Využití biomasy pro výrobu biopaliva Bakalářská práce

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky Využití biomasy pro výrobu biopaliva Bakalářská práce Vedoucí práce: Bc. Ing. Zdeněk Konrád, Ph. D. Vypracovala: Dana Vránová Brno 2013

2 ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE 2

3 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Využití biomasy pro výrobu biopaliva vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. 3 dne podpis..

4 PODĚKOVÁNÍ Ráda bych touto cestou poděkovala Bc. Ing. Zdeňku Konrádovi, Ph.D. za odborné vedení při zpracování bakalářské práce. 4

5 ABSTRAKT V práci jsou vymezeny základní pojmy v oblasti zpracování biomasy ve vztahu k platným právním předpisům. Úkolem této práce je uvést možnosti využití biomasy jako alternativní zdroj energie, pro výrobu biopaliv. Jsou zde popsány technologické přeměny biomasy za účelem výroby biopaliva. Dále jsou v publikaci konkrétní situace použití biopaliv a jejich srovnání vůči palivům z neobnovitelných zdrojů. Klíčová slova: biomasa, biopaliva, obnovitelné zdroje energie ABSTRACT The bachelor's thesis defines basic concepts in the processing of biomass in relation to the existing legislations. The goal of this work is to introduce the potential of biomass as an alternative energy source for the production of biofuels. There are described the technological transformation of biomass for the production of biofuels. Furthermore, the publication contain specific situations and use of biofuels compared to fuels from renewable resources. Keywords: biomass, biofuels, renewable energy 5

6 Obsah 1 ÚVOD CÍL PRÁCE LITERÁRNÍ PŘEHLED Obnovitelné zdroje energie Potenciál obnovitelných zdrojů energie Co je to biomasa Podmínky vzniku biomasy Rozdělení biomasy Záměrně pěstovaná biomasa Odpadní biomasa Klasifikace tuhé biomasy podle původu a zdroje Dřevní biomasa Bylinná biomasa Ovocná biomasa Vymezení základních pojmů v oblasti zpracování biomasy ve vztahu k platným právním předpisům Zákon č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší Zákon č. 165/2012 Sb., o podporovaných zdrojích energie a o změně některých zákonů Zákon č. 351/2012 Sb., o kritériích udržitelnosti biopaliv Možnosti využití biomasy pro výrobu biopaliva Procesy při zpracování biomasy Spalování Anaerobní fermentace Pyrolýza Zplyňování Rostliny a energie Biopaliva Dělení biopaliv Biopaliva tuhá Dřevní štěpka Pelety

7 Brikety Biopaliva kapalná Bioetanol (obecně kvasný líh) Bionafta Biopaliva plynná Bioplyn Dřevní plyn MOŽNOSTI VYUŽÍTÍ BIOPALIV V PRAXI Využití pevných biopaliv Zařízení na spalování kusového dřeva Zařízení na spalování dřevní štěpky Zařízení na spalování slámy Zařízení na spalování pelet Zařízení na spalování briket Třebíčská teplárenská společnost TTS energo s. r. o Automatický kotel s hořákem FERROLI Kadria s.r.o Zplyňovací kotel DC 30 RS ATMOS Využití kapalných biopaliv Čistý řepkový olej jako motorové palivo Metylester řepkového oleje (MEŘO) jako motorové palivo Bioetanol jako motorové palivo Osobní automobil Škoda Octavia 1.6 MPI Multifuel Využití plynných biopaliv Výroba bioplynu v bioplynových stanicích Schéma zařízení pro výrobu bioplynu hlavní části Bioplynová stanice v Budišově DISKUSE Zhodnocení tuhých biopaliv Porovnání kotlů a více typů paliv Zhodnocení kapalných biopaliv Zhodnocení plynných biopaliv ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM TABULEK

8 9 SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM PŘÍLOH

9 1 ÚVOD Předmětem této bakalářské práce je biomasa a její využití jako biopalivo. Energie z fosilních paliv (ropa, zemní plyn aj.) je v dnešní době stále využívaná v obrovské míře a zásoby těchto neobnovitelných zdrojů energie rapidně klesají. To mimo jiné vede ke zvyšování cen fosilních paliv. Touto problematikou a možnostmi využívání alternativních zdrojů (energie biomasy, větru, vody, slunečního záření, přílivu oceánů apod.) jako paliva, se v současnosti zabývá mnoho odborníků. Využití rostlinné i živočišné biomasy jako zdroj při výrobě biopaliv je velice zajímavé téma, především aktuální. Zpracování organických materiálů, které by se jinak nevyužily, vede ke zvyšování ekonomiky. Ve své práci se zaměřím na možnosti využití biomasy pro výrobu biopaliv a její technologie zpracování. Využívání paliv z biomasy směřuje ke snižování negativních vlivů na životní prostředí. Omezuje se produkce skleníkových plynů, emise oxidu uhličitého a dalších. Zvýšeným používáním biopaliv by mělo vést k ustálení klimatu, zmírnění globálního oteplování a dalších antropogenních změn. Pojmem biomasa je označován biologický materiál, rostlinného či živočišného původu. Tento materiál může být záměrně pěstovaný (energetické plodiny a dřeviny) nebo jsou využívané odpady z různých výrob (zemědělství, zvířecí exkrementy, potravinářský průmysl, péče o městskou zeleň atd.). Záměrně pěstovaná biomasa je navíc ukazatelem efektivního využití půdy. Biopalivo může mít mnoho podob a využití. Tuhými biopalivy rozumíme např. dřevní štěpku, brikety, pelety, slámu. Kapalná biopaliva jsou bionafta a bioetanol. Bioplyn a dřevní plyn jsou paliva plynná. Energie vytvořená z biomasy se využívá především k vytápění budov, ohřevu vody či jako elektrická energie a její všestranné využití. Vstupem České republiky do Evropské unie se stát zavazuje k plnění mnoha požadavků. V roce 2010 měla výroba elektrické energie z obnovitelných zdrojů tvořit 8 % z celkové produkce elektrické energie. To se podařilo přibližně splnit. Rokem 2020 by tato část výroby elektrické energie z alternalivních zdrojů měla být 13,5 %. V roce 2011 Skupina ČEZ vyprodukovala v elektrárnách z biomasy, na území České republiky, cca 428 GWh elektřiny. 9

10 2 CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce je vymezit základní pojmy v oblasti zpracování biomasy ve vztahu k platným právním předpisům. S využitím informačních zdrojů, popsat možnosti využití biomasy pro výrobu všech druhů pevných, kapalných a plynných biopaliv. A uvést praktické příklady s obrázkovými přílohami. Dalším úkolem bakalářské práce je provést rekapitulaci získaných informací, doporučení pro další vývoj této problematiky a formulace závěrů. 10

