ENERGIE ZE DŘEVA - PŘÍNOS GLOBÁLNÍ EKOLOGII II.
Alois Švenda
Technika a technologie
Charakteristickými rysy celého období, kdy dřevo provází člověka jako zdroj tepla, jsou vysoká pracnost tradiční a stále přežívající těžby a přípravy palivového dříví a nízké využívání jeho energetické hodnoty - výhřevnosti. To spolu s malým pohodlím při provozu a obsluze topenišť usnadnilo nástup fosilních paliv, dříve uhlí, později topného oleje a v současné době zemního plynu. Míra pracnosti, stupeň využití a úroveň pohodlí, to jsou otázky, na jejichž řešení do značné míry závisí úspěch programu Energie ze dřeva. Technické a technologické poznatky posledních let umožňují s uspokojením konstatovat, že dřevo jako obnovitelný zdroj energie je způsobilé při výrobě tepla dnes běžným fosilním palivům úspěšně konkurovat.
Při konkrétních úvahách o energetickém využití dříví je třeba vycházet ze specifičnosti dřeva jako paliva a respektovat ji při technologické přípravě paliva i při konstrukci a provozu spalovacích zařízení - kotlů, s cílem co nejvyššího využití jeho energetické hodnoty. Jestliže otevřené ohniště starého krbového typu vykazuje 15 - 25% tepelnou účinnost (využití výhřevnosti paliva) a dnes ještě nejužívanější tzv. univerzální kotle na uhlí nebo dřevo dosahují praktické účinnosti 50-60 %, pak nejmodernější topeniště pro spalování dřeva pracují již s účinností 80 - 90 %.
CHARAKTERISTICKÉ VLASTNOSTI DŘEVA VE SROVNÁNÍ S JINÝMI PALIVY
- Vysoký podíl zplyňujících látek (75 - 85 %), které se teplem uvolňují na roštu a hoří ve vznosu “dlouhým plamenem” v prostoru za žárovištěm. To vyžaduje speciální řešení topeniště s konstrukcí “horké” dohořívací komory a s přesnou regulací přívodu primárního a sekundárního vzduchu.
- Velmi variabilní vlhkost dřeva (od 50 - 60 % podílu vody v čerstvém stavu až po 15 - 25 % na vzduchu dokonale vyschlého dřeva). Vlhkost dřeva ovlivňuje jeho efektivní výhřevnost, jeho skladovatelnost i průběh spalovacího procesu a zpětně i technologii přípravy paliva.
- Výhřevnost ve vztahu ke hmotnosti či objemu je poměrně nízká, s nepříznivým vlivem na potřebu skladovacího prostoru. V průměru činí u absolutně suchého dřeva 19 MJ/kg (5,2 kWh/kg), u čerstvě těženého dřeva (w = 50 - 60 %) 7,1 MJ/kg = 2,0 kWh/kg a u proschlého po 1 létě volného skladování (w = 25 - 35 %) 12,2 MJ/kg = 3,4 kWh/kg.
- Velmi nízký podíl popelovin (<1%) s příznivým vlivem na konstrukci a obsluhu kotlů; popel je využitelný jako hnojivo.
- Ekologicky je dřevo považováno jako neutrální zdroj energie s uzavřeným koloběhem CO2 v přírodě, které nezvyšuje obsah “skleníkových plynů” v ovzduší. Do ovzduší se dostává jen to množství, které bylo v procesu růstu biomasy z ovzduší odebráno. - Prakticky žádný obsah síry v palivu, což spolu s uzavřeným koloběhem CO2 v přírodě jsou hlavní ekologické přednosti palivového dříví.
FORMY PŘÍPRAVY PALIVOVÉHO DŘÍVÍ
V průběhu novodobého zájmu o dříví jako zdroje energie, datovaného do 2. poloviny 20. století, se vyvinuly základní formy přípravy (zušlechtění) palivového dříví:
- Tradiční forma kusového paliva - štípaných polínek pro lokální topidla. Tato forma paliva prožívá širokou renesanci v souvislosti s nástupem moderních typů efektivně pracujících topenišť pro kotle malé výkonnostní kategorie (rodinné domky) a se zásadní změnou technologie těžby a přípravy paliva. Tradiční výroba rovnaného palivového dříví v lese již nemá velkou šanci na ekonomický úspěch.
