komfortní vytápění pomocí automatických kotlů. Výhodou je i možnost topit hmotou, kterou ve většině kotlů použít nejde. Jako například seno, sláma, pazdeří, nebo jen omezeně – dřevní štěpka.

Výroba elektrické energie z biomasy

Dvěma nejběžnějšími způsoby přeměny energie biomasy na elektřinu jsou spalování suché hmoty v tepelné elektrárně a přeměna biomasy na bioplyn, který se následně spálí v motorovém agregátu.

Biomasa je ovšem ve srovnání s uhlím složitější palivo. Uhlí lze před spálením rozemlít na prášek o velikosti zrn pod 1 mm (typicky pod 100 µm) a po smísení se vzduchem se spaluje s vysokou účinnosti (kolem 90 %). Celý proces spalování (zahřátí – vysušení – vznícení – hoření) proběhne typicky během 1 sekundy. Biomasu je obtížné přeměnit na podobně malé části, proto se většinou spaluje ve fluidním kotli, kde je palivo spolu s popelem ve stavu vznosu v proudu vzduchu a spalin. Biomasa má menší měrnou hmotnost než uhlí, stejně velká částice paliva proto obsahuje menší množství energie. Větší částice se zároveň hůře vysušují a pomaleji hoří. Navíc obsahuje biomasa velké množství těkavých hořlavých složek, které mají různou teplotu zplynování i jiné optimální podmínky hoření. Biomasa se proto často spaluje společně s málo kvalitním fosilním palivem – lignitem. Pokud je kotel provozován na čistou biomasu, je jeho výkon nižší – typicky o desítky procent. U elektrárny Hodonín je výkon při spalování čisté biomasy 75 % nominálního výkonu.

Druhý způsob je v podstatě anaerobní fermentace za přesně řízených podmínek, kdy je působením mikroorganismů organická hmota přeměňovaná na bioplyn. Bioplyn je směs metanu (CH₄), oxidu uhličitého (CO₂) a některých dalších plynů – N₂, H₂S, H₂, NH₃, O₂, H₂O.

Metan tvoří zpravidla 50 – 55 %, CO₂ 40 – 45 % a ostatní plyny zbytek. Přesné složení závisí na vstupní surovině a přesných podmínkách fermentace. Plyn se nejčastěji spaluje v kogenerační jednotce, což je zpravidla zážehový spalovací motor, pohánějící elektrický generátor, s využitím zbytkového tepla. Elektrická svorková účinnost se pohybuje zpravidla v rozsahu 33 – 45 % a tepelná účinnost 35 – 56 %. Pokud se používají jako vstupní surovina odpady živočišného původu, obsahuje bioplyn poměrně vysokou koncentraci sulfanu (H₂S). Před spálením se proto musí bioplyn odsířit. Tímto se jednak zamezí možnému poškození motorové jednotky a sníží také emise SO₂ do ovzduší.

Samotná fermentace probíhá ve fermentoru, což je vzduchotěsně uzavřená nádrž o objemu cca 5000 – 8000 m³ u bioplynové stanice s výkonem 1 MW_e. Obsah fermentoru má typický obsah sušiny kolem 15 %. Při vyšším obsahu sušiny by se hmota nedala míchat a čerpat. Pevná biomasa musí být před začátkem fermentace dostatečně rozvlákněna smícháním s tekutinou, například prasečí kejdou. Proces probíhá za stálého míchání nejčastěji v tzv. mezofilním režimu při teplotě 37 – 40 °C (32 – 42 °C), s nepřetržitým dávkováním substrátu. Celý proces je velmi citlivý na změny podmínek, a proto se musí suroviny před vstupem homogenizovat a předehřívat na požadovanou teplotu. K ohřívání vstupních surovin se využívá část vyprodukovaného tepla (cca 20 %) a k pohonu dopravníků, míchadel a čerpadel se využívá část vyprodukované elektrické energie (10 – 20 % – vyšší hodnota platí pro bioplynové stanice využívající jako surovinu odpady z potravinářského průmyslu, kde jsou energeticky náročné procesy drcení, mletí, hygienizace a homogenizace). Plyn se produkuje kontinuálně, proto je nutné jej taky kontinuálně spotřebovávat. S tím souvisí obtížná regulace výkonu. Bioplynové stanice jsou zpravidla schopny akumulovat maximálně několikahodinovou produkci plynu. Pokud je kogenerační jednotka odstavena delší dobu, musí být přebytečný plyn spálen pomocí fléry, což je jednoduchý hořák spalující plyn. Teplo je pak bez užitku vypuštěno do atmosféry.

Představu o citlivosti procesu metanogeneze si lze udělat ze startovacího procesu nového fermentoru, kdy se musí jeho obsah (typický objem cca 5000 – 8000 m³ u bioplynové stanice s výkonem 1 MW_e) ohřívat rychlostí maximálně 1 °C za den, aby se společenstvo metanogenních organismů stačilo přizpůsobit. Schopnost bioplynové stanice regulovat svůj výkon je v tomto ohledu horší než u jaderné elektrárny (podrobněji zde).

Vyšším stupněm zušlechťování bioplynu je úprava na biometan. Bioplyn se zbaví vodní páry, CO₂, H₂S a výsledný biometan má pak prakticky totožné vlastnosti jako zemní plyn a dá se používat pro pohon motorových vozidel, pro přímé spalování a jakékoli jiné využití, při kterém se používá zemní plyn. Lze ho rovněž vtlačovat přímo do distribuční soustavy zemního plynu. Pokud je vyroben z biologického odpadu, jde o efektivní náhradu zemního plynu.