11 3 LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Obnovitelné zdroje energie Obnovitelné zdroje energie jsou takové zdroje, které se při jejich čerpání, samy nebo s pomocí člověka, obnoví a nejsou vyráběné z ropy. Jedná se o energii větru, Slunce, vody, biomasy, přílivu a odlivu oceánů aj. 3.2 Potenciál obnovitelných zdrojů energie Efektivnost využívání obnovitelných zdrojů energie (dále jen OZE) je možné posuzovat podle několika parametrů. Z hlediska ekologie lze využíváním OZE předcházet vzniku emisí, omezit negativní dopady alternativních paliv, pomáhají řešit jiné ekologické problémy (zpracovávání odpadů). Z ekonomických hledisek jsou některé druhy alternativních zdrojů energie náročné pouze počátečními investicemi, ale následovně žádnou péči nevyžadují. Zpracování materiálu, který by se jinak již nevyužil, je možné efektivně využít. Silné je také strategické měřítko. Odpoutání závislosti na dovozu paliv, snižuje zranitelnost státu. OZE a jejich zpracování vede k vytváření pracovních míst a posiluje tak sociální pilíř (Kára, 1994). Česká republika, jako členský stát Evropské unie, má povinnost, při výrobě elektrické energie, využívat obnovitelné zdroje. Odhad příspěvku výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů (z biomasy) v ČR je zobrazen v tabulce č. 1. Tabulka č. 1: Odhad příspěvku výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů (z biomasy) v ČR (zdroj: vlastní zpracování) Rok/ jednotka MW GWh MW GWh MW GWh MW GWh MW GWh MW GWh Biomasa (celkem) Pevná biomasa Plynná biomasa Rok/ jednotka MW GWh MW GWh MW GWh MW GWh MW GWh MW GWh Biomasa (celkem) Pevná biomasa Plynná biomasa 11

12 3.3 Co je to biomasa Biomasa je definována jako hmota biologického původu. Biomasa se získává záměrně výrobní činností nebo se jedná o využití odpadů ze zemědělské, lesní a potravinářské výroby, dále z komunálního hospodářství, z údržby krajiny a péči o ni (Pastorek, Kára, 2004). Biomasa je tvořena rostlinnou i živočišnou hmotou. Rostlinná biomasa je z chemického hlediska tvořena širokou škálou sloučenin. Největší význam má celulóza, škrob, lignin, oleje a pryskyřice (Murtinger, Beranovský, 2006). 3.4 Podmínky vzniku biomasy V přírodě neustále probíhají biochemické reakce, během kterých dochází k oběhu biogenních prvků. Při těchto reakcích se přeměňuje sluneční energie na energii chemickou, která je využívána jako zdroj energie při biochemických procesech. Hlavní úlohu má fotosyntéza a fotochemické reakce. 3.5 Rozdělení biomasy Biomasa se dá dělit podle různých hledisek. Biomasa, která se využívá pro energetické účely, se dělí na biomasu záměrně pěstovanou a biomasu odpadní Záměrně pěstovaná biomasa Tato biomasa je tvořena složkami záměrně pěstovanými k tomuto účelu. Je to například obilí, cukrová řepa, cukrová třtina, brambory, olejniny, energetické dřeviny (topoly, olše, vrby). U energetických dřevin je žádoucí vysoký obsah sušiny v době sklizně, vysoká výhřevnost a nízký obsah popela, nenáročnost na vodu a živiny, odolnost proti škůdcům a chorobám Odpadní biomasa Je chápána jako biomasa, která již byla člověkem nějak (jinak než energeticky) využita nebo sloužila primárně k jiným účelům, než je produkce energie. Jedná se především o odpady která, nějak využívají nebo zpracovávají biomasu: rostlinné odpady ze zemědělské prvovýroby (řepková, kukuřičná a obilná sláma, seno), odpady z údržby krajiny, sadů, vinic a travnatých ploch (prořezy, křoviny, náletové dřeviny, opad ze sadů a vinic), odpady z těžby dřeva (kůra, vršky stromů, šišky, pařezy), odpady 12

13 z potravinářské a průmyslové výroby (z jatek, mlékáren, lihovarů, konzerváren, cukrovarů, dále hobliny, piliny), odpady z živočišné výroby (kejda, hnůj, zbytky krmiv) (Murtinger, Beranovský, 2006). 3.6 Klasifikace tuhé biomasy podle původu a zdroje Dřevní biomasa Je tvořena lesním a plantážovým dřevem, které může být upraveno pouze redukcí velikosti částic, odkorněním, vysušením nebo zvlhčením. Zde je zahrnuto dřevo z lesů, parků, plantáží a rychle rostoucí stromy (Malaťák, Vaculík, 2008). Dále je dřevní biomasa tvořena dřevem ze dřevozpracujícího průmyslu. Tím jsou myšleny vedlejší dřevní produkty a dřevní zbytky během výroby. Jedná se o chemicky neošetřené dřevní zbytky nebo chemicky ošetřené zbytky, které neobsahují těžké kovy a halogenované organické sloučeniny (Malaťák, Vaculík, 2008). Zahrnuje také použité dřevo od zákazníků nebo společností. S ohledem na ošetření dřeva, se používají stejná kritéria, jako pro dřevo z dřevozpracujícího průmyslu (Malaťák, Vaculík, 2008) Bylinná biomasa Tato skupina zahrnuje zemědělské a zahradní byliny. Materiál se získává přímo ze zemědělských a zahradnických polí, zahrad a parků. Je redukovaný, podle velikosti částic a sušen (Malaťák, Vaculík, 2008). Jako další sem spadají zbytky z průmyslu zpracovávajícího byliny. Jedná se o materiál, který vznikl během manipulace a ošetření. Jsou to například zbytky z výroby cukru z cukrové řepy a zbytky z ječného sladu z výroby piva (Malaťák, Vaculík, 2008) Ovocná biomasa Zde je zahrnuto sadové a zahradní ovoce ze stromů, keřů, bylin. Dále zde patří zbytky z průmyslu zpracovávající ovoce. Jedná se o hmotu vzniklou při průmyslové manipulaci a ošetření. Příkladem mohou být rostlinné zbytky z lisování olejů, výroby džusů, přesnídávek. 13

14 3.7 Vymezení základních pojmů v oblasti zpracování biomasy ve vztahu k platným právním předpisům Zákon č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší Ochranou ovzduší se rozumí předcházení znečišťování ovzduší a snižování úrovně znečišťování tak, aby byla omezena rizika pro lidské zdraví způsobená znečištěním ovzduší, snížení zátěže životního prostředí látkami vnášenými do ovzduší a poškozujícími ekosystémy a vytvoření předpokladů pro regeneraci složek životního prostředí postižených v důsledku znečištění ovzduší. Zákon zapracovává příslušné předpisy Evropské unie. (Zákon č. 201/2012 Sb., 1, odstavec 1, 2) Pro účely zákona o ochraně ovzduší se rozumí: Znečišťující látka je látka nacházející se v ovzduší, která má nebo může mít škodlivé účinky na lidské zdraví, negativní dopad na životní prostředí či obtěžuje zápachem. Znečišťováním se rozumí vnášení jedné nebo více znečišťujících látek do ovzduší. Úrovní znečištění se udává hmotnostní koncentrace znečišťující látky uvolněné do ovzduší nebo její následná depozice na povrch Země jednotku času. Spalovací stacionární zdroj je dále nedělitelné zařízení nebo soubor zařízení spalovacích technologických procesů, jehož účelem je uvolňování tepla při oxidaci paliva. Emisním limitem je nejvyšší přípustné množství znečišťující látky nebo soubor těchto látek, uvolňované do ovzduší spalovacím stacionárním zdrojem. Emisním stropem nejvyšší možné množství znečišťujících látek nebo soubor těchto látek uvolněné do ovzduší za kalendářní rok. Imisním limitem nejvyšší přípustnou úrovní znečištění ovzduší, která je stanovená zákonem o ovzduší. (Malaťák, Vculík, 2008, Zákon č. 201/2012 Sb.) 14