- Palivová štěpka - nejužívanější a ekonomicky nejefektivnější způsob přípravy paliva pro účinná spalovací zařízení všech výkonových kategorií, od rodinných domků až po teplárny středního a vyššího výkonu. Výroba palivových štěpek znamenala zásadní obrat v efektivnosti výroby palivového dřeva a jeho konkurenceschopnosti vůči fosilním palivům.
- Dřevěné brikety - forma kusového zušlechtěného paliva (průměr 60 - 100 mm, délka 50 - 400 mm) s vysokou výhřevností (18 MJ/kg, vlhkost 8 - 10 %), nahrazující tradiční formu kusového palivového dříví pro kategorii malých lokálních topenišť. Vyrábí se lisováním drceného a uměle dosušeného dříví, kdy za vysokého tlaku a teploty lignin plastifikuje a plní funkci pojidla.
- Pellety - minibrikety - charakterem a parametry jsou shodné s briketami. Liší se jen rozměrově (průměr 6 - 12 mm, délka 10 - 25 mm). Slouží zatím převážně pro nízkovýkonná lokální topidla a rodinné domky, kde nahrazují palivovou štěpku. Nejvhodnější výchozí surovinou jsou piliny a suchý odpad dřevoprůmyslu. Lesní štěpky nepřicházejí zatím pro výrobu briket a pellet z ekonomických důvodů v úvahu; vyžadují další desintegraci a umělé sušení.
KOTLE A TOPENIŠTĚ
Na evropském trhu je v současné době k dispozici velmi široký sortiment moderních speciálních kotlů a topenišť pro spalování dříví ve všech jeho formách. Je to výsledek dlouholeté orientace západní a zejména severní Evropy na energii ze dřeva.
Existuje široká nabídka kotlů pro tradiční kusové dříví a brikety pro rodinné domky, s vysokou účinností a s automatickým řízením topného procesu, nesprávně označovaných jako “dřevoplyn”. Nahrazují málo účinné a neekologické “univerzální” teplovodní kotle v kombinaci uhlí/dřevo. Jsou charakteristické dolním odhoříváním a vířivou horkou dohořívací komorou. Svoji renesanci, zejména v Rakousku a Německu, zažívají také kachlová kamna a tradiční sporáky, konstruované na vyšším stupni znalostí spalování dřeva.
Nejširší nabídka je u kotlů a topenišť pro palivovou štěpku. Malá a střední výkonová kategorie se nabízí buď jako kompletní teplovodní soustavy nebo jako samostatná předtopeniště bez výměníku tepla. Ta se předřadí před stávající, již instalované kotle na tuhá paliva, které přebírají funkci výměníku. Jde o plně automatizované systémy s vysokou účinností s různou konstrukcí roštu (šikmý, posuvný, podsuvný).
Pro vyšší výkonové kategorie (obecní a městské bioteplárny) existuje již rovněž bohatá nabídka kompletních kotelen, specializovaných pro konkrétní paliva (palivová štěpka, sláma). Její součástí je i dálkový rozvod tepla, včetně domovních výměníkových a regulačních stanic.
Spalování pellet vyžaduje vzhledem k charakteru paliva (nízká vlhkost, zrnitost) i speciální řešení topenišť, charakteristických jemnou regulací dávkování paliva do žároviště. I zde je jejich nabídka již dosti bohatá. Převažují topidla pro lokální vytápění na úrovni krbových kamen, s vysokým stupněm automatické regulace, jejichž provoz a obsluha se již prakticky neliší od topenišť pro topné oleje, v hygieně a bezpečnosti je i předčí. Sypkost pellet umožňuje dopravní manipulaci na úrovni polotekutých hmot. Jsou k dispozici i topeniště pro rodinné domky jako náhrada za palivové štěpky.
K obvyklému vybavení moderních topenišť pro spalování dřeva patří zejména: automatická regulace výkonu v závislosti na zvolené teplotě otápěných prostor, regulace spalovacího procesu (primární a sekundární vzduch, přísun paliva) v závislosti na parametrech spalin (obsah CO) indikovaných Lambda-sondou před komínem, předehřívání sekundárního vzduchu, automatický přísun paliva ze skladovacích prostor, automatické čištění teplosměnných ploch a odsunu popele do kontejneru, časový programátor provozu s dlouhodobou volbou režimu, automatický elektrický zapalovač a ochrana přísunových cest paliva proti zpětnému prohoření do zásobníku. Obsluha topení se omezuje na nastavení provozních parametrů a na cyklickou kontrolu a údržbu.
