Vlastnosti biomasy jako paliva
Josef Kočica, Jan Berka, Jiří Dobrý, Jan Grus
Prakticky první palivo, které kdy člověk použil k produkci tepelné energie, je biomasa, ostatní paliva začal používat až mnohem později. Dnes se opět zájem o biomasu dostává do popředí, a to z několika důvodů. Jako hlavní důvod lze uvést očekávaný úbytek (a s ním spojené zdražování) fosilních paliv v blízké budoucnosti (očekává se, že většina světových zásob ropy bude spotřebována cca za 50 let).
Naproti tomu biomasu v podobě různých odřezků, pilin či jiného dřevního odpadu lze v některých případech získat za cenu nižší, než je cena jiného paliva o stejné výhřevnosti (protože náklady na produkci biomasy jsou v tomto případě započítány v ceně hlavního produktu), cena biomasy cíleně pěstované pro spalování či produkci biopaliv je ale v současnosti mnohdy poněkud vyšší než např. cena hnědého uhlí nebo jiných “tradičních” paliv (viz LP 2003/7). To se ale může časem změnit. Dalším důvodem je tlak na snižování emisí CO2 do atmosféry kvůli omezení skleníkového efektu.
Spalování biomasy a oxid uhličitý
Při spalování biomasy pochopitelně oxid uhličitý vzniká, suché spaliny ho mohou teoreticky obsahovat až 20 % obj. Podle teorie se však při růstu nové biomasy spotřebuje stejné množství oxidu uhličitého, jako je uvolněno při jejím spalování, takže tento CO2 nezatěžuje životní prostředí a nepřispívá ke skleníkovému efektu.
Zdroje biomasy
Zdroje biomasy lze rozdělit např. následujícím způsobem:
- odpad při zpracování dřeva - tj. piliny, hobliny, odřezky aj.;
- odpad z těžby dřeva v lesích;
- cíleně pěstované plodiny pro energetické využití: Jde o rychle rostoucí dřeviny (topoly, vrby), sloní tráva, konopí, hořčice, len, proso, křídlatka, šťovík atd.
Některé druhy biomasy se musí před vlastním energetickým zpracováním nejdříve upravit např. drcením, sekáním, peletováním nebo štěpkováním. Energeticky lze biomasu využít spalováním, dále ji lze transformovat na kapalná nebo plynná biopaliva.
Parametry biomasy jako paliva
Jednou z nejdůležitějších vlastností paliv je výhřevnost - teplo, které se uvolní dokonalým spálením jednotkového množství paliva, pakliže voda vzniklá spalováním, zůstává v plynném stavu. V tabulce jsou uvedeny výhřevnosti sušiny některých druhů biomasy, které byly změřeny v Ústavu energetiky VŠCHT Praha. Uvedené výhřevnosti byly stanoveny isoperibolickou metodou (tj. při konstantní hodnotě výměny tepla s okolím) v kalorimetrické bombě (obr. 1) pomocí kalorimetru IKA 2000 (obr. 2) podle normy ČSN ISO 1928. Z těchto hodnot je zřejmé, že v hodnotách výhřevnosti sušiny pro jednotlivé druhy biomasy nejsou výraznější rozdíly, jen je třeba poznamenat, že výhřevnost sušiny tzv. “rychle rostoucích dřevin” (RRD) bývá až o 5 MJ/kg nižší než výhřevnost sušiny běžného dřeva. Porovnáme-li ji s výhřevností jiných paliv, pak např. výhřevnost hnědého uhlí se pohybuje mezi 20-30 MJ/kg, lignitu a tzv. “energetického uhlí” 11–14 MJ/kg, lehkého topného oleje nad 40 MJ/kg, zemního plynu 33 MJ/Nm3 a propan-butanu asi 105 MJ/Nm3.
Výhřevnost jednotlivých druhů reálné biomasy se ovšem liší podle obsahu vody. Ten závisí na mnoha faktorech, např. na způsobu uskladnění (déšťové srážky...). Běžně se tato hodnota pohybuje mezi 5–10 % hmotnosti.
Dalším důležitým parametrem paliva je obsah popela, respektive jeho teplota tání. Je-li teplota tání popela nižší než teplota plamene při hoření, pak dochází k zalepování roštu ohniště, což působí problémy (viz obr. 3). Obsah popela v biomase je relativně nízký, hodnoty pro vybrané druhy jsou uvedeny v tabulce. Lze je ovšem opět brát jako orientační, protože obsah popela závisí např. na způsobu pěstování, skladování a jiných vnějších vlivech. Teplota tání popela je u většiny druhů vysoká, bývá větší než 1 100–1 200 °C, pouze u některých druhů (např. u slámy a vojtěšky) se pohybuje mezi 800–900 °C. Zalepování roštu nízkotajícím popelem lze zabránit namícháním paliva, které obsahuje popel o nižší teplotě tání s palivem, jež obsahuje popel vysokotající. Nízkotající popel se při spalování “obalí” popelem vysokotajícím a rošt nezalepí.