15 3.7.2 Zákon č. 165/2012 Sb., o podporovaných zdrojích energie a o změně některých zákonů Tento zákon zpracovává příslušné předpisy Evropské unie a upravuje: Podporu elektřiny, tepla a biometanu z obnovitelných zdrojů energie, druhotných obnovitelných energetických zdrojů. Normy pro vydávání, evidenci a uznávání záruk původu energie z obnovitelných zdrojů. Normy pro vydávání osvědčení o původu energie. Účelem tohoto zákona je v zájmu ochrany klimatu a životního prostředí: Pomoci využití obnovitelných zdrojů, druhotných zdrojů, vysokoúčinné kombinované výroby elektřiny a tepla, biometanu a decentrální výroby elektřiny. Opatřit zvyšování podílu obnovitelných zdrojů na spotřebě primárních energetických zdrojů k získání stanovených cílů. Napomoci k šetrnému využívání přírodních zdrojů a k trvale udržitelnému rozvoji společnosti. Splnit podmínky závazného cíle podílu energie z obnovitelných zdrojů na hrubé konečné spotřebě energie v České republice. Základní pojmy pro účel tohoto zákona: obnovitelné zdroje přírodní nefosilní energetické zdroje. Patří mezi ně hlavně energie větru, slunečního záření, biomasy, vody, geotermální energie. biomasa směs biologicky rozložitelného materiálu, která vznikla během zemědělské výroby, lesnictví a příslušných částí hospodářství, část průmyslových a komunálních odpadů, které je možné využít jako palivo a tím využít jeho energetickou hodnotu bioplyn plynné palivo, které bylo vyrobeno z biomasy za účelem výroby elektrické energie, tepla či biometanu zelený bonus na elektřinu finanční částka, která slouží k podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů (Zákon č. 165/2012 Sb.) 15

16 3.7.3 Zákon č. 351/2012 Sb., o kritériích udržitelnosti biopaliv Biopaliva splňují kritéria udržitelnosti, pokud mají nižší emise skleníkových plynů a pokud biomasa použitá při jejich výrobě odpovídala normám zemědělské politiky Evropské unie. Biopaliva, která jsou vyrobená z odpadu zemědělské výroby, musí splňovat následující podmínky: úspora emisí do 31. prosince 2016 ve výši 35 %, dále pak 50 % od l. ledna 2017 a 60 % od 1. ledna Poslední podmínka 60 % je platná pouze pro biopaliva vyrobená ve stacionárním zdroji, který byl uveden do provozu nejdříve 1. ledna (Zákon č. 351/2012 Sb.) 3.8 Možnosti využití biomasy pro výrobu biopaliva Nejstarší využití biomasy je jako potrava. Dále je spotřebovávaná k výrobě tepla, které je využito při vařeni, vytápění a ohřívání vody. Biomasa je užívaná jako zdroj k výrobě elektrické energie, biopaliv pro dopravní prostředky a také jako surovina pro průmysl (papír, buničina, výroba stavebních hmot aj.) (Murtinger, Beranovský, 2006). Vhodnost biomasy pro jednotlivá využití jsou také daná stupněm vlhkosti a obsahem sušiny. Např. čerstvé rostliny obsahují značné množství vody, proto je nutné biomasu nechat nejprve sušit na obsah vlhkosti pod %. K sušení dochází, buď samovolně na vzduchu nebo při snaze dosáhnout i nižšího obsahu vody, pomocí vyšší teploty a tím je spotřebováno určité množství energie. Často je takto využíváno odpadní teplo, solární energie aj. (Murtinger, Beranovský, 2006). Při obsahu sušiny v biomase nad 50 % to je tzv. suchý proces, při kterém dochází k získávání energie z biomasy. V tomto případě se biomasa spaluje anebo zplyňuje. A při obsahu sušiny pod 50 % se jedná o tzv. mokrý proces a biomasa je alkoholově zkvašována ( Biomasa jako zdroj pro výrobu biopaliv, má mnoho výhod díky svému složení. Je to např. nízký obsah síry, těžkých kovů. Jejich množství je ovlivněné typem rostliny a její schopnost vázat těžké kovy ve svých pletivech a složením půdy, na které vyrostla. Těžké kovy se po spálení vyskytují v popelu, který se ukládá na skládky. Biomasa je obnovitelný zdroj energie a v průběhu jejího růstu využívá CO 2 z atmosféry (Murtinger, Beranovský, 2011). 16

17 metan vázané teplo etanol, metylalkohol vázané teplo hořlavý plyn-metan pevné palivo, plyn, dehtový olej olej, metylester vázané teplo anaerobní fermentace aerobní fermentace alkoholové kvašení spalování zplaňování pyrolýza esterifikace olejů zisk odpadního tepla Tabulka č. 2: Způsobilost biomasy pro různé typy konverzí (zdroj: Pastorek, Kára, Typ biomasy Jevič, 2004, vlastní zpracování) Mokré procesy Suché procesy Jiné procesy Energetické plodiny s lignocelulózou (dřevo, sláma, B B A C A A - A obiloviny, pícniny) Olejniny (řepka, slunečnice) B - - B - - C - Energetické plodiny škrobnaté, cukernaté (obiloviny, brambory, cukrová řepa) A C C A A A - - Odpady z živočišné výroby (mléčné o., exktementy) C - - A A A - B Organický odpad z potravinářské výroby C B B A A Odpad ze zpracování dřeva C B B - - Odpad z lesnictví B - - C B B - A Rostlinný odpad z údržby krajiny B - - C A A - A Organická část komunálních odpadů C - - C B B - A Získané produkty Legenda: A - nepoužívá se, ale jedná se o technologii zvládnutelnou B - použitelné, ale dle technicko-ekonomických podmínek C - často využívaná technologie - - nelze použít, nevyužívá se 17

18 3.8.1 Procesy při zpracování biomasy Pro zvolení vhodné technologie ke zpracování biomasy, slouží její fyzikální a chemické vlastnosti. Mezi tyto hlavní vlastnosti patří obsah sušiny a vody (volné, vázané). Pro konverzi biomasy slouží tzv. mokré a suché procesy. Typy zpracování biomasy za účelem využití její energie se dělí podle Pastorka, Káry, Jeviče (2008, s. 13) na: Termochemická přeměna biomasy (suchý proces) - spalování - pyrolýza - zplyňování Biochemická přeměna biomasy (mokrý proces) - anaerobní fermentace - aerobní fermentace Fyzikálně-chemická přeměna biomasy - esterifikace bioolejů Fyzikálně-mechanická přeměna biomasy - drcení - mletí Spalování Spalování je proces, při kterém se hořlavé látky paliva slučují s kyslíkem. Během spalování se uvolňuje teplo. Během spalování probíhají exotermické oxidační reakce, endotermické reakce tepelného rozkladu, fyzikální pochody směšování palivových a vzduchových proudů, výměna hmot a tepla aj. (Malaťák, Vaculík, 2008, s. 48). Nejprve dochází k vysušování biomasy vlivem působení tepla. Voda se odpařuje, vznikají obláčky páry a dále se uvolňují prchavé látky, jako jsou např. pryskyřice. Dochází k tepelnému rozkladu látek. Vzniklé hořlavé plyny sloučené s kyslíkem hoří dlouhým plamenem. Při procesu nedochází ke spálení všech spalitelných plynů, ale pouze části z nich, protože k úplnému spálení chybí dostatečně vysoká teplota a množství kyslíku. K ideálnímu spalování je nutné zajistit, aby byla dostatečně vysoká teplota ve spalovací komoře. Pokud tomu tak není, pak vháněním nadbytku vzduchu se plamen ochladí. Naopak při nedostatku vzduchu nedojde k úplnému spálení všech spalitelných plynů. Do plamene je vháněn tzv. sekundární vzduch, který způsobí 18

