VYUŽITÍ BIOMASY JAKO OBNOVITELNÉHO ZDROJE ENERGIE

Transkript

1 VYUŽITÍ BIOMASY JAKO OBNOVITELNÉHO ZDROJE ENERGIE SIARHEI SKOBLIA, DANIEL TENKRÁT, MARTIN VOSECKÝ,b, MICHAEL POHOŘELÝ b, MARTIN LISÝ c, MAREK BALAŠ c, ONDŘEJ PROKEŠ Vysoká škol chemicko-technologická v Prze, Technická 5, Prh, b Ústv chemických procesů AV ČR, Rozvojová 2/ Prh 6-Suchdol, c Vysoké učení technické v Brně, Technická 2896/2, Brno skobljs@vscht.cz Klíčová slov: výrob energie, cen biomsy, technologie výroby energie, zplyňování biomsy Úvod Rozvoj lidské civilizce během posledních st let probíhl velmi rychlým tempem byl vždy spojen s produkcí spotřebou energie. Vývoj plikce moderních technologií inovční činnost v průmyslové výrobě umožnily dosáhnout zvýšení celkové účinnosti výroby snížení měrné spotřeby energie. Poždvky n množství energie v celosvětovém měřítku přesto stále stoupjí budou stoupt i ndále. Hlvní příčinou je rostoucí populce plnety Země, stoupjící životní úroveň s ní i kvlit život. Dosvdní vývoj ukzuje n stálou převhu fosilních pliv mezi zákldními zdroji energie (cc 70 %). Prognózy budoucího vývoje produkce energie se liší v odhdech celkového množství, všk shodují se v tom, že očekávný nárůst nemůže být dosžen pouhým zvýšením spotřeby fosilních pliv. Část odborníků se přiklání k optimistickému názoru, že v perspektivě 40 ž 50 let lze fosilní pliv částečně nhrdit obnovitelnými zdroji energie (OZE). Tto koncepce je podrobně diskutován v tzv. Bílé knize, ve které je uveden odhd celosvětové produkce primární energie (obr. 1, cit. 1 ). Už v roce 2020 by mohlo 20 % celosvětové produkce elektrické energie pocházet z OZE v roce 2050 celých 50 %. Zd jsou tyto prognózy prvdivé, ukáže jen čs. Mezi hlvní formy OZE ptří: bioenergie, geotermální energie, vodní energie, větrná sluneční energie. Energie produkovná různými způsoby z biomsy je nzýván bioenergií. V důsledku své geogrfické polohy Česká republik má nízký potenciál vodní, větrné sluneční energie, proto hlvním zdrojem OZE je v ČR bioenergie zstoupená hlvně biomsou. Využití obnovitelných zdrojů energie Stupeň součsného využití jednotlivých druhů OZE v celosvětové produkci energie je odlišný. V roce 2000 tk činil celková výrob primární energie 9958 Mtoe (obr. 2, cit. 2 ). Podíl jednotlivých druhů OZE n celosvětové produkci elektrické energie v roce 2000 byl odlišný. Jk je vidět, energie obsžená v biomse se převážně využívl pro výrobu tepl (11 %) jen z 1 % se podílel n výrobě b Obr. 1. Vývoj celosvětové produkce energie; (1 ExJ = J = 23,885 Mtoe, energetický obsh 1Mtoe megtuny ropného ekvivlentu je definován jko 41,868 Petjoulů (1 PJ=10 15 J), cit. 1 ) Obr. 2. Podíl OZE n celosvětové produkci energie v roce 2000; primární, b elektrická 2 s20

2 elektrické energie. Podíl OZE n celkové produkci energie v ČR byl v roce 2002 cc 1,9 %, což bylo pod celosvětovým celoevropským průměrem. Podíl OZE v EU ve stejném období byl 6 % měl by v roce 2010 dosáhnout 11 %, hlvním zdrojem je energie biomsy hydroenergie. V souldu se Směrnicí 2001/77/ES se ČR zvázl do roku 2010 zvýšit podíl OZE ve výrobě elektrické energie n 8 % do roku 2030 n 20 %. Bioms se v podmínkách ČR stává hlvním zdrojem pro splnění těchto závzků. Z výše uvedených údjů lze odvodit tyto závěry: bioms je málo využívná pro výrobu elektrické energie právě zde se skrývá její znčný potenciál, nízký podíl ve výrobě elektrické energie ukzuje n existenci objektivních překážek omezujících výrobu elektrické energie ve větším měřítku. Zjištění těchto překážek definice problémů spojených s jejich překonáním je hlvním klíčem