Zastoupení chemických prvků v biomase
Důležité je zastoupení jednotlivých chemických prvků v palivu. Biomasa obsahuje 40–50 % hm. uhlíku, 4–6 % hm. vodíku až 1 % hm. dusíku a 30–40 % hm. kyslíku, zpravidla neobsahuje fluór. Zejména se ale u paliv sleduje obsah chlóru a síry (pro vybrané druhy uveden v tabulce č. 1). Zatímco obsah síry je v biomase nižší než u většiny jiných paliv (např. některá uhlí obsahují i více než 1 % síry), celkový obsah chlóru je přece jen poněkud vyšší (obsah chlóru některých jiných paliv se blíží nule), i když toto množství (viz tabulka) není nikterak fatální. Navíc je třeba zdůraznit, že nejde o organicky vázaný chlór, ale o chlór ve formě anorganických chloridů, což bylo ověřeno experimentálně. Obavy z produkce škodlivého chlorovodíku při spalování proto nejsou na místě, protože ten vzniká pouze konverzí organicky vázaného chlóru.
Obsah kovů v biomase závisí na lokalitě, kde byla biomasa vypěstována. Lze ale konstatovat, že obsah většiny těžkých kovů se blíží nule. Poněkud významnější je jen obsah železa a lehkých kovů - nejvíce vápníku, hořčíku, draslíku, sodíku a zinku.
Lze tedy konstatovat, že biomasa je relativně výhodným palivem, a to zejména z ekologického a někdy z ekonomického hlediska. Rozhodně ji lze doporučit např. jako náhradu za uhlí pro lokální vytápění, alespoň tam, kde je k dispozici vhodný zdroj. Její výhřevnost je sice v porovnání s jinými palivy nižší, ale zase jde o obnovitelný zdroj energie, v současnosti již mnohdy levnější (zejména jde-li o dřevní odpad) než jiná paliva, a lze očekávat, že se tento cenový rozdíl bude postupně zvětšovat. Časem lze snad očekávat relativní pokles ceny biomasy cíleně pěstované pro energetické využití (zejména při pěstování ve velikém množství a zefektivnění produkce) - vždyť EU do tohoto zdroje energie vkládá veliké naděje.
Emise anorganických a organických škodlivin při spalování biomasy
Díky nízkému obsahu organicky vázané síry, prakticky nulovému obsahu organicky vázaného chlóru a těžkých kovů lze logicky předpokládat jen velmi nízké koncentrace anorganických polutantů (SO2, HCl, emise těžkých kovů) ve spalinách, což bylo dokázáno i měřením. Poněkud horších hodnot dosahují emise oxidu uhelnatého při spalování, ale tento problém se týká všech tuhých (i kapalných) paliv. Zjednodušeně lze tento jev vysvětlit tím, že u pevných a kapalných paliv nelze dosáhnout ideálního promísení s oxidačním médiem (vzduchem), čehož lze naopak relativně snadno dosáhnout u plynných paliv. Co se produkce oxidu uhelnatého při spalování týče, biomasa na tom rozhodně není hůře než jiná pevná paliva.
Produkce organických znečisťujících látek závisí vždy na způsobu spalování a konstrukci spalovacího zařízení (např. při nedostatku spalovacího vzduchu může vznikat celá škála organických látek). Bylo např. zjištěno, že obávané polychlorované dibenzo-dioxiny jsou ve spalinách zastoupeny téměř při jakémkoli spalovacím režimu, ale jejich koncentrace je stopová, dosahuje řádově jednotek ng/m3, což je ale řádově více, než připouští norma pro spalovny odpadů (0,1 ng/m3). Biomasa ale byla jako zdroj energie využívána po tisíciletí, navíc v každé době docházelo a dochází k velkým lesním požárům, při kterých též vždy vznikalo určité množství polychlorovaných dibenzo-dioxinů. Kdyby tedy byly polychlorované dibenzo-dioxiny tak jedovaté a biologicky neodbouratelné, jak se dnes všeobecně tvrdí, celá Země by jimi byla již dávno zavalena a vše živé otráveno. Ve skutečnosti ale nebezpečnost dioxinů vzniklých spalováním biomasy asi nebude tak vysoká, jak lze dnes z některých zdrojů slyšet, a lze proto očekávat, že “dioxinová hysterie” pozvolna pomine. Vznik dalších organických látek ve spalinách, zejména polyaromatických uhlovodíků, sazí (a také již zmíněného oxidu uhelnatého) lze omezit volbou vhodného spalovacího režimu (obecně je nutné zajistit dostatečný přísun vzduchu k palivu, což představuje problém např. u klasických kamen).
Závěrem je ale třeba zdůraznit, že biomasa může sloužit pouze jako doplňkový zdroj energie. Ani v kombinaci s využitím jiných alternativních zdrojů (větrná, vodní, solární energie) totiž nemůže v žádném případě při současné spotřebě plně nahradit dosud nejvíce využívané “tradiční” zdroje (spalování fosilních paliv a jadernou energii), jak by si zejména odpůrci jaderných elektráren a jiní “militantní ekologičtí aktivisté” přáli.
Seznam literatury je k dispozici u autorů.
Adresa autorů:
Ing. Josef Kočica
Ing. Jan Berka, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
VŠCHT Praha, Ústav energetiky
Ing. Jiří Dobrý, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
Ing. Jan Grus, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
VŠCHT Praha, Ústav analýzy potravin