Vliv kompozitních materiálů obsahujících popely z dřevních/bio hmot na životní prostředí

Transkript

1 Vliv kompozitních materiálů obsahujících popely z dřevních/bio hmot na životní prostředí prosinec 2010 Ing.arch. Radek Janků, MVDr. Jan Černý, Ondřej Ertl, Ivana Halámková ČRA PRAHA A.S. 1

2 KAPITOLY Úvod... 5 Vznik potenciálně nebezpečných látek... 7 Průmyslové spalování biomasy... 7 Kombinovaná výroba tepla a elektřiny... 7 Společné spalování... 8 Zplynování... 8 Typy zplynovačů... 8 Pyrolýza... 9 Biomasové pelety a brikety... 9 Anaerobní vyhnívání Typy anaerobních digesterů Proces anaerobního rozkladu Odpadní voda Skládkový plyn Etanol Zrna na etanol Lignocelulózová biomasa na etanol Biodiesel Metanol Použití v zemědělství Technologie je klíčový faktor Potenciál popelů z biomasy

3 Informace z vyspělých oblastí Ochrana okolí před vlivem hnojiv Rizika biopopela Časové vymezení aplikace charakter nebezpečných látek Přírodní emise Antropogenní emise Faktory emisí Lokální a rozptýlené zdroje Emise z komunálního odpadu Emisní jednotky Zdroje do ovzduší, vody a půdy Srovnání antropogenní a přirozené emise Těžké kovy a životní prostředí Kadmium ve vzduchu Těžké kovy ve vnějším prostředí Kadmium v pracovním prostředí Tabákový kouř a emise Těžké kovy ve vodě Těžké kovy v půdě Zdroje Kadmium v půdách Emise do půd Zemědělské půdy

4 Těžké kovy v potravinách Kontaminace zemědělské půdy Přímé dopady na člověka Hlavní faktory, které určují úrovně expozice člověka Příjem těžkého kovu do těla Příjem kadmia z potravin Příjem přes dýchací cesty Vliv na lidské zdraví Vzorek populace Pracovně exponované skupiny obyvatelstva Zdroje pro kontaminaci a expozici člověka Budoucnost a životní prostředí Závěr Použitá literatura

5 ÚVOD V rámci projektu na hledání technologií pro zpracování dřevních popelů byl často diskutován skutečný dopad produktů spalování na životní prostředí eventuálně na zdraví obyvatel a živočichů. Jedním z aspektů, proč je na popel pohlíženo s nedůvěrou, je fakt, že jde oficiálně o nebezpečný odpad, který je nebezpečný díky obsahu alkálií. Studie má za úkol sumarizaci dostupných technologií, kde popel vzniká a zároveň analyzovat případná rizika spojená s chemickým složením. Je zde kladen důraz na rizika, která jsou právě se vznikem popelů nejvíce zmiňována. Jde o obsahy těžkých kovů a různé toxické zplodiny, které v popelové směsi zůstávají ve formě nedopalů. Skutečné hodnoty a chemická složení reziduálních hmot v popelech jsou velice nestálé, je to díky stále kolísajícímu charakteru paliva. To platí dvojnásob pro provozy, kde dochází ke kombinovanému spalování, tedy přidávání biomasy a různých bioodpadů do konvenčních spalovacích zařízení, zejména do uhelných spalovačů. Právě tam se můžeme setkat s výskytem některých nežádoucích sloučenin, které převážně vznikají díky nevhodným spalovacím podmínkám v zařízení. Informace obsažené v následujících kapitolách by měly jasně vyvrátit některé spekulace, že biopopely jsou natolik nebezpečné, že jakékoliv jejich upotřebení do nových výrobků je nebezpečné pro člověka nebo životní prostředí. S takovým postojem se pracovní tým projektu setkává poměrně často, a takový postoj je i zastáván nejvyššími místy naší legislativy. Dřevní popely jsou až nesmyslně démonizované jako nebezpečný odpad, aniž by docházelo k serióznímu zamyšlení, zda látky deklarované v popelech mohou pocházet z biomasy, která je často i zdrojem potravy (spalování trávy, kukuřice, obilovin, apod.). Ani dřevní hmota v syrovém, tedy nespáleném stavu, není považována za nebezpečnou, ale při transformaci na popel již legislativa přiděluje nálepku nebezpečné a radioaktivní. Trochu nadsázky v takovém případě má opodstatnění, ale skutečnost je natolik závažná, že zcela zbytečně dochází k deponování jinak neškodného materiálu, dokonce materiálu, který je možné využít jako cennou surovinu. Švédové a Finové většinou využívají popel jako inhibitor vyšší kyselosti půd právě pro obsah vápníku, který obsahuje. V Rakousku podobně popel ze směsné štěpky končí zpravidla v lese se stejným cílem vápník pomáhá snižovat kyselost půd. Situace je o to vážnější, že postoj řídicích orgánů ohledně popelů z biomasy nemá zlepšující se tendenci. Přitom technologie a zkušenosti s využíváním popelů jsou zejména ve Skandinávii poměrně využívané, dokonce až se stoletou tradicí. Existuje proto řada materiálů a měření, která dokazují, že popely nemohou způsobit onemocnění, nebo dokonce smrt. Odbočkou od zcela exaktního dokazování na základě analýz a měření je využití vyhodnocení na základě selského rozumu. Jde o fakt, že mnoho tendenčních postojů vůči popelům z biomasy se opírá o 5