vedoucím k úspěšné plikci biomsy ve výrobě elektrické energie. Hlvní problémy lze shrnout do dvou zákldních skupin: odlišné vlstnosti biomsy, mezi které ptří nízká plošná hustot zdrojů biomsy, problemtická dostupnost, vysoké nákldy spojené se skldováním, mnipulcí doprvou, které zvyšují cenu biopliv, využití obrovského potenciálu biomsy znemožňuje nedostupnost levných technologií vhodných pro efektivní decentrlizovnou výrobu elektrické energie. Anlýze optimlizci těchto problémů jsou věnovné následující kpitoly této práce. Cen dostupnost biomsy dostupnost n trhu, t d 5,0E+08 4,0E+08 3,0E+08 2,0E+08 1,0E+08 0,0E+00 energetické rostliny zemědělský odpd lesní odpd odpd z pil dřevní komunální odpd <20 <30 <40 <50 cen, USD/t d Obr. 3. Dostupnost biomsy v USA v závislosti n ceně; (r. 1999) 5 V ČR je k dispozici cc 16 mil m 3 dřevní hmoty 4, 2 mil tun slámy cc 1 mil tun řepkové slámy. Potenciál energetických plodin se odhduje n 40 mil tun (cit. 3 ). Jko plivo je využíváno hlvně dřevo z lesních porostů odpdy z dřevozprcovtelského průmyslu ve formě pilin štěpky 5. Intenzivní využívání zbytkového dřev se projevilo v ČR jeho rostoucí spotřebou to z 0,9 mil tun v roce 1996 n 1,5 mil tun v roce Je všk zřejmé, že dnes tento potenciál je již skoro vyčerpán. Teoretický potenciál energetické biomsy pěstovné v ČR lze vypočítt ze střední roční výnosnosti pěstovných plodin velikosti volné půdy. V ČR leží ldem si 0,5 mil hektrů půdy. Pro nplnění cíle roku 2010 by postčilo využít si polovinu této plochy. V horizontu 30 let lze využít ž 1,5 mil hektrů, tj. si 35 % podílu zemědělské půdy v ČR. Součsný ekonomický potenciál energetické biomsy (r. 2004) se odhduje n 2738 tis. tun, dostupný n 9037 tis. tun, technický n kt teoretický ž n kt (cit. 4 ). Prktická využitelnost tohoto obrovského potenciálu je zásdním způsobem ovlivněn dostupností biomsy hlvně její cenou. Odpdy ze zemědělství odpdní dřevo ze zprcovtelského průmyslu lesního hospodářství jsou levné, le jejich množství jsou omezená. Jejich potenciál je dnes zprvidl vyčerpán, proto dlší zvýšení poptávky utomticky vede ke zvýšení ceny. Odhd ceny pěstovné biomsy uvádí rozsáhlá studie provedená v USA (obr. 3, cit. 5 ). Cenu ovlivňuje jk stv součsného využití dného druhu biomsy, tk i nákldy spojené s produkcí (pěstování, sklizeň, úprv před použitím skldování). Proto zdroje biomsy jsou rozděleny do několik ktegorií. K levným (<30 USD t 1 ) ptří nevyužité málo hodnotné mteriály: městský dřevní odpd, odpdy z lesního hospodářství (mrtvé stromy, zbytky po těžbě, nekvlitní dřevo) dřevřský odpd nevyužitý k jiným účelům. N jejich ceně se podílí hlvně nákldy spojené s mnipulcí (těžb, sběr doprv). Vyšší cen dřevřského odpdu je způsoben jeho součsným využitím ve výrobě celulosy jiných dřevních mteriálů. Zemědělským odpdem je rostlinná hmot vznikjící při pěstování obilnin (zejmén pšenice kukuřice). Do ktegorie energetických rostlin jsou zřzeny rychle rostoucí dřeviny (RRD) trviny (RRT). Právě tyto dvě skupiny jsou vhod- Tbulk I Vybrné energetické rostliny jejich srovnání s fosilními plivy 6 Druh rostliny Hybridní topol (Populus) Vrb (Slix) Proso prutnté (Pnicum virgtum) Šťovík energetický (Rumex ptienti) Cen [t d 1 ] 32,9/42,3 USD (U) b 2200 Kč (C) 31,7/43,9 USD (U) b Kč (C) Výnosy [t d h 1 ] 15(U) 12(U) 4 5(S) 30/40 2 USD (U) 10(U) 7,1 (C) Kč (C) Hnědé uhlí Kč (C) d Černé uhlí Kč (C) 21 (C) Průměrná dlouhodobě pozorovná hodnot pro USA (U), Českou republiku (C), Švédsko (S), b extenzivní pěstování v divoké přírodě/intenzivní zemědělství, c pátý rok po výsdbě, d cen nezhrnuje dovoz DPH s21