19 dohoření všech nespálených plynů. Takto spálená biomasa uvolní energii a komínem odchází pouze oxid uhličitý a vodní pára (Murtinger, Beranovský, 2006). Při spalování je nutná dostatečná délka plamene a vysoká teplota, proto je potřebné velké ohniště a umístění teplosměnné plochy až za koncem plamene, aby plamen nebyl ochlazován a netvořily se saze, které snižují účinnost spalování (Murtinger, Beranovský, 2006). Pyrolytické spalování je účinné spalování, během kterého je produkováno menší množství škodlivých emisí. Topeniště je rozděleno na dvě části. V horní komoře dochází k první fázi hoření. Při omezeném přístupu vzduchu probíhá odpařování vody, těkavých složek a částečně i k hoření. Vzniklé plyny pronikají keramickou tryskou do druhé komory, která je keramická, a za přívodu sekundárního množství vzduchu hoří plamenem o teplotě přes 1000 C. Vysoká účinnost a nízký obsah škodlivých látek ve spalinách je z důvodu průchodu veškerých plynů přes druhou komoru kotle (Murtinger, Beranovský, 2006). Spalováním biomasy vzniká jemný polétavý popílek, který může zanášet kouřové tahy a teplosměnné plochy. Odlučování popílku je možné např. cyklonovými filtry (Murtinger, Beranovský, 2006). Rostlinný a živočišný materiál, včetně jejich zbytků a odpadů, je organický materiál, který reaguje s kyslíkem a tím dochází ke spalování a následkem této reakce se uvolňuje teplo (Twidell, Weir, 2005) Anaerobní fermentace Anaerobní fermentace je biochemický proces, který probíhá bez přístupu kyslíku. Dochází k mikrobiálnímu rozkladu látek. Do reakce vstupuje vlhký organický materiál, projde několika fázemi anaerobní fermentace a výsledkem reakce je bioplyn a fermentovaný materiál. Základní fáze reakce: I. fáze: Hydrolýza materiál je v prostředí se vzdušným kyslíkem a obsahuje nad 50 % vlhkosti z celkového hmotnostního podílu. Díky přítomným mikroorganismům dochází k rozkladu polymerů na organické monomery. II. fáze: Acidogeneze na začátku této fáze může materiál stále obsahovat zbytky vzdušného kyslíku, ale dále vznikne prostředí zcela bezkyslíkaté 19

20 (anaerobní). Zajistí to fakultativní anaerobní mikroorganismy, které jsou aktivní v prostředí kyslíkatém i bezkyslíkatém. III. fáze: Acetogeneze acidogenní kmeny bakterií vytváří z vyšší organické kyseliny kyselinu octovou, vodík a oxid uhličitý. IV. fáze: Metanogeneze metanogenní bakterie rozkládají kyselinu octovou na metan, oxid uhličitý. Z oxidu uhličitého a vodíku vytvářejí hydrogenotrofní bakterie metan. Obrázek č. 1: Schéma anaerobního rozkladu za tvorby bioplynu (zdroj: Ryant, P., Anaerobní digesce, 2010) Pro správný průběh anaerobní fermentace jsou důležité podmínky: Vlhkost materiálu nad 50 % z celkové hmotnosti, záleží ale na druhu materiálu. Např. optimální hodnotou pro kejdu je obsah sušiny pouze 8 až 12 %, pro slamnatou mrvu 22 až 25 %. Nižší hodnoty sušiny zvyšují technologické ztráty tepla a vyšší hodnoty způsobují zpomalování procesu rozkladu pro nedostatečné množství vody (Pastorek a kol, 1999). Teplota materiálu se během anaerobní fermentace mění. Práce různých kmenů bakterií je vázaná k určité teplotě. Teplota pod 4 C způsobuje ukončení produkce bioplynu. Teplota nad 60 C má účinek inhibiční. Optimální poměr látek C:N se uvádí 20 až 30:1. Je dán složením fermentovaného materiálu. 20

21 Ideální hodnota ph se během průběhu fází mění. V úvodu je vyžadována hodnota v rozmezí ph 4,5 až 8,0. Metanogenní kmeny bakterií pro svoji práci vyžadují ph 6,7 až 7,6 a vyšší kyselost je inhibuje. Složení bioplynu je dáno materiálovým složením a procesními parametry. Je to směs plynů, která obsahuje 55 až 77 % metanu, 25 až 40 % oxidu uhličitého a 1 až 3 % minoritních plynů (dusík, sulfan, vodík aj.) Pyrolýza Pyrolýza je termický rozklad organických látek na látky jednodušší bez přístupu vzduchu. Dle druhu materiálu, který do reakce vstupuje a jaký výsledný produkt vyžadujeme, se liší podmínky pyrolýzy. Může probíhat v tlaku atmosférickém, sníženém i zvýšeném za vysokých či nízkých teplot. Rozmezí teplot je 350 až 800 C. Výsledkem reakce je plyn, olej, dehet, koks. Poměrové složení těchto látek je dáno podmínkami během pyrolýzy a to teplotou, vstupními surovinami a jejich strukturou (jemnost namletí), dobou zpracování, ochlazováním a dělením plynů i kapalin (Sladký, 1998). Proces pyrolýzy se dělí do tří dílčích kategorií dle použitých teplot, na nízkoteplotní ( 500 C), středněteplotní (500 až 800 C) a vysokoteplotní pyrolýzu ( 800 C) (Staf M., Skoblja S., Buryan P., 2003). Během procesu se mění teplota a ta udává druh a množství uvolňované látky. Zvyšující se teplota nad 400 C nevede k bouřlivé tvorbě oxidu uhličitého. Množství uvolněného oxidu uhelnatého je ovlivněné přítomností daných funkčních skupin. Překročením teploty nad 500 C je způsoben nárůst tvorby vodíku. Při dosažení teploty nad 400 C dochází ke tvorbě významného množství metanu a při vzrůstající teplotě, se množství metanu v celkovém objemu vzniklého plynu, zvyšuje ( Tzv. rychlá pyrolýza je technologie měnící biomasu na jiné látky (plyny, kapaliny či pevné látky). Její primární produkt je bioolej, což je tmavá kapalina o výhřevnosti 16 až 19 kj/kg. Pro výrobu této kapaliny o dobrých vlastnostech je nutný nízký obsah vody ve vstupní biomase, počáteční teplota procesu přeměny musí být dostatečně vysoká a v koncové části procesu musí dojít k prudkému ochlazení vzniklé látky. Tzv. pomalou pyrolýzou dochází ke karbonizaci, která je používána hlavně k produkci dřevěného uhlí. 21