 

Kapalná biopaliva

Další možností, která se široce využívá, jsou kapalná biopaliva. Například ta, která se přidávají v současné době do benzínu a nafty. Podívejme se na jednotlivé možnosti.

Bioethanol (biolíh) vzniká kvasnou fermentaci jednoduchých cukrů z cukrové třtiny, cukrovky, obilnin a brambor. Vstupní surovinou pro bioetanol (biolíh) jsou převážně plodiny využívané zároveň jako potraviny a krmiva. Výhodou je obecně velmi dobře zvládnutá technologie pěstování i sklizně, včetně rozšířené techniky pro všechny pěstební činnosti. Závažným problémem je však přímá konkurence potravinám a krmivům, což v důsledku může snižovat dostupnost některých potravin a zvyšovat jejich cenu.

Transesterifikované oleje a tuky (bionafta) – jde o esterifikované mastné kyseliny získávané jako rostlinný olej lisováním nebo extrakcí ze semen některých rostlin – řepka, slunečnice, palma olejná, sója, podzemnice olejná apod. Transesterifikované oleje a tuky (bionafta) se vyrábějí esterifikací oleje (u nás zpravidla řepkového). Při esterifikaci se olej smísí s etanolem a alkalickými katalyzátory (hydroxid sodný). Výsledkem je palivo velmi podobné naftě a čistý glycerín, využitelný například v kosmetice. Palivo se označuje jako FAME (Fat Acid Methylesther, tj. metylestery mastných kyselin) nebo MEŘO tj. MetylEstery Řepkového Oleje. Rostlinné oleje lze využít jako přímou náhradu za motorovou naftu pomocí minimálních úprav na pohonné jednotce. Ve srovnání s naftou mají rostlinné oleje zpravidla vyšší viskozitu a s tím související lepší mazací schopnosti, ale zároveň horší rozprášení po vstříknutí do spalovacího prostoru. Mají vyšší měrnou hmotnost, ale nižší výhřevnost a s tím související vyšší spotřebu, pro zachování stejného výkonu motoru. Rostlinné oleje výrazně zkracují životnost motorového oleje a vyžadují tedy jeho častější výměnu.

Butanol, bioetanol a motorová biopaliva získaná tzv. F-T (Fischer-Tropschovou) syntézou, tvoří jen malý podíl, a nebudeme se jimi v dalším textu zabývat.

Generace biopaliv

Biopaliva, zde jakákoli biomasa využívaná pro energetické účely včetně látek z biomasy vzniklých – tj.: paliva tuhá (dřevo, štěpka, sláma,…), kapalná (bionafta, biolíh,…) i plynná (bioplyn, biometan, vodík), lze rozdělit na biopaliva první generace a druhé případně další generace.

Jako biopaliva první generace se označují ta, která mají původ v rostlinách pěstovaných zároveň jako potraviny a krmiva. Vážnou výhradou vůči nim je jejich konkurence s potravinami. Jde jednak o to, že se ve své podstatě spalujeme jídlo pro lidi i pro zvířata a zároveň se omezuje plocha vhodná pro pěstování potravin. To vede jak ke zvyšování cen, tak k tlaku na často kritizovanou intenzifikaci v zemědělství. Jednoduše je nutno vyprodukovat co nejvíce hmoty z co nejmenší plochy. Za cenu masové aplikace hnojiv i pesticidů.

Biopaliva druhé generace využívají jako vstupní surovinu nepotravinářskou biomasu, jako je lesní biomasa, nejedlé části zemědělských plodin (sláma, seno, kukuřice a řepka bez zrn), cíleně pěstované energetické plodiny (křídlatka, čirok, ozdobnice, šťovík apod.) či biologický odpad z domácnosti.

Technologický proces přeměny je mnohem náročnější než u plodin první generace. Jde například o hydrolýzu celulózy a hemicelulózy na jednoduché fermentovatelné cukry a následná fermentace – kvašení. Výsledkem může být etanol nebo bioplyn.

Pelety v elektrárně Drax (zdroj: Drax). 

Budoucnost energetického využívání biomasy

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. Podívejme se, zda jednotlivé zmíněné body opravdu platí.

Domácím zdrojem je jednoznačně v České republice. Není známo, že by probíhal nebo byl plánován větší dovoz energetické biomasy na naše území. Naopak je exportováno více než 200 000 tun pelet ze dřeva a nezjistitelné množství dřevní štěpky. Jinou situaci dostáváme pro státy, které se rozhodly v masivním měřítku nahrazovat výrobu elektřiny z uhlí spalováním biomasy. Dánsko nebo Velká Británie, které část velkých uhelných elektráren přestavěly na spalování dřevní hmoty, ji v masivním měřítku dovážejí z pobaltských států, Ruska i Ameriky. Posouzení tohoto hlediska je zdaleka nejjednodušší, rozbor dalších environmentálních aspektů je mnohem složitější.

Šetrnost k životnímu prostředí

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. Navíc jsou sofistikované procesy velmi drahé.

Podívejme se na některé způsoby získávání energie z biomasy podrobněji. Jak už bylo uvedeno výše, je nejefektivnější využívání palivového dřeva z blízkého lesa, kdy je dodatková energie malá. Kácení a přibližování dřeva z lesa a transport k místu spotřeby představuje maximálně jednotky % ze získané energie. Moderní kotle na dřevo jsou schopny reálně využít kolem 85 % energie. Celkové ztráty, plus vložená energie, nepřekročí 20 %. Poměr získané a vložené energie je 5:1.

Jedním z nejběžnějších způsobů zušlechťování biomasy je peletování dřeva. Peletovací linka vysušené dřevo rozemele a následně slisuje do pelet. Kotel na pelety má výrobcem deklarovanou účinnost kolem 90 %.