V ČR se z uvedeného sortimentu kotlů a topenišť vyrábí na dobré úrovni speciální kotle pro spalování tradičního kusového paliva pro rodinné domy. Nabízí se již také kompletní zařízení pro biokotelny obecního charakteru, včetně dálkového rozvodu tepla a domovních výměníkových stanic. Ostatní stroje a technologická zařízení pro těžbu, úpravu a spalování dřeva jsou běžně k dispozici na evropském trhu.
BIOTEPLÁRNY
Na vysokou technickou úroveň se dostaly moderní obecní bioteplárny s dálkovým rozvodem tepla. Jejich provoz je plně automatizován, je řízen počítačem, který průběžně dálkově sleduje odběr tepla u každého účastníka, vyhodnocuje kontinuálně celkový odběr tepla v síti dálkového rozvodu a s přihlédnutím k aktuálnímu stavu počasí (venkovní teplota) neustále koriguje spalovací režim kotlů. Protipožární ochrana, včetně likvidace zahoření, pracuje rovněž automaticky. Bioteplárny pracují bez stálé obsluhy. Její přítomnost má charakter cyklického, krátkodobého vykonání nezbytných pracovních úkonů (úklid, údržba, odstranění závad indikovaných počítačem, doplnění zásoby paliva před kotlem z centrální skládky, odsun kontejnerů s popelem apod.).
TECHNOLOGIE
Volba technologie těžby a přípravy paliva ovlivní rozhodujícím způsobem ekonomickou efektivnost energetického využití dříví z lesní prvovýroby. Nezbytností je uplatnění všech známých technologických racionalizačních prvků, moderních strojů a zkušeností, které se nahromadily v této oblasti v průběhu posledních let.
Snižování vlhkosti dřeva
Novým technologickým prvkem je snižování vlhkosti dřeva před jeho zužitkováním. Umělé sušení se vstupem energie je málo reálné. Nejefektivnější je transpirační vysýchání dřeva ještě v lese, které znamená přerušit výrobní proces a ponechat dříví alespoň po dobu letních měsíců na pasece (těžební zbytky), v porostu, lépe však na slunné skládce před jeho dalším zpracováním. Obsah vody lze tak snížit na 25 - 35 % se zvýšením efektivní výhřevnosti o cca 70 % oproti čerstvému dříví. Dodávka dříví v čerstvém stavu bude vždy spojena s nižší prodejní cenou (nižší výhřevnost, vyšší dopravní náklady). Energetickou štěpku z čerstvého dříví lze dodávat pouze velkoodběratelům s kotly o vyšším výkonu (>1 MW), vybavenými kondenzační jednotkou pro zachycení tepla unikajícího s odpařovanou vodou, nebo kteří vlastní prostorné sklady uzpůsobené pro vysýchání štepek, s dlouhodobým předzásobením.
Technologie napadlých délek, surových kmenů a krátkého dříví
Se současnou technologií výroby a dodávky tradičního rovnaného paliva v 1 m délkách nelze z ekonomických důvodů a pro zvyšující se nároky na pohodlí spotřebitelů trvale počítat. Úsilí dodavatelů kusového palivového dříví pro klasická topeniště směřuje k dodávce hotového paliva v proschlém stavu, štípaného a kráceného na požadovanou délku, podle parametrů topeniště spotřebitele, jemuž zůstane pouze starost o vhodné uložení paliva. Uplatňuje se technologie napadlých délek nebo surových kmenů s převzetím racionální technologie z probírek, využívající radiem ovládaných vyklizovacích navijáků a dalších racionalizačních prvků. Lze uplatnit i technologii krátkého dříví s použitím harvestorů a forwarderů. V obou případech se předpokládá dokonale zpřístupněný porost systémem přibližovacích linek. Transpirační vysýchání se zařazuje buď před operaci odvětvování (olistění napomáhá transpiraci), nebo po přibližování na osluněné skládce na odvozním místě.