22 Zplyňování Jedná se o termochemickou reakci (suchý proces), která probíhá za teplot vyšších než 600 C. Dochází k přeměně pevných nebo kapalných uhlíkatých látek na energeticky výhřevný plyn. Tento plyn se skládá převážně z H 2, CO, CH 4 dále pak z H 2 O, CO 2, N 2. Součástí plynu jsou nečistoty (dehet, prach, sloučeniny síry aj.). Ve většině případů dochází ke zplyňování biomasy za přístupu vzduchu. Tato termochemická reakce má určitý průběh. Počátkem reakce je sušení organického materiálu a následuje pyrolýza. Dále pak dochází k oxidační reakci, koncovou částí zplyňování biomasy je redukce. Základními způsoby zplyňování je zplyňování v generátorech s pevným ložem a zplyňování ve fluidních generátorech. První způsob zplyňování využívá protiproudový a souproudý zplyňovač. V protiproudovém zplyňovači se může zplyňovat i materiál o vyšší relativní vlhkosti. Jeho konstrukce a obsluha je levná. Negativem tohoto zplyňování je, že vzniká plyn, který obsahuje velké množství dehtu a pro většinu následného využití, je nutné ho vyčistit. Souproudý zplyňovač má spalovací (oxidační) zónu nad redukční, výpusť vzniklého plynu je na dně nádoby. Díky tomuto uspořádání zón, vzniklý dehet prochází přes spalovací zónu a až po té opouští zplyňovací zařízení. Takže proti zplyňovači protiproudovému je vzniklý plyn již bez dehtu (v ideálním případě) (Pastorek, Kára, Jevič, 2004). Zplyňování ve fluidním zplyňovači probíhá za teploty 850 až 950 C. Souběžně zplyňování probíhá za atmosférického tlaku a za zvýšeného tlaku až na 2,5 MPa. Dnes je upřednostněno fluidní zplyňování za atmosférického tlaku, protože za zvýšeného tlaku jsou podávány nižší jednotkové výkony ( Rozklad biomasy zplyňováním je ekologické, tento proces není náročná na kvalitu vstupních materiálů, údržby ani obsluhy. Touto cestou lze vytěžit maximum energetické hodnoty ze vstupního materiálu. Vůči jiným technologiím na zpracování biomasy není tak finančně náročná ( 3.9 Rostliny a energie Využívání rostlin k výrobě energie se vyvíjí různými směry. Pro různé typy využívání se často šlechtí nové odrůdy rostlin, aby následně vykazovaly mimořádné vlastnosti. U rostlin jsou vyžadovány určité vlastnosti. Jde např. o potřebu, co nejnižších a nejméně nákladných prací při pěstování rostliny (příprava půdy před setím či sázením, 22

23 setí, sázení, ochranu, sklizeň), nízká doba sušení, vysoký obsah sušiny a nízký obsah vody v rostlině, výhřevnost, vysoká schopnost pohlcování solární energie, nízká tvorba vzniku znečišťujících a škodlivých látek, které vznikají při zpracování a spalování rostlin, působící na životní prostředí či zdraví člověka. Mezi rychlerostoucí dřeviny, využívané pro výrobu biopaliv, patří odrůdy vrb, topolů aj. Energetické byliny a traviny pro využití jako biopalivo jsou vyšlechtěné odrůdy Krmného šťovíku, Čiroku, Chrastice rákosovité, Ovsíku vyvýšeného, Psinečka velkého, Kostřavy rákosovité, Konopí setého, Ozdobnice čínské aj. ( Tyto rostliny slouží ke zpracování, buď v zeleném stavu (např. výroba bioplynu) nebo po sušení či jiné úpravě (výrova briket, pelet). K využití energie z biomasy dochází přímým spalováním pevné biomasy či nepřímou termochemickou konverzí, která převádí palivo do kapalné nebo plynné formy (McGowan, 2009) Biopaliva Biopalivem označujeme takové palivo, které bylo vyrobeno z upravené biomasy. Tyto zdroje patří mezi obnovitelné. Úpravy biomasy mohou být různé mechanické (mletí, drcení), chemické, termochemické, mechanicko-chemické či biochemické (spalování, pyrolýza, anaerobní fermentace, zplyňování, lisování) ( Použitím různých technologií při úpravě biomasy, se snažíme o možnosti náhrady neobnovitelných zdrojů a o celkově ekologičtější přístup k přírodě a jejímu bohatství. V současné době rozlišujeme biopaliva první a druhé generace. Pro výrobu biopaliv první generace se využívá materiál, který je možné využít i pro výrobu krmiv a potravin. Řadí se zde obilí, cukrová řepa i třtina, kukuřice, ze kterých se vyrábí bioetanol. Z vylisovaných olejnin (slunečnice) se vyrábí metylester mastných kyselin, dále zbytky řepky olejné k výrobě metylesteru řepkového oleje (MEŘO) aj. Naopak biopaliva druhé generace jsou z takových surovin, které se dále nedají využít k výrobě potravin či krmiv. Tyto materiály vznikají z lesní těžby, pilařského zpracování dřeva, ze zemědělství (seno, sláma), biologicky rozložitelný odpad z domácností, odpad z úpravy městské zeleně (z prořezávky stromů či keřů, ze seče trávníků), energetické rostliny (šťovík, konopí, čirok, křídlatka), rychlerostoucí dřeviny (topoly, vrby). Tyto suroviny pak slouží k výrobě bioetanolu, motorové bionafty, biometanolu aj. Vyšší transformační potenciál mají plodiny druhé generace. Přibližně pro výrobu 1 tuny 23

24 biopaliva je zapotřebí 5 tun biomasy. Energetické plodiny druhé generace však mají potřebu složitějších technologických procesů ( Dělení biopaliv Biopaliva můžeme rozdělit podle jejich konzistence do tří základních skupin a to na biopaliva plynná, kapalná a tuhá Biopaliva tuhá Zdrojem pro výrobu tuhých biopaliv, jsou využívány různé druhy rostlin, jako je např. řepka, konopí, obilniny, len, trávy, rákosovité trávy, křídlatka, topinambur, slunečnice, topoly, vrby, jasany a mnoho dalších listnatých i jehličnatých dřevin. Zvolení vhodné rostliny pro výrobu tuhého biopaliva je dané výhřevností. U výše uvedených zdrojů biopaliv je lignin o výhřevnosti 28 MJ/kg a celulóza s výhřevností 15 MJ/kg. Tyto zdroje biopaliv jsou využívány přímo ke spalování nebo procházejí složitějšími úpravami a zpracováními (Sladký, 1998). Tabulka č. 3: Výhřevnost dřeva v závislosti na objemové hmotnosti a vlhkosti (Pastorek, Kára, Jevič, 2004; vlastní zpracování) Obsah vody [%] Výhřevnost [MJ/kg] Měrná hmotnost [kg/m 3 ] 0 18, , , , , ,0 530 Tuhá paliva se upravují do různých tvarů a velikostí pro snadnější manipulaci, skladovatelnost a výhřevnost paliva. Tuhá paliva se skládají z hořlavé a nehořlavé složky. Kvalita paliva je dána přítomností nehořlavé složky, tato složka je nežádoucí a výrazně ovlivňuje výhřevnost paliva. Nehořlavou složkou jsou popeloviny a voda. Obsah vody v tuhých palivech se liší dle typu materiálu, pohybuje se v rozmezí 0 až 60 %, někdy to může být i více 24