6 různorodost paliva a tedy neschopnost jednoznačně změřit obsahy v produktu spalování. Taková měření vždy proběhnou, ale výsledná zpráva zahrnuje sdělení, že výsledky nejsou relevantní pro obecné upotřebení, že se týkají jen úzké skupiny paliva. Proto považujeme za užitečné vycházet z platných principů, tj. že závadnost popelů je přímo závislá na vstupní surovině. Budeme-li spalovat čisté materiály jako je dřevo nebo rychleji rostoucí plodiny, můžeme očekávat zcela nezávadné popelové směsi, které bez problému mohou tvořit hmotu stavebních výrobků nebo zemědělských hnojiv, apod. Při spalování jiných bioorganických zbytků z kafilerií a různých provozů čističek můžeme očekávat i složitější látky více nebezpečné, ale i v takovém případě se čekává, že právě spalovací proces takové látky přemění na neškodné molekuly. Obrázek biomasy, které sama má na vstupu a výstupu biomasu, bez nebezpečných látek 6

7 VZNIK POTENCIÁLNĚ NEBEZPEČNÝCH LÁTEK PRŮMYSLOVÉ SPALOVÁNÍ BIOMASY Průmyslové závody na spalování biomasy jsou schopné spalovat mnoho druhů biomasových paliv, a to například dřevo, zemědělný odpad, dřevní (celulózovou) kaši, pevný komunální odpad a palivo odvozené z odpadů. Spalovací technologie dokážou přeměnit palivo na několik forem užitečné energie pro komerční nebo průmyslové účely, např. horký vzduch, pára a elektřina. Kotel (pec) je nejjednodušší technologií spalování. V kotli se biomasové palivo spaluje ve spalovací komoře (topeništi) a přeměňuje se tak v tepelnou energii. V průběhu spalování biomasy jsou uvolňovány horké plyny. Komerční a průmyslová zařízení využívají toto teplo přímo nebo nepřímo v podobě horkého vzduchu nebo vody pomocí tepelného výměníku. Bojler na spalování biomasy je více adaptabilní přímou spalovací technologií, protože přeměňuje teplo ze spalování na páru. Páru lze využít na výrobu elektřiny, mechanické energie nebo teplo. Bojlery na biomasu jsou schopné s malými náklady dodávat energii mnoha průmyslovým a komerčním účelům. Další spalovací technologií je plynová turbína s přímým spalováním na přeměnu biomasy v energii. Při této technologii se předběžnou úpravou palivo přemění na částečky o velikosti menší než 2 mm s obsahem vlhkosti menším než 25%. Poté je palivo spáleno stlačeným vzduchem. Čištěním spalovacího plynu se sníží obsah částicové látky ještě před tím, než se plyn dostane z oblasti turbíny. Turbínou je poháněn generátor, který produkuje elektřinu. KOMBINOVANÁ VÝROBA TEPLA A ELEKTŘINY Závody na spalování biomasy, které vyrábějí elektřinu pomocí parních generátorů, mají efektivitu přeměny v rozmezí 17-25%. Průměrnou efektivitu systému až na 85% zvyšuje bojler, který produkuje jak teplo, tak elektřinu (kombinovaná výroba tepla a elektřiny). Jinými slovy, kombinovaná výroba tepla a elektřiny přeměňuje 85% potenciální energie paliva na elektřinu a parní teplo. Pro kombinovanou výrobu elektřiny a průmyslové páry jsou dostupné dva způsoby cyklů či soustav. Nejdříve může být využita pára v průmyslovém procesu a poté nasměrována do turbíny za účelem výroby elektřiny. Tato soustava se nazývá bottoming cycle. Alternativním cyklu je pára z bojleru nejprve využita k výrobě elektřiny tím, že prochází bojlerem. Pára, vyfouknutá z turbíny, je poté použita v průmyslových procesech nebo pro ohřev vody a prostor. Tomuto nastavení se říká topping cycle a je běžnějším cyklem kombinované výroby. 7

8 SPOLEČNÉ SPALOVÁNÍ Biomasa může být spalována jako sekundární palivo v uhelných elektrárnách. Pokud je v elektrárně používáno uhlí s vysokým obsahem síry, biomasa může dopomoci snižovat emise oxidu siřičitého a oxidů dusíku. Společné spalování s biomasou snižuje emise oxidu uhličitého (pokud ovšem biomasa pochází z udržitelného zdroje. ZPLYNOVÁNÍ Zplynování je termochemická reakce, při níž dochází k přeměně biomasy na spalovatelný plyn, tzv. generátorový plyn. Generátorový plyn obsahuje oxid uhelnatý, vodík, vodní páru, oxid uhličitý