3 nými kndidáty n nvýšení produkce biopliv. Ceny biopliv dostupných v EU ČR jsou v důsledku jiných hospodářských podmínek poněkud vyšší, přesto i zde jsou pozorovné podobné trendy v jejich vývoji 6. Cen biomsy závisí n výnosnosti pěstovných plodin, která je ovlivněn klimtickými podmínkmi i způsobem pěstování, proto se údje uváděné v litertuře čsto liší. Cen pěstovné biomsy je klkulován n zákldě teoretických výpočtů, protože prktické zkušenosti velkokpcitního pěstování energetických rostlin v ČR ztím nejsou dosttečné. Vybrné údje o výnosech nejperspektivnějších energetických rostlin orientční ceny jsou shrnuty v tbulce I jsou vyšší než u fosilních pliv. Cen elektrické energie produkovné prostřednictvím dnes známých technologií bude potom vyšší ve srovnání s fosilními plivy. Využití biopliv z určitých podmínek všk může být přijtelné zejmén kvůli strtegickým ekologickým spektům, přípdně může být i zvýhodněno plikcí vhodných dotcí bonusů. V budoucnu lze očekávt dlší nárůst ceny fosilních pliv, nopk pěstování RRD ve velkém je schopno postupně snížit jejich výrobní cenu. Kldným příkldem využití biomsy je rozvoj evropského trhu s plivovými peletmi briketmi n bázi biomsy. Jejich ceny jsou vyšší než u výrobků z fosilních pliv, přesto zájem o jejich využití v lokálních topeništích stoupá, zvlášť ve státech EU. Cen pelet v roce 2003 se pohybovl mezi 110 (ČR) ž 210 (Švédsko) EUR/t celková kpcit trhu dosáhl 3 mil tun (cit. 7 ). Výrob energie z biomsy Tbulk II Přehled technologií vhodných pro výrobu elektrické energie z biomsy 3,6 Technologie Stv vývoje Výkon [MW e ] η e [%] Prní stroj K 0,2 2, Prní turbín K 0, Orgnický Rnkinův cyklus Šroubový prní stroj D,K 0,3 1, D 0,02 1, Stirlingův motor b D <0, Pl. turbín s uzvřeným cyklem c V 0, Splovcí motor D 0,1 2, Splovcí plynová K 0, turbín Mikroturbín V <0, Proplynový cyklus D > (IGCC) Plivový článek V D 0,02 2, ,3 30 c Stv vývoje: V výzkum vývoj, D demonstrční jednotky, K konečné využívání, b lze využít různých zdrojů tepl, c vysokoteplotní plivové články MCFC typu Jk bylo zmíněno výše, obrovský potenciál biomsy (obr. 2) je málo využit pro produkci elektrické energie. Kritickou otázkou použití biomsy ve velkých zdrojích je nízká plošná hustot zdrojů biomsy. Hlvní objektivní překážkou je nedostupnost vhodných technologii pro decentrlizovnou výrobu elektrické energie z biomsy. Produkce elektrické energie pomocí prní turbíny je v mlých zřízeních neekonomická vzhledem k reltivně vysokým investičním nákldům. Proto splování v mlých středních zdrojích je zprvidl omezeno pouze n výrobu tepl. Vyrobené teplo sice lze trnsformovt pomocí Stirlingov motoru nebo plynové turbíny s uzvřeným cyklem n mechnickou práci, všk pořizovcí cen účinnost těchto zřízení v součsnosti není pro prktické upltnění přijtelná. Klsické splování v kombinci s prní turbínou u velkých jednotek nemůže dosáhnout účinnosti srovntelné se splováním fosilních pliv vzhledem k nižším teplotám v kotli menšímu přehřátí vodní páry n teplosměnných plochách. Vysoký obsh lklických kovů v kombinci s přítomností chloridů u některých druhů biomsy znmená zvýšené nebezpečí tvorby úsd, které vedou ke korozi v ohništi n teplosměnných plochách. Vysoký obsh prchvé hořlviny vyžduje speciální úprvu splovcího prostoru seřízení primárního sekundárního vzduchu. Nevhodné podmínky splovcího procesu mohou vést ke zvýšení emisí některých škodlivin (CO, uhlovodíky, polyromtické uhlovodíky). Bioms je přesto čsto spolusplován s uhlím, kdy při obshu do 20 hm.