25 (rašelina v neupraveném stavu má až 90 % vody). Procentuální zastoupení této látky v tuhých palivech je také ovlivněno jeho geologickým stářím. Mladší palivo obsahuje vody více. Voda se v palivu vyskytuje ve formě volné a vázané, tyto dva různé stavy vody se odstraňují různými způsoby. Forma volná se z materiálu odstraňuje odstřeďováním, filtrací či odkapáním. Forma vázaná tzv. kapilární (hrubá, hygroskopická, ukludovaná) se z paliva odděluje teplotou (sušení) (Malaťák, Vaculík, 2008). Řezanka se musí uskladnit na zastřešeném místě, aby se vysušila přebytečná voda. Délka uskladnění se odvíjí podle obsahu vody v rostlině. Snížení vlhkosti se provádí přirozeným provětráváním pod rošty s řezankou. Navíc u vlhčích materiálů se mohou použít i provzdušňovací ventilátory. Také balíky biopaliv vyžadují uskladnění pro odstranění přebytečné vody, přestože před balíkováním došlo k předsušení rostlinného materiálu. Vhodné je balíky skladovat na zastřešeném místě jinak, především v zimním období za vyššího obsahu vody, dochází k plesnivění a hnití. Balíky jsou dosušovány na roštech přirozeným provětráváním nebo pomocí ventilátorů. Biomasa ke zhutnění by neměla přesáhnout vlhkost 15 %, aby mohlo dojít ke kvalitnímu slisování. Vstupní materiál pro výrobu briket a pelet musí být vysušený s dezintegrovaný. Z tohoto důvodu je vhodné použít materiál, který tyto vlastnosti nabyl v předchozím technologickém procesu (Malaťák, Vaculík, 2008). Lisováním vzniká zušlechtěné palivo s malým obsahem síry (do 0,07 %), s výhřevností 18 až 20 MJ.kg -1, s relativní vlhkostí 5 až 9 %, s objemovou hmotností 800 až 1000 kg.m 3, se zůstatkem popela do 1,2 %. (Malaťák, Vaculík, 2008, s. 20) Dřevní štěpka Tento typ biopaliva se vyrábí z dřevního materiálu, který byl vyprodukován během lesní těžby, průmyslového zpracování dřeva, popř. ze zpracování rychlerostoucích dřevin, pomocí ostrých řezacích strojů na vhodnou velikost, obvykle 5 až 150 mm. Surový materiál obsahuje více než 55 % vody (objemová hmotnost cca 300 kg/m 3 ), proto je vhodné jej nechat dosušit ještě před zpracováním na dřevní štěpku. Nebo je možné dřevní štěpku nechat dosušit na roštech. Dřevní štěpka má výhřevnost 8 až 15 MJ/kg, objemovou hmotnost cca 250 kg/m 3 a vlhkost 15 až 50 % ( 25

26 Mezi hlavní druhy patří zelená (lesní), hnědá a bílá štěpka. Zelená tzv. lesní štěpka je směs větví, listí, jehličí, které vzniklo po těžbě dřeva. Zbytky kmenů, odřezků a kůry (klíčová složka) jsou součástí hnědé štěpky. Bílá štěpka se získává především z pilařských odřezků bez kůry ( Jedná se o obnovitelný zdroj energie a další výhodou tohoto paliva je nízká cena. Nevýhodou je, díky nízké objemové hmotnosti, velké prostory pro uskladnění tohoto typu biopaliva. Dále musí být zajištěno přirozené či umělé provětrávání skladovacích prostor, protože štěpka má vyšší obsah vody a má tendenci plesnivět a zapařovat se. To také může vést k jejímu samovznícení. Dřevní štěpku je možné vyrobit i doma pomocí tzv. štěpkovače. Tímto způsobem je možné zpracovat zahradní materiál (větve menších průměrů z prořezávky, rychlerostoucí dřeviny) Pelety Pelety patří k nejkvalitnějším biopalivům. Jejich výhodou je vysoká energetická hustota a dobrá skladovatelnost. Toto palivo má nízký obsah vody (do 12 %) a vykazuje se vysokou výhřevností (18 MJ/kg). S peletami se snadno manipuluje a jsou vhodné i pro vzduchotlakovou dopravu, mají velkou objemovou hmotnost (850 kg/m 3 v sypaném stavu). Rozměry pelet jsou malé, průměr 6 mm a dlouhé 5 až 40 mm. Pelety jsou vyráběné z dřevního prachu a jemných pilin, které vznikají při zpracování dřeva (truhlářství aj) (Sladký, 1998). Vstupní materiál (dřevní odpad, piliny, hobliny, kůra, slunečnice, stébelniny) je nutné před lisováním homogenizovat (drtiče, třídiče podle velikosti). Je lisovaný parou pod tlakem, tím se narušují dřevní vlákna a lignin. Tímto způsobem dochází ke zpevnění pelet a zvýšení vodní rezistence. Peletovací stoj obsahuje protlačovací matrici s otvory, z ušlechtilé oceli, přes které je protlačována biomasa. Velikost pelet je daná velikostí otvorů v matrici. Protlačováním vzniká teplo, které působí na strukturu ligninu. Následné ochlazení pelet utuží jejich tvar a pevnost (Malaťák, Vaculík, 2008). Z důvodu vysoké teploty (kolem 90 C) pelet jejich vylisováním, je nutné ochlazení v protiproudovém chladiči na teplotu 30 až 35 C. Po ochlazení následuje třídění, kde se oddělí kvalitní pelety od poškozených či prachových částic (Trenčianský, Lieskovský, Oravec, 2007). Při peletování stébelnin se využívají nejčastěji prstencové protlačovací lisy, které mají větší rozměry lisovacích komůrek (průměr až do 40 mm). Tento typ lisu 26

27 nevyžaduje jemné namletí slámy. Dále se využívá protlačování mezi dvěma ozubenými koly. Hlavním principem tohoto typu peletování je procházení proti sobě plného a dutého zubu a materiál je protlačován ve směru osy otáčení. Tyto lisy jsou schopny zpracovat 1 až 5 tun materiálu za 1 hodinu (Sladký, 1998). Pelety jsou distribuované v pytlích, textilních vacích nebo dovozem nákladními vozy a následně hadicemi s pneumatickým systémem, dodávány na požadované místo uskladnění. Musí být skladovány na zastřešeném místě a v suchu. Jinak podléhají okolním vlivům a dochází k jejich rozpadu. Využívají v automatických systémech spalování v kotlích převážně v rodinných domcích. Spalováním pelet vzniká pouze 0,5 až 1 % odpadu (popela), který se dá využít v zahradnictví jako minerální hnojivo. Nevytváří se kouř, pouze bezbarvý oxid uhličitý, vodní pára a mizivé množství škodlivin. Obecně platí, že světlejší pelety jsou vyráběny pouze z dřevní hmoty a jsou výhřevnější. Tmavé zbarvení je dáno různými příměsemi (kůra, stébelniny) ( Brikety Biopalivo, které je vyráběné z hořlavého organického materiálu. Jedná se např. o odpad při zpracování dřeva (piliny, hobliny, kůra), obilná sláma. Částice materiálu jsou pomocí tzv. briketovacího lisu spojovány pod tlakem, často i teplotou a pojidly. Velikost tlaku při briketování se odvíjí dle velikosti částic zpracovávaného materiálu. Čím větší partikule, tím je zapotřebí vyššího tlaku. Zvyšováním teploty během výroby briket se zajistí, aby lisovaný materiál po uvolnění tlaku, ztratil schopnost odpružovat se a výsledné brikety byly více vodovzdorné a pevné (Včelička, Binko, 1963). Tímto způsobem vznikají brikety různého tvaru, nejčastěji však válcovitého či kvádrovitého, o průměru 40 až 100 mm a délky 250 až 300 mm. Nejvhodnější pro tento způsob využití biomasy jsou dřeviny s vyšším obsahem pryskyřic, které slouží jako pojivo při lisování. Výraznější obsah pryskyřice vykazují jehličnaté dřeviny. Brikety mají nízkou vlhkost (do 10 %), jejich objemová hmotnost je 1000 až 1200 kg/m 3. Po spálení vzniká malé množství popele (1 až 3 %). Kvalita se odvíjí použitým materiálem a typu výrobní technologie. Brikety vyrobené z tvrdého dřeva mají výhřevnost až 33 MJ.kg -1, dokáží pomalu hořet až 6 hodin. Standardní brikety mají výhřevnost 18 až 20 MJ.kg -1. Pro snadný zátop jsou vhodné brikety z dřeva měkkého a ideálně s vnitřním otvorem (dobře prohořívají). 27