Hmota pro výrobu pelet však musí mít vlhkost kolem 15 %, téměř vždy je tedy nutné umělé dosoušení. Samotná linka na výrobu pelet (drcení,lisování,…) má spotřebu až 150 kWh elektřiny na tunu pelet. Budeme-li získávat elektřinu z elektrárny na biomasu, potřebujeme navíc cca 170 – 190 kg biomasy (štěpky…)/tunu pelet. (1 tuna suché biomasy/1 MWh_e). Na dopravu pelet k zákazníkovi můžeme počítat optimistickou spotřebu nafty na úrovni cca 15 ml/tkm (mililitrů na tunokilometr) – tj. kamion s nosností 20 tun pelet a spotřebou 30 l/100km. Přeprava 1 tuny pelet na vzdálenost 100 km vyžaduje 1,5 l nafty. Automatické kotle na pelety mohou mít vlastní spotřebu elektrické energie až kolem 1 kWh denně (řídící elektronika, odtahový ventilátor, oběhová čerpadla). Dodatečná energie na využití pelet se pohybuje na úrovni 20 – 40 % plus 10 % na vlastní ztráty kotle. Poměr získané a vložené energie je 3:1 až 2:1.

Pohled na jihočeskou krajinu s JE Temelín a poli kvetoucí řepky (zdroj: www.mapy.cz –  https://mapy.cz/s/3oECX).

V roce 2015 bylo z České republiky vyvezeno přes 200 000 tun pelet do zahraničí. Z toho přes 100 000 tun do Itálie, tedy na vzdálenost cca 1000 km. Na přepravu 1 tuny pelet bylo tedy spotřebováno cca 15 litrů nafty. Výhřevnost motorové nafty je cca 42,6 MJ/l = 11,8 kWh/l. Na dopravu 1 tuny pelet na vzdálenost 1000 km, se spotřebuje cca 640 MJ neboli 177 kWh. Jde o téměř 4 % energie pelet (17 GJ/tunu).

Pokud vstupní surovinu pro výrobu pelet tvoří odpad z dřevozpracovatelského průmyslu (piliny, odřezky apod.) lze i značné dodatečné energetické vstupy považovat za smysluplnou investici, protože výsledkem je dobře skladovatelné palivo umožňující komfortní využití.

Bude-li vstupní surovinou cíleně pěstovaná biomasa, mohou být dodatečné energetické vstupy mnohem vyšší. Agrotechnické práce na pěstování vyžadují 5 – 10 litrů nafty na tunu biomasy. Dřevní štěpka z rychle rostoucích dřevin má při sklizni relativní vlhkost kolem 50 %. I při takto vysoké vlhkosti lze štěpku spalovat, ovšem za cenu nižší výhřevnosti (8 MJ/tunu) a s omezenou možností skladování. Vlhká štěpka je výborným substrátem pro organismy rozkládající dřevo – bakterie, houby, hmyz, apod. Je-li štěpka uložena pod širým nebem, má po ročním skladování spíše charakter kompostu.

Pro peletování je nutné umělé sušení na vlhkost kolem 15 % s odpovídající spotřebou energie. Plodiny, které vyžadují relativně nejmenší potřebu dosoušení, jsou obilniny sklizené v plné zralosti v létě, kdy za dobrých podmínek mohou mít vlhkost pod 20 %. Mnohé další druhy jsou však sklízeny v pozdním podzimu, v zimě nebo dokonce v předjaří (ozdobnice). V této době zpravidla klimatické podmínky neumožňují dostatečné přirozené vysušení a umělé dosoušení je nutné.

Nejvýnosnější plodinou je v našich podmínkách ozdobnice rodu Miscanthus. Konkrétně hybrid Giganteus, což je kříženec Miscanthus sachariflorus a Miscanthus sinensis. Dosahuje vysokých výnosů cca 15 t/ha, a má i vysokou výhřevnost. Jejím problémem a o to více i problémem dalších energetických plodin jsou vysoké náklady na pěstování a extrémní nároky na plochu (podrobněji zde). Cena cíleně pěstované biomasy se pohybuje kolem 120 Kč/GJ (90 – 150 Kč/GJ) tj. cca 0,4 Kč/kWh (0,3-0,5Kč/kWh). Při spalování biomasy v tepelné elektrárně s účinnosti 30 %, jsou palivové náklady cca 1,4 Kč/kWh_e (0,8 – 1,8 Kč/kWh_e). Poměr získané a vložené energie je cca 2:1.

U bioplynové stanice se získaný bioplyn spaluje nejčastěji v motorové kogenerační jednotce. Z celkových vstupů (energie surovin a energie na pěstování) je po odečtení vlastní technologické spotřeby dodáno do sítě 23 % elektřiny a k dispozici je rovněž cca 30 % tepla. Ovšem jen 12 % bioplynových stanic využívá více než polovinu tepla a 64 % má využití pod 25 %. Třicet procent nevyužívá odpadní teplo vůbec. Pro 1 MWh elektrické energie je zapotřebí sklidit suroviny (siláž) z plochy cca 0,1 ha (podrobněji zde).

Bioplyn – tedy směs metanu, oxidu uhličitého a dalších minoritních plynů, lze zušlechtit vyčištěním na (téměř) čistý metan, který je poté využitelný stejně jako zemní plyn. Z energie uložené v surovině sklizené z 1 ha (kukuřici na siláž), tj. 190 GJ (53 MWh), získáme 66,8 GJ (19MWh) v biometanu.