Pro konečnou přípravu kusového paliva se dnes na evropském trhu nabízí řada pojízdných poloautomatických strojů, které dlouhé dříví (až do průměru 30 cm) krátí na volenou délku, rozštípou a naloží na dopravní prostředek nebo do pevných nebo síťových kontejnerů pro transport ke spotřebiteli. Uplatňuje se i nižší stupeň technologie s dodávkou paletizované “metrovice” vyrobené na centrálních skládkách, kdy si spotřebitel zabezpečí další zpracování sám s využitím široké nabídky zkracovacích pil a malých štípaček.
Palivo z přestárlých, přetloustlých a zdravotně narušených porostů
Samostatným, avšak aktuálním problémem je výroba paliva z přestárlých, přetloustlých a zdravotně narušených porostů. Pro tento účel existuje nabídka zkracovacích a štípacích zařízení, nesených na pracovních ramenech stavebních strojů s výkonnou hydraulikou, které zároveň řeší manipulaci s těžkými kusy. Nabízí se i široký sortiment jednodušších štípaček s vazbou na univerzální kolový traktor.
Výroba lesní štěpky
Výroba lesní štěpky není u nás neznámou technologií, i když celková produkce je malá. Existuje již nabídka velmi širokého sortimentu sekaček a přepravních prostředků, z níž lze pro konkrétní provozně hospodářské podmínky vybrat. U zpracování těžebních zbytků lze připomenout metodu celých stromů se zpracováním větví a vršků na odvozním místě, kde však jejich transpirační prosýchání bude obtížné. Zpracování větví ponechaných na pasece umožní transpirační vysýchání, nutno je však koordinovat se zalesňováním a na některých lokalitách je nebezpečí příměsi kamenů s poškozením sekačky. V poslední době se rozvíjí také technologie lisování těžebních zbytků na pasece do formy přepravních balíků, s jejich následným zpracováním až u odběratele. Výhodou je využití standardních prostředků pro přibližování a odvoz kulatiny.
Velké uplatnění výroby palivových štěpek se předpokládá v prořezávkách a raných probírkách, kde ekonomická efektivnost vyžaduje uplatnění u nás již dříve známých technologických prvků, mezi něž patří metoda celých stromů, dokonalý systém zpřístupnění porostů až do detailu vyklizovacích linek, radiem ovládaný vyklizovací naviják s využitím sběrného lana. Transpirační vysýchání se zařazuje buď před vyklizování, nebo až na odvozní místo, kde materiál ve vysokých hráních tvoří dlouhodobou zásobu pro operativní sekání a zásobování odběratelů, probíhající zejména na podzim a v zimě.
ENERGETICKÉ PLANTÁŽE LESNÍCH DŘEVIN
Specifickou technologickou kapitolu představuje produkce štěpek z energetických plantáží lesních dřevin (zejména topol a vrba) na zemědělských půdách. Jde o husté výsadby s krátkou dobou obmýtí (3 - 8 let), připomínající prutníky, či přirozená zmlazení listnáčů určené k plošné likvidaci. Technologicky jde o plošné těžební postupy blízké zemědělství s využitím strojů, připomínající sklízeče a drtiče kukuřice. Pouze u topolových plantáží s dobou obmýtí do 8 let, s volnějším sponem a s dimenzemi přesahujícími hranici nehroubí, lze aplikovat prvky z technologie těžeb v prořezávkách. Energetické plantáže dávají šanci řešit využití nadbytečné zemědělské půdy a je jim již věnována i v našem zemědělství přiměřená pozornost. Prosté zalesnění a klasické porostní hospodaření na těchto půdách nemusí být nejefektivnějším řešením.
Závěrem lze konstatovat, že technické a technologické otázky, související s efektivní těžbou, přípravou a spalováním dřeva jako obnovitelného zdroje energie, jsou díky dlouholetým zkušenostem zemí severní a v poslední době i západní Evropy poměrně dobře propracovány a dále se intenzivně rozvíjejí. Evropský trh nabízí širokou škálu strojů a zařízení. Podstatná část těchto poznatků je plně aplikovatelná i v podmínkách LH ČR.
Adresa autora:
Ing. Alois Švenda, CSc.
679 05, Křtiny 204