% příznivě ovlivňuje emise snižuje obsh síry ve splinách. Přehled dnes známých technologických postupů vhodných pro výrobu elektrické energie z biomsy je uveden v tbulce II. V první části jsou uvedeny pouze splovcí technologie, v druhé části tbulky pk technologie využívjící plynná pliv. Větší možnosti se otevírjí v přípdě trnsformce energie biomsy do jiné, lépe využitelné formy, tj. kplných nebo plynných pliv. Procesy termochemické konverze (pyrolýz, zplyňování) ptří mezi hlvní postupy tvorby plynných kplných pliv. Pyrolýz je endotermický rozkld orgnických látek n nízkomolekulární sloučeniny uhlíktý zbytek provádí se z nepřítomnosti vzduchu. Z biomsy se uvolňuje prchvá hořlvin (ž 80 % původní hmoty) tvořená směsí primárních produktů pyrolýzy, převážně termicky lbilních kyslíktých látek. Po jejich rychlém ochlzení vzniká tzv. pyrolýzní olej o výhřevnosti MJ kg 1, který předstvuje viskózní, páchnoucí nestbilní emulzi obshující % polárních orgnických látek vodu. Olej je vhodný jk pro splovní, tk i pro dlší výrobu ušlech- s22

4 Obr. 4. Účinnost produkce elektrické z biomsy po jejím zplyňování pomocí moderních postupů; MCFC PČ s roztveným uhličitnem, SOFC PČ s pevným elektrolytem, IGCC kombinovný proplynový cyklus 8 Tbulk III Provozní poždvky n obsh nežádoucích látek v plynu pro různá technologická zřízení 6,8 Sloučenin Surový plyn Splovcí motor Splovcí turbín Plivové články Dehet, mg m 3 0,1 10 <100 (50) <5 < 1 Prch, mg m <5 <1 < 0,1 H 2 S, ppm n.d. <1 < 0,10 b HCl, ppm <100 n.d. <0,5 < 0,10 c N,K,Li, ppm e n.d. <1 n.d. NH 3 d, mg m n.d. tilých kplných pliv. Zplyňování, neboli termochemická konverze pevného pliv, je vhodným zdrojem hořlvého plynu, použitelného pro splovní v plynových motorech, splovcích turbínách npojených n elektrické generátory plivových článcích (PČ) přímo vyrábějících elektrickou energii. Použití PČ umožňuje zvýšit účinnost výroby elektrické energie nd hodnotu limitovnou Crnotovým cyklem (obr. 4), což se jeví nejperspektivnějším směrem výroby elektrické energie u středních mlých zdrojů. Složení plynu produkovného zplyňováním znčně závisí n typu generátoru, použitém zplyňovcím médiu (kyslík, oxid uhličitý, vodní pár, přípdně vodík), vlstnostech biomsy. K nežádoucím komponentám plynu ptří výševroucí pyrolýzní produkty, souhrnně nzývné dehty, jemné prchové částice, sloučeniny chlóru, síry lklické kovy. Nároky n čistotu plynu jsou uvedeny v tbulce III stoupjí v řdě od splovcích motorů přes turbíny ž k extrémně nízkým hodnotám potřebným pro bezproblémový provoz plivových článků. Otázk efektivního levného čištění je Achillovou ptou zplyňování biomsy produkce elektrické energie. Obsh nežádoucích látek lze sice snížit volbou vhodného typu rektoru optimlizcí provozních podmínek. Bohužel, kvlit produkovného plynu po jeho odprášení bude v optimálním přípdě jen stěží vyhovovt nárokům splovcích motorů nebo splovcích turbín. Proto pro bezproblémové použití vysokoúčinných zřízení pro výrobu elektrické energie je nutné z plynový generátor zřdit systém čištění. Procesy zložené n ochlzení produkovného plynu následném vypírní/bsorpci nežádoucích látek jsou dosttečně účinné, bohužel tké znčně zvyšují celkovou cenu zřízení, snižují účinnost výroby elektrické energie smy produkují nebezpečné pevné kplné odpdy. Zjímvou lterntivou je použití čisticích procesů, schopných odstrnit prch dehet přípdné dlší nečistoty z vyšších teplot, srovntelných s teplotou plynu vystupujícího ze zplyňovcího rektoru, což umožňuje zchování tepelné energii přímé využití horkého plynu ve vysokoteplotních PČ turbínách. Vysokoteplotní procesy jsou zloženy n postupném odstrňování jednotlivých