Kukuřice pěstovaná na velkých plochách má nepatrnou schopnost chránit půdu. Na obrázku vidíte kukuřičné pole po průtrži, trvající asi 20 minut. Rostliny mají obnažené kořeny. Původní hloubka setí kukuřice je kolem 5 cm. Na tomto místě zmizelo během několika minut více než 5 cm půdy. Odhadovaná rychlost tvorby půdy je cca 1 cm za 100 let.

Eroze kukuřičného pole. Autor snímku Jan Kašinský 

Zábor krajiny a jeho cena

Jak bylo popsáno v předchozí části, 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. Spotřeba elektřiny v ČR (2016) je 5,7 MWh/obyvatele. Pro výrobu elektřiny z biomasy je potřeba cca 0,6 ha/obyvatele, což znamená zhruba 64 000 km² pro celou Českou republiku.

Pro elektrárny o celkovém výkonu 1000 MW_e produkující 7 000 GWh_e ročně, je potřeba sklidit biomasu z plochy cca 700 000 ha. Dobrou představu o tom, jakou plochu to představuje, si můžeme udělat v době, kdy kvete řepka, pěstovaná na ploše 400 000 ha. V době kvetení řepky můžete mít pocit, že kvete všude.

 

Graf 1: Energetický zisk různých zdrojů z plochy 1 ha v MWh_e

Je otázka, jak ocenit plochu krajiny zabrané pro pěstování energetické biomasy. Průměrná cena půdy (zemědělské) se pohybuje kolem 230 000,- Kč/ha. Cena půdy pro zajištění biomasy (jen pěstování), pro elektrárny s celkovým výkonem 1000 MWe, je tedy cca 161 miliard korun.

Jen pro konkrétní srovnání: areál JE Temelín se rozkládá na ploše 160 ha, jsou tam 2 bloky po 1050 MW a je tam místo pro další dva. 160 ha lze ocenit na 38 000 000,-Kč. Plocha krajiny pro těžbu uranu, jeho úpravu a výrobu paliva, vlastní elektrárnu a úložiště vyhořelého paliva se pohybuje kolem 200 ha/1000 MW výkonu. Cena zabrané půdy je tedy cca 46 000 000,-.

Investiční náklady elektráren na biomasu se pohybují kolem 100 – 120 miliónů Kč/MW_e. Palivové náklady kolem 800,- Kč/MWh (netto). Z toho je cca 0,48 MWh_e a 0,52 MWht.  Nemá-li elektrárna zajištěn odběr tepla, jsou palivové náklady 1600 – 1700,-Kč/ MWh_e. Tedy vyšší než tržní, nedotovaná cena elektřiny. Celkové provozní náklady parní elektrárny na biomasu představují cca 2 100,- Kč/ na MWh_e, a pokud je využíváno teplo, klesnou na 890 Kč/MWh. 

Graf 2: Plocha pro získání 3500 MWh_e v ha

Udržitelnost

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.

Obrázek 1 Koloběh látek v přírodě. Obdobně stručné popisy koloběhu látek v přírodě najdete v učebnicích přírodopisu už na základních školách. (zdroj: http://r.fld.czu.cz/vyzkum/nauka_o_lp/ekologie/ekosystemy.html )

Biomasa totiž není jen uhlík. Pěstované rostliny odebírají hlavně z půdy celou další plejádu prvků a o ty se využívaná zemědělská půda ochuzuje. Podívejme se na prvkové složení biomasy. Sušina (dřeva) obsahuje uhlíku (C) 45 – 50 %, kyslíku (O) – 43%, vodíku (H) 6%, dusíku (N) 0,6%, síry (S) 0,2%. Zbývajícími složkami jsou fosfor (P), draslík (K), sodík (Na), hořčík (Mg), vápník (Ca), železo (Fe) a mikroprvky s obsahy zpravidla max. jednotek ppm.

V přírodním nebo přírodě blízkém ekosystému jsou tyto prvky po odumření rostlin (nebo jejich spasení býložravci) mineralizovány a znovu využity další generací rostlin. Část z nich se uvolní do ovzduší (C a N) a část se vymyje dešťovými srážkami do povrchových i spodních vod. V klimaxovém biotopu (tedy takovém, jehož složení a stav odpovídá místním a klimatickým podmínkám – u nás většinou v nížinách listnatý les, ve vyšších polohách les smíšený a v horských oblastech jehličnatý les s převahou smrku), jsou vyplavované látky nahrazovány zvětráváním matečné horniny, uhlík je poután zpět během fotosyntézy a dusík pak fixují z atmosféry jednak půdní bakterie a jednak bakterie žijící v symbióze s některými rostlinami.

Pokud většinu narostlé hmoty sklidíme a odvezeme, je tento koloběh významně narušen. V půdě ubývají dostupné živiny, mění se jejich vzájemné poměry, často klesá pH a to vše se projevuje poklesem úrodnosti půdy a snižování výnosů.

Vzrostlý les v mýtním věku představuje cca 400 – 500 m³ dřeva – kmenů, tj. asi 150 – 250 tun sušiny v závislosti na druhu stromů – smrk 400 kg/m³, buk 600 kg/m³.  Větve, vršky a další opad z těžby představuje další 300 – 400 m³ hmoty. Zbytek jsou pařezy a kořenový systém. Při těžbě je z jednoho ha lesa odvezeno 150 – 250 tun sušiny v kmenech, a pokud se zpracovává i štěpka, dalších 100 – 150 tun.

Při cíleném pěstování energetických plodin, ať už se jedná o rychle rostoucí dřeviny nebo vytrvalé byliny (ozdobnice čínská, krmný šťovík, psineček velký), dochází postupně k výrazným ztrátám živin v půdě, které lze nahradit pouze intenzivním hnojením.