28 Použitý materiál při výrobě briket musí vykazovat určité vlastnosti vlhkost max. 15 %, obsah dřevního prachu do 20 %, částice o velikosti do 15 mm, obsah kůry max. 6 až 8 %. Lisuje se při tlaku kolem 400 MPa a teploty 70 C (Malaťák, Vaculík, 2008). Brikety musí být stejně jako pelety skladovány na zastřešeném místě a v suchu, aby nepodléhaly působením okolních vlivů a nerozpadaly se. Brikety vhodné pro domácí otop, musí mít vysokou výhřevnost. Nemusí vykazovat vysokou vodovzdornost, protože bývají uskladněné na místech, která jsou chráněná před povětrnostními podmínkami. Naopak brikety využívané jako topivo v kotelnách, musí mít vysokou odolnost vůči vlhkosti a oděru (Včelička, Binko, 1963). Spalováním vzniká bezbarvý oxid uhličitý, vodní pára a nepatrné množství škodlivin. Vzniklý popel je možné použít jako minerální hnojivo v zahradnictví. Brikety jsou distribuovány v pytlích, foliích na paletách Biopaliva kapalná Tato paliva, se za normálních podmínek vyskytují, ve formě kapalné. Vyrábějí se především z olejnin, kukuřice, obilnin, brambor, cukrové řepy a třtiny biochemickou či mechanicko-chemickou přeměnou. Kapalná biopaliva se dají rozlišit na paliva na bázi bioolejů (bionafta), alkoholů (bioetanol), ale také mohou být zkapalněná biopaliva plynná. Jsou často využívána jako pohonné hmoty či jejich příměsi. Jejich nevýhodou je vysoká cena. V rámci EU se stalo povinností přidávání biosložky (bionafta, bioetanol) do paliv jako je nafta či benzín Bioetanol (obecně kvasný líh) Tato látka se používala již za první Československé republiky jako přípravek dynalkol. Byla to směs 40 % etylalkoholu a 60 % benzenu. Směs těchto látek je stálá, její bod tuhnutí je pod -20 C a její hustota je 850 kg/m 2. Výkon motorů poháněných dynalkolem byl rovnocenný benzinu. Tichý chod motoru, dobrá startovatelnost, minimální tvorba sazí a kouře (Kára, 2001). Bioetanol vzniká alkoholovou fermentací rostlinné biomasy. K tomuto technologickému procesu jsou vhodné plodiny obsahující vysoký podíl cukrů a škrobu. Je to např. kukuřice, obilniny, brambory, cukrová třtina a řepa. Obecně platí, čím více 28

29 škrobu a cukrů, tím je vyšší výtěžnost etanolu. Rostliny s obsahem škrobu nejprve přeměňují škrob na sacharidy a až po té dochází k fermentaci. Fermentace sacharidů probíhá v mokrém prostředí. Po fermentaci se etanol odděluje pomocí destilace. Jeho výhodou je nízká produkce emisí CO 2 a antidetonační vlastnosti. Proto je dobrým důvodem jej používat jako motorové palivo v oblastech se silně znečištěným ovzduším (Křepelka, 1997). Nedostatkem je schopnost vázání vody, která způsobuje korozi motoru, lze jej odstranit přidáním antikorozních látek. Bioetanol má nižší výhřevnost vůči autobenzínu o 29 %, tato vlastnost zvyšuje spotřebu paliva. Dále má vyšší oktanové číslo než autobenzín, což zvyšuje účinnost motoru. Bioetanol má vliv na korozi, protože přináší riziko obsahu vody. A zvyšuje hořlavost paliva dle množství obsaženého bioetanolu (Kára, 2001). Přidáváním bioetanolu (5 až 10 %) do konvenčních minerálních paliv se zvýší oktanové číslo a výsledkem je snižování emisí CO 2. Výrobní náklady kvasného lihu se odvíjí dle druhu vstupní suroviny a na její ceně, dále na možnostech komerčního využití vznikajících vedlejších produktů a na typu technologického postupu užitého při výrobě (Kára, 2001) Bionafta Hlavní surovinou pro výrobu bionafty je rostlinný olej (řepkový, slunečnicový, sójový). Je ale možné použít i živočišné tuky, popř. rostlinné tuky ve směsi s živočišnými. Bionafta vzniká mechanicko-chemickou přeměnou těchto složek. Spolu s bionaftou dále vzniká jako vedlejší produkt glycerol. V dnešní době je podle normy EN 590 možné přimíchávat do motorové nafty až 7 % bionafty. Existují však i další směsné motorové nafty o vyšším procentuálním zastoupení bionafty ( Motorové nafty s obsahem metylesteru řepkového oleje vyšším než 30 %, vede ke snižování emisí, rychlejší biologické odbouratelnosti než u běžné motorové nafty a výhřevnosti podobající se výhřevnosti motorové nafty. Čistá bionafta je zcela biologicky odbouratelná, netoxická, neobsahuje síru a aromatické látky. Do koncentrace 10 mg/l je pro ryby neškodná a nezpůsobuje ve vodním toku mikrobiologické zatížení. K další její výhodě patří její vysoká mazací schopnost, která eliminuje opotřebení motoru. Za velkou nevýhodu lze považovat její vysoká náročnost na výrobu a tvorba usazenin v palivovém potrubí. 29

30 Pojem MEŘO podle Kára (2001, s. 26) je definován jako čirá nažloutlá kapalina bez mechanických nečistot a viditelné vody je neomezeně mísitelná s motorovou naftou. Je netoxická, neobsahuje těžké kovy ani žádné látky škodlivé zdraví. Je agresivní vůči běžným nátěrům a pryžím. MEŘO se motorové naftě velmi přibližuje ve vlastnostech jako je např. hustota, viskozita, výhřevnost a spalování. MEŘO se vůči životnímu prostředí vyznačuje pozitivním vlivem. Proti motorové naftě vykazuje lepší vlastnosti v nižších emisích CO 2, SO 2 a kouřivosti. Vyšší má emise NO x, ale pouze v malé míře a lze to eliminovat seřízením motoru. MEŘO je letní palivo, proto při teplotách nižších 5 C se musí přidávat aditiva (Kára, 2001). V porovnání vlivu MEŘO vůči motorové naftě na životní prostředí se dá říci, že MEŘO prakticky síru neobsahuje, a proto vede ke snižování obsahu síry v palivech do vznětových motorů v dlouhodobém hledisku. Dále má MEŘO velmi dobrou a rychlou biologickou rozložitelnost (cca 98 % za 21 dní). Další pozitivní vlastnost, kterou vykazuje je asi poloviční kouřivost při spalování a nižší obsah rakovinotvorných polycyklických aromatických uhlovodíků (Kára, 2001). Obrázek č. 2: Obecné schéma technologického postupu při výrobě MEŘA (zdroj: vlastní zpracování) 30