nežádoucích složek prostřednictvím primární optimlizce chodu generátoru vedoucí ke snížení produkce nežádoucích látek, dále pomocí následné vysokoteplotní filtrce plynu, dsorpce sloučenin síry chloru pomocí ktlytického odstrňování dehtu n niklových ktlyzátorech. Vysokoteplotní proces má univerzální povhu je vhodný i pro čištění středně výhřevného plynu vznikjícího zplyňováním biomsy vodní prou kyslíkem, což umožňuje použití dného plynu pro výrobu náhrdních plynných kplných pliv 6,9,10. Závěr Bioms je v podmínkách ČR hlvním lterntivním zdrojem energie. Nízká plošná hustot dostupnosti biomsy lokální chrkter ji dělá vhodným zdrojem pro výrobu energie v mlých středních zřízeních. Bohužel, vyšší cen biomsy nedostupnost technologií vhodných pro výrobu energie v mlých středních zdrojích dělá tento potenciál stále nevyužitým. Trnsformce energie obsžené v biomse prostřednictvím zplyňovní následného vysokoteplotního čištění je technologií vhodnou pro využiti obrovského potenciálu biomsy jk pro přímou výrobu elektrické energie v mlých středních zdrojích, tk i pro dlší výrobu náhrdních plynných kplných pliv. Autoři děkují Grntové gentuře České Republiky z poskytnutí finnční podpory prostřednictvím grntu č. 104/04/0829 MŠMT ČR z prostředky poskytnuté v rámci výzkumného záměru MSM PČ typu SOFC MCFC, b celková sír, c celkový chlor, d zvyšuje emise NO X, e uveden hmotnostní obsh, n.d. hodnot není limitován s23

5 LITERATURA 1. Aitken W. D.: Trnsitioning to Renewble Energy Future. ISES, Freiburg Renewbles in Globl Energy Supply, IEA Fct Sheet, IEA, Noskievič P., Kminský J.: Reálné možnosti obnovitelných zdrojů v České republice. VŠB Ostrv, VEC Informce o potenciálu obnovitelných zdrojů v ČR, dokument MŽP ČR, Wlsh M. J.: Biomss Feedstock Avilbility in the United Sttes: 1999 Stte Level Anlysis. ORNL, Ok Ridge Skoblj S.: Doktorská disertční práce. VŠCHT, Prh Alkngs E.: The Europenbioenergy mrkets nd trde of biofuels, Nordic Bioenergy Conf., October 2005, Trondheim, Norsko. 8. Hofbuer H.: Proceedings of 16 th Interntionl Congress of Chemicl nd Process Engineering, CHISA 2004, August 2004, Prgue, s Prh Hejdová P.: Proceedings of 7 th Conference New Trends in Technology System Opertion, (Hloch S., ed.), Přerov, říjen 2005, s Přerov Mršák J., Skoblj S.: Chem. Listy 96, 813 (2002). S. Skobli, D. Tenkrát, M. Vosecký,b, M. Pohořelý b, M. Lisý c, M. Blš c, nd O. Prokeš ( Dept. of Gs, Coke nd Air Protection, Institute of Chemicl Technology, Prgue, b Institute of Chemicl Process Fundmentls, Acdemy of Sciences of the Czech Republic, c Dept. of Power Engineering, Brno University of Technology): Using of Biomss Like Renewble Energy Source Biomss surely represents the min RES in present time both in the Czech Republic nd in the whole world. The key topics of its prcticl utiliztion re from one side its vilbility nd price, nd from the other unvilbility of chep nd effective technology of electric energy production. This contribution dels first of ll these criticl questions, describes present sitution nd lst but not lest discusses prospects of future development. Biomss gsifiction with following utiliztion of produced gs for electricity production vi modern processes with higher efficiency in comprison with clssicl combustion cycles cn be ccording to us the most suitble technology for this im. Produced gs cn be used mong others for production of liquid nd gseous synthetic fuels, which cn be used s substitute of fossil fuels. The development of n effective nd low-cost clening process is therefore the bsic tsk of present time. s24