V jedné tuně biomasy (sušiny) je přibližně mimo jiné 6 kg N, 2 kg S, 2 kg P, 10kg K, 5kg Ca, 2 kg Mg, atd. (podrobněji zde).

Skutečný obsah jednotlivých prvků se může výrazně lišit v závislosti na druhu rostliny, části rostliny, půdních podmínkách, zásobě živin v půdě i roční době. Chceme-li si učinit představu o celkovém množství odnesených živin, stačí si obsahy živin vynásobit množstvím sklizené hmoty. V lese to je kolem 200 tun za obmýtí (100 let), pokud odvezeme i větve a vršky – tedy klest, pak celkem cca 300 tun, což je ekvivalentní výnosu 3 tuny ročně. U cíleně pěstovaných druhů na zemědělské půdě, pak lze počítat s poměrně optimistickou střední hodnotou 10 tun sušiny z ha ročně.

Les jako celek je významným rezervoárem uhlíku. V klimaxovém lese, ve kterém se netěží, je bilance uhlíku vyrovnaná. To znamená, že množství uhlíku zachyceného fotosyntézou je v průměru stejné, jako množství uhlíku uvolněného při respiraci samotnými rostlinami i organismy, které se rostlinami živí – konzumenti na všech úrovní. Po dobu 10 – 20 let po těžbě je les producentem CO₂. Rozkládají se zbytky na povrchu půdy, pařezy, ale i organická hmota v půdě narušené mechanizací. Je-li vytěžené dřevo použito jako stavební, pro výrobu nábytku nebo jiných trvalých předmětů, zůstane v nich uhlík vázaný několik desetiletí, nebo i staletí. Je-li dřevo využito pro energetické účely, promění se vázaný uhlík v CO₂ (více zde).

Zemědělcům je v mnoha případech vyčítána špatná péče o půdu. Projevující se mimo jiné snížením obsahu humusu. Huminové kyseliny spolu s jílovitými částicemi vytvářejí tzv. humusojílový (půdní) sorpční komplex. Jde o komplex jílů a organických (huminových) kyselin, významně ovlivňujících fyzikální vlastnosti půdy. Jednak strukturu a jednak schopnost poutat vodu i živiny. Jediný způsob, jak obsah humusu v půdě udržet nebo dokonce zvýšit, je důsledně vracet co největší množství organické hmoty zpět do půdy. Ovšem v souvislosti s debatami o energetickém využívání biomasy vidíme, že je nutno co nejvíce hmoty přeměnit na prach a popel. Částečně lze alespoň některé minerální živiny vrátit do půdy ve formě popela, resp. digestátu z bioplynové stanice. Jde ovšem pouze o minerální živiny v anorganické podobě. Zdůrazňujeme-li potřebu hnojit pole statkovými hnojivy – chlévským hnojem, kejdou, močůvkou, apod., je potřeba si uvědomit, že právě tyto substráty jsou krmivem pro metanogenní bakterie v bioplynové stanici.

Velká část zejména suché biomasy se využívá poměrně daleko od místa vzniku a živiny se zpět nevrací. Viz výše zmíněný vývoz více než 200 000 tun pelet do zahraničí.

Biodiverzita

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.

Existuje samozřejmě hypotetická možnost přesvědčit zemědělce, (i pod hrozbou postihů), aby nezařazovali stejné plodiny vícekrát po sobě a nechávali mezi stejnou plodinou na pozemku dostatečný odstup. Ovšem to znamená, že budou pěstební plochy v průměru mnohem dále, zvýší se svozová vzdálenost a stoupnou energetické vstupy i finanční náklady.

Monokultury mají velmi nepříznivý dopad na biodiverzitu i krajinu jako celek, jak je popsáno u tohoto pojmu na wikipedii:

„Některé umělé monokultury (smrkové a borové lesy, polní kultury), zejména jsou-li pěstované na rozsáhlých plochách, vykazují nízkou rezistenci proti rozvratu působenému rušivými vlivy (přemnožování škůdců a rozvoj chorob, klimatické extrémy…)

Člověk při svém hospodaření vytváří umělé monokultury, neboť jeho cílem je zpravidla pěstování jedné plodiny, jednoho druhu. Mezi negativní vlivy monokulturního hospodaření patří snižování biodiverzity, vyšší náchylnost k působení škůdců či chorob, nebezpečí eroze, vyčerpání živin z půdního horizontu a nižší schopnost zadržovat srážkovou vodu (vyšší riziko povodní). Negativní vlivy rostou s vyšším podílem takových monokultur v dané krajině. Naopak mozaika menších, i když monokulturních polí s četnými okraji a přechodovými zónami snižuje nebo zcela eliminuje negativní ekologické vlivy umělých monokultur.“

Všimněme si myšlenky využít k získávání energie tzv. lesní dendromasu. Je to situace, kdy je z lesa kromě kmenů odvezen i veškerý klest – tj. větve včetně jehličí, vršky a poškozené kmeny. Důsledné odstranění veškeré narostlé hmoty má za následek ztráty zejména bazických prvků a tím okyselování půdy. Citujme část z detailního popisu v časopise Vesmír: „Odstranění dřevní hmoty … způsobí další ztrátu živin z ekosystému. Kdyby se dřevo nechalo na místě, rozkládalo by se a do půdy by se pomalu uvolňovaly chybějící bazické živiny. Samozřejmě to ještě neznamená, že by rozkládající se odumřelý les poskytl dostatek živin pro nový les, ale tím méně lze očekávat, že mladý les bude zdravější, odepřeme-li mu přístup k těm živinám, které z chudé půdy získal jeho předchůdce.“

Na mrtvém dřevu je závislých 30 – 50 % všech lesních organizmů, lesní půda pak kromě ztráty živin ztratí i schopnost poutat vodu a celkové fyzikální a chemické vlastnosti půdy se výrazně zhorší. Zmizí nejen mikroskopické jednobuněčné organismy, bakterie, prvoci, saprofytické houby, ale i háďátka a hmyz na ně vázaný. A nakonec taky velká část hmyzožravých organismů, pavouků, ptáků apod. (podrobněji zde a zde).