31 Biopaliva plynná Plynná biopaliva se vyskytují během přepravy či skladování v plynném stavu. Vyrábějí je zplyňováním nebo fermentací biomasy. Mezi tato paliva se řadí bioplyn, dřevní plyn a vodík Bioplyn Jedná se o plynnou látku, která je složena ze dvou majoritních složek a to z CH 4 a CO 2. Mezi minoritní složky patří H 2, H 2 S, O 2, CO aj. Jeho složení, fyzikální a chemické vlastnosti jsou dány materiálovým složením vstupní biomasy a na typu technologie zpracování. Průměrné složení bioplynu je uvedeno v tabulce č. 4. Cílem je vyrobit bioplyn, s co největším podílem metanu (majoritní složky). Výhřevnost plynu je dána obsahem metanu, pohybuje se v rozmezí 20 až 26 MJ/m 3. Bioplyn vzniká procesem anaerobní fermentace, tzn. mikrobiálním rozkladem organických látek, který je ovlivněn složením vstupní biomasy (poměr C:N), obsahem vody, teplotou, ph, inhibičními látkami aj. Tabulka č. 4: Průměrné složení bioplynu (zdroj: Ryant, P., Anaerobní digesce, 2010, vlastní zpracování) Složka Obsah (obj. %) Metan Oxid uhličitý Vodní pára 0-10 Dusík 0-5 Kyslík 0-2 Vodík 0-1 Sulfan 0-1 Čpavek 0-1 Biomasa vhodná k výrobě bioplynu (anaerobní fermentaci) by měla vykazovat tyto vlastnosti: - nízký obsah popelovin, - poměr C:N = 30:1, optimální poměr se dosahuje skladbou různých složek, - vlhkost nad 50 % z celkové hmotnosti, - počáteční ph 7 až 7,8 (v průběhu se pak mění). 31

32 Metan je získáván metanogenní fermentací rozkladem polysacharidů, tuků a bílkovin. Rozkladem některých bílkovin (exkrementy prasat a drůbeže) se uvolňují sirnaté látky (H 2 S sulfan), tyto látky jsou v častých případech před použitím nuceny odstranit (Pastorek, Kára, Jevič, 2008). Zvýšená přítomnost oxidu uhličitého je způsobená špatnými podmínkami reakce. Podle Pastorka, Káry, Jeviče (2008, s. 145) hranice zápalnosti metanu ve směsi se vzduchem je 5 až 15 % objemových. Pěstováním fytomasy se fixuje mnohem větší množství CO 2, proti kterému je následně spalováním bioplynu vytvořen. Spalováním bioplynu nevznikají škodlivé emise SO 2 a ani těžkých kovů (Váňa, Slejška, 1998). Pro výrobu bioplynu se mohou využívat traviny z trvalých travních porostů, tento plyn pak obsahuje až kolem 69 % metanu (Sladký, 1996) Dřevní plyn Počátky využívání dřevního plynu spadají již do konce 18. století. Nejprve se používal k vytápění budov či ke svícení. V průběhu 19. století se bioplyn využíval jen velice okrajově. Bylo to dáno jeho nízkou výhřevností, nestálým výkonem a vznikem velkého množství popílku, který zařízení zanášel. Ve 20. století se začala objevovat auta poháněná tímto plynem. Za 2. světové války se v některých státech Evropy rozšířila automobilová doprava na bioplyn ( Dřevní plyn je směs CO, H 2 a CO 2. Vzniká přeměnou suchého biologického materiálu při částečném spálení s omezeným přístupem spalujícího vzduchu do reaktoru a současně je zvýšená teplota na 800 až 1200 C (Sladký, 1998). Dřevní plyn se využívá k přímému spalování za vysokých teplot. Přítomné dehtové látky zvyšují výhřevnost. Pro využití jako pohon motorů či turbín je nutné jej vyčistit (od vody, dehtů, prachu, dřevních kyselin) a zchladit minimálně na teplotu 200 C (pro zvýšení energetické hustoty). Toto palivo má nižší výhřevnost než zemní plyn, ale proces spalování lze řídit a snížit obsah nežádoucích emisí ve spalinách na minimum (Sladký, 1998). Dřevní plyn je možné využívat k výrobě etanolu. Při této metodě, využití dřevného plynu, se přidávají vhodné kultury mikroorganismů, které jsou schopny zajistit fermentaci plynu. Oproti mokrých kvasných procesů, se metodou s využitím mikroorganismů, dosahuje vysokých výnosů etanolu. Tato fermentace je velmi rychlá (Sladký, 1998). 32

33 4 MOŽNOSTI VYUŽÍTÍ BIOPALIV V PRAXI 4.1 Využití pevných biopaliv Získávání energie ze spalování pevných biopaliv je známým procesem již odedávna. S časem se mění efektivnost využití těchto paliv a jejich zpracování. Technologickým procesem jako je spalování získáváme teplo. Masový návrat k získávání tepla z obnovitelných zdrojů nastal v 70. letech 20. století. Cílem bylo snížit produkci CO 2 (Pastorek, Kára, Jevič, 2004). Výhřevnost pevných biopaliv ovlivňuje vlhkost, zdraví napadením mikroorganismy, plísněmi či houbami jej snižuje, dále zvolená forma (špalky, štěpka, piliny aj.) a na potřebném výkonu kotle. Dřevo listnatých dřevin má výhřevnost kolem 18 MJ/kg a jehličnaté dřeviny 19 MJ/kg. Podobně jsou na tom s výhřevností i další biopaliva (stébelniny). V počáteční fázi spalování dochází k odpařování vody vedoucí ke snížení základní hodnoty výhřevnosti sušiny biomasy (Pastorek, Kára, Jevič, 2004). Tuhá biopaliva mají různou podobu dřevní štěpka, kusové dřevo, dřevní pelety a brikety aj. K nejstarším zařízením na spalování tuhé biomasy patří kamna (i kachlová), krbové vložky a krby. Dnes si zájemce může vybrat z mnoha zařízení podle typu paliva, výkonu či z různých moderních designů. Důvodem pro výměnu kotle a změně paliva, je snížení nákladů, snížení produkce škodlivých emisí v okolí domu, popř. díky automatizovanému způsobu přikládání i lepší komfort při obsluze (Tintěra a kol., 2002). Při výběru vhodného kotle k vytápění, bychom měli brát zřetel na určitá kritéria: - potřebný tepelný výkon kotle (možnost regulace není u všech typů topidel možná), - investiční náklady (kotel, kotelna, montáž), - cena a dostupnost paliva (časté lokální rozdíly), - požadovaný komfort (automatické přikládání, regulace teploty x obsluha), - budoucí provozní náklady (servis, údržba) Zařízení na spalování kusového dřeva Ke spalování kusového dřeva se nejčastěji využívají kotle malých výkonů (20 až 60 kw) (Pastorek, Kára, Jevič, 2004). 33