Dalším problémem je odpad. Při spalování suché biomasy to je popel. Při výrobě bioplynu pak digestát. Jak popel, tak digestát, lze použít jako hnojivo a vrátit tak část živin do půdy (bez N a C). Ovšem popel se téměř nikdy nevrací tam, odkud pochází spálená hmota. Navíc je potřeba dát pozor na to, odkud palivo pochází. Zvláště pokud se energetické, rychle rostoucí dřeviny pěstují na půdách zatížených průmyslovou činnosti nebo přirozeně vyšším obsahem těžkých kovů a dalších toxických prvků (Cd, Pb, As), může jejich obsah až násobně překračovat limity, které umožní například popelem ze štěpky hnojit. Přitom právě takové půdy jsou mnohdy prezentovány jako perspektivní pro pěstování energetických plodin (podrobněji zde).

Podobná situace je i u digestátu, tedy tekutého odpadu z výroby bioplynu. Obsahuje cca 6 % sušiny, zbytek je voda. Složením sušiny je digestát řazen mezi minerální hnojiva s vysokým obsahem dusíku, fosforu a draslíku. Obsah nerozložené organické hmoty sice ještě představuje kolem 70 % sušiny, ale jde o převážně těžko rozložitelnou část (nerozložil ve fermentoru a těžko se bude rozkládat v půdě). S ohledem na to, že se jedná v podstatě o minerální hnojivo, je nutné do půdy dodat organickou hmotu v podobě kompostu nebo slámy. Komplikace nastávají, pokud je nutné vyvážet digestát na stejné pole v kratších intervalech (1 rok nebo méně). Při pokusech byly zjištěny změny fyzikálních vlastností půdy (zhoršení) už po třech letech, kdy byl aplikován digestát 1 x ročně a výrazné zhoršení při aplikaci 2 x ročně (podrobněji zde).

 

Tok energie v normálním ekosystému

První obrázek popisuje toky energie v ekosystému, jehož základem jsou zelené rostliny – producenti. Z celkové dopadající energie slunečního záření, zůstane na růst, tedy tvorbu biomasy jen cca 1 %. Zbytek je využit na respiraci. Tedy na všechny vnitřní procesy v rostlině – příjem živin z půdy, syntézu vyšších organických sloučenin, jejich transport v rostlině, a podobně. Na tomto jediném procentu je závislý celý ekosystém.

Následující obrázek ukazuje situaci, kdy odebereme většinu organické hmoty pro energetické využití. Většina organismů na všech úrovních prostě zmizí, protože nebude mít energii – rozuměj potravu.

Tok energie v ekosystému ochuzeném odebíráním biomasy pro energetické využití.

Samotný fakt, že životnost vytrvalých plantáží energetických plodin zpravidla nepřesahuje 20 – 25 let, svědčí o velmi omezené schopnosti udržet zdroj delší dobu. Po této době dochází k výrazným změnám ve fyzikálních a chemických vlastnostech půdy, souvisejících s tím, že rostliny, (zde striktní monokultura), odebírají z půdy prvky ve specifických poměrech. Náprava je možná pomocí radikální změny porostu a intenzívním hnojením. Navíc se většinou počítá energetický zisk za dobu existence plantáže tj. od okamžiku založení po likvidaci. Ovšem plantáž lze založit na bezplevelném pozemku. Buď je tedy využita orná půda, kde jsou plevely potlačovány už v předchozím období – pak jde o konkurenci potravinářství. Nebo je založena na dosud „nevyužívané“ půdě, která (většinou) není měsíční krajinou, ale něco na ni roste. Tuto „drzou přírodu“ je nutno zlikvidovat – rozuměj: pozemek je potřeba odplevelit. Buď chemicky – na to stačí posledních několik měsíců předchozího roku, nebo mechanicky pomocí půdních fréz a kultivátorů – pak je potřeba jeden až dva roky.

Na obrázku vidíte vzorově připravené pole pro pěstování rychle rostoucích dřevin – bez plevelů, či čehokoli zeleného. (Zdroj: http://www.smacr.cz/data/soubory-ke-stazeni/RRD.pdf)

Po skončení životnosti plantáže lze půdu ponechat svému osudu na dalších několik desetiletí – pak je popřena trvalá udržitelnost, nebo se půda vyhnojí minerálními hnojivy a oseje nějakou rekultivační plodinou. Představu o tom jak to na plantáži rychle rostoucích dřevin vypadá, si lze udělat zde a zde.

Údržba plantáže rychle rostoucích dřevin v prvním roce – odplevelování (Zdroj: http://www.vypestujsiles.cz/udrzba-plantaze/ )

Náhrada uhlí spalováním biomasy

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. Jak už bylo zmíněno, produkují se při spalování biomasy i různé škodliviny. Jejich emise se u velkých zdrojů dají podobně jako u fosilních filtrovat. 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.

 

 

Velké uhelné elektrárny se na spalování biomasy přebudovaly v Dánsku, Velké Británii i Nizozemí. O přebudování jednoho z posledních velkých uhelných bloků na spalování biomasy se uvažuje i ve Francii. Zdroje dřevní hmoty jsou většinou ze severní Evropy, Pobaltských států, Ruska a Ameriky. Jako příklad si můžeme uvést velkou britskou elektrárnu Drax. Celkový její výkon je 4000 MWe. Nebude v provozu pořád na plný výkon, přesto však bude potřebovat okolo 7,5 milionů tun biomasy v podobě pelet.

Pro představu a srovnání: průměrná roční těžba dříví v ČR je cca 16 mil. m³. Čerstvé dříví při vlhkosti 50 – 60% má průměrnou měrnou hmotnost 0,9. Ročně se tedy vytěží cca 14,4 miliónů tun čerstvého dřeva. Pelety mají vlhkost pod 10 %. Z veškerého dřeva vytěženého v ČR by se vyrobilo cca 7,9 miliónů tun pelet, při vlhkosti 10 %.

Velká Británie už má lesů málo, takže se v elektrárně postavily velké zásobníky a miliony tun pelet se dováží ze zahraničí. Stejnou cestou jde u svých elektráren Herning, Avedøre a Asnæs dánská firma DongEnergy. V poslední době uvažuje o konverzi uhelné elektrárny Cordemais s výkonem 1,2 GW i francouzská EDF.

Na papíře se sice jedná o bezemisní zdroje, ale v reálu dovoz dřevní hmoty přes oceán a její spalování pro výrobu elektřiny ekologické není. Pokud by se k takovému řešení uchýlilo i Německo, mohlo by to vést ještě k horším environmentálním problémům, než rozhodnutí o povinném přidávání biopaliv do nafty a benzínu. Riziko takového přístupu hrozí i u nás, protože tak masivní zastoupení biomasy při výrobě elektřiny, jaké plánují některé energetické koncepce zelených organizací, jinak naplnit nepůjdou. Podrobně jsou rizika přechodu ve výrobě elektřiny od uhlí ke spalování biomasy většinou ve formě palet popsány v článku v časopise Vesmír, případně stručněji na serveru oenergetice.

Spalování biomasy v elektrárně Drax (zdroj Drax).

Příklad soběstačné obce – Kněžice

Podívejme se nyní na menší projekt, který není z hlediska environmentálního určitě tak problematický a je často uváděn jako velmi pozitivní příklad soběstačného řešení menšího sídelního celku. Obec Kněžice v okrese Nymburk má 500 obyvatel. Je označována za jedinou energetickou soběstačnou obec v České republice. V obci je bioplynová stanice využívající jako vstupní suroviny organické odpady – zvířecí trus, hnůj, znečištěná sláma, odpady z potravinářského průmyslu, kaly ze septiků a čistíren odpadních vod. Nevyužívá se žádná cíleně pěstovaná biomasa. Bioplynová stanice produkuje více elektrické energie, než ji spotřebuje samotná obec, a teplo z kogenerační stanice je využíváno v centrálním zdroji tepla a teplé užitkové vody. V zimním období doplňuje teplo kotelna na biomasu. V obci není kanalizace a obsahy septiků zpracovává bioplynová stanice a není zaveden plyn – centrální zásobování teplem je zajištěno u 149 budov v obci (95 % spotřeby tepla).

Jsou však zde dvě nejasnosti: první je „energetická soběstačnost“. Jako „energetický soběstačný“ subjekt (budovu, obec, stát), lze považovat ten, který energetické potřeby hradí ze zdrojů na svém území. Kněžice však dovážejí více než 90 % vstupních surovin – tj. paliva pro bioplynovou stanici, ze vzdálenosti větší než 20 km. Největší vzdálenost minoritních dodavatelů přesahuje 60 km. V zásadě lze bioplynovou stanici Kněžice považovat za stanici pro likvidaci organických odpadů ze širokého okolí, ve které je využíváno odpadní teplo (podrobněji zde).

Druhou nejasností je označení zvířecích výkalů, moče, hnoje a slámy (představující přes 50 % vstupní suroviny) za – cituji: „odpad“ – konec citátu. Je to velmi zvláštní v době, kdy je zemědělcům vyčítána špatná péče o půdu, projevující se zejména neustále se snižujícím obsahem organického uhlíku v půdě, který nelze doplnit jinak než vrácením organické hmoty (mj. i hnoje a slámy) do půdy. Ceny těchto surovin se pohybují kolem 200 Kč/tunu. (60 – 350,-Kč dle druhu)

Typickým znakem bioplynové stanice je poměrně velká vlastní spotřeba energie – jak tepelné tak elektrické. Bioplynová stanice Kněžice spotřebuje cca 40 % tepla na vytápění vlastních budov a zejména na vyhřívání fermentoru na teplotu 40°C. Pro pohon technologie – čerpadel, míchadel, apod., se spotřebuje 17 % elektrické energie.  Obec je poměrně „kompaktní“, tj. domy jsou poměrně blízko sebe a celková délka teplovodu může být menší než u jiných venkovských sídel. Přesto jde o cca 6 km a celkové ztráty energie jsou značné. Ztráty tepla v teplovodu dosahují 38 % a naprostá většina tepla z bioplynové stanice je použita právě na úhradu ztrát. Bioplynová stanice je schopna zajistit ohřev teplé užitkové vody, ale pro vytápění v zimním období dodává teplo kotelna na biomasu se dvěma kotli 400 kW a 800 kW.

Produkce bioplynu je kontinuální a bioplynová stanice je ve své podstatě prakticky neregulovatelná a pracuje v režimu základního zatížení. Kogenerační jednotka je dimenzovaná tak, aby byla schopna vyprodukovaný plyn (zde cca 150 m³ za hodinu) spotřebovat. Na vyrovnání výkyvů je určen plynojem, který je však schopen pojmout produkci cca 3 – 4 hodin. Je-li kogenerační jednotka odstavena, musí se vyprodukovaný plyn spálit. V Kněžicích se tak děje v plynovém kotli a teplo je využito v soustavě centrálního zásobování teplem. V jiných bioplynových stanicích je pro stejný účel využito fléry. Fléra je jednoduchý hořák, spalující přebytečný bioplyn a teplo uniká volně do ovzduší.

Využití bioplynové stanice a kotelny na biomasu v Kněžicích.

Z energie bioplynu 6900 MWh, je v kogenerační jednotce využito 78 %. Konkrétně 38 % (2600 MWh) pro elektrickou energii a 42 % (2900MWh) pro teplo. Vlastní spotřeba a ztráty na transformátoru představuje necelých 20 % vyrobené elektřiny (1400 MWh) a 40 % tepla (1200 MWh) připadá na vlastní spotřebu. Do veřejné sítě je tedy dodáno 2200 MWh elektřiny a 1600 MWh tepla, což odpovídá 57 % vstupní energie bioplynu. Většina tepla (1200 MWh) je však využita ke krytí ztrát v rozvodech. Pro využití zbývá 400 MWh. Do celkové bilance je potřeba zahrnout i kotelnu na biomasu, která zajišťuje dodávky tepla v zimním období. Kotle pracují s účinností 85 % a z celkové vstupní energie biomasy 1900 MWh tedy dodají do sítě 1600 MWh. Celková vstupní energie bioplynu a biomasy pro kotle představuje 8900 MWh. Skutečně využito je 2200 MWh elektřiny a 2100 MWh tepla – celkem 4300 MWh – tj. 49 %. Ostatní jsou ztráty a vlastní spotřeba. Další energetické náklady představuje energie na dopravu cca 2000 tun surovin ze vzdálenosti více než 20 km – cca 1500 – 2000 litrů nafty a vývoz digestátu na pole.

Životnost technologie bioplynové stanice je zhruba 20 let a celkové investiční náklady byly v případě Kněžic 138 mil. korun. Kněžice intenzivně využily dotace do investic i do ceny vyrobené elektřiny. Taková míra dotací by byla asi těžko realizovatelná v masivnějším měřítku. Občané platí za teplo cenu cca 300 Kč/GJ a elektřinu odebírají ze sítě za běžné tržní ceny v závislosti na konkrétním obchodníkovi. Jak už bylo zmíněno, využívají Kněžice biomasu z mnohem širšího okolí, než pak zásobují elektřinou a teplem. I to ukazuje, že nelze jejich model přijmout pro všechny místa. Zároveň však tomu širšímu okolí pomáhají se zpracováním a likvidací například odpadů z žump, a tím jim šetří náklady. Pokud podobný systém a jeho nastavení počítají z návratem potřebné organické hmoty do půdy a je zaměřen dominantně na využívání bioodpadu v nepříliš vzdáleném okolí, může být taková produkce tepla a v kogeneraci i elektřiny environmentálně přínosná. I když jsou pak ale možnosti využití biomasy k produkci tepla a elektřiny relativně značně omezené.

Stavební část bioplynové stanice v Uherčicích byla realizovaná firmou Navláčil (zdroj Navláčil)

Závěr

Pomineme-li prosté spalování biomasy z lokálních zdrojů, je jakýkoli další způsob využívání biomasy k energetickým účelům značně nákladný, vyžaduje dodatečné energetické vstupy, které mohou tvořit podstatný podíl získané energie nebo se ji vyrovnat a má značné nároky na krajinu. Navíc při intenzivní „těžbě“ energetické biomasy se rozplývá tvrzení o obnovitelnosti a trvalé udržitelnosti zdroje. Obnova kvality půdy, rostlinných společenstev je pak dlouhodobá a i k vázání odpovídajícího množství CO₂ dochází až v dlouhodobém horizontu. Pokud není k využívání biomasy k energetickým účelům přistupováno opatrně, může odebráním většiny biomasy z ekosystému dojít ke zhroucení řady přirozených potravních řetězců. Protože se také jedná o konkurenci produkce potravin a ekologické funkci krajiny, je k využívání biomasy potřeba přistupovat velice zodpovědně.

Masivní spalování dřevní hmoty dopravované na obrovské vzdálenosti při výrobě elektřiny je stejně jako masivní pěstování plodin pro biopaliva z environmentálního hlediska velmi negativní. Stejně jako speciální pěstování kukuřice a podobných plodin pro bioplynové stanice.

Pokud se bude biomasa dominantně využívat pro výrobu tepla a v kogeneraci v případě příhodných podmínek a šetrným způsobem, může jít o vhodný decentrální zdroj. V takovém případě však bude její příspěvek k výrobě elektřiny jen do řádu jednotek procenta. Je to vidět i na příkladech produkce elektřiny z biomasy v různých evropských zemích v roce 2018. V Česku byl podíl elektřiny z biomasy 2,7 %. V Německu to bylo 7,5 % a jde o situaci velmi intenzivního dotování v dané oblasti. I tak už je řadu let tato hodnota stabilní a nedaří se jí zvětšovat. Ve Velké Británii je to 6 % a v Dánsku je to 13,1 %. Zde je však třeba připomenout už zmíněnou skutečnost, že se velmi intenzivně využívá i spalování dovážené biomasy. V Dánsku je navíc velký tlak na produkci a využití bioplynu. Vysoký podíl biomasy na produkci elektřiny má i Finsko, i tak je to jen 10,1 %. I tyto čísla ukazují na reálné možnosti v tomto oboru. Biomasa má určitě v energetickém mixu své místo, je však potřeba reflektovat všechna její environmentální omezení.

Další doporučená literatura:

Zdeněk Strašil a Josef Šimon: Stav a možnosti využití rostlinné biomasy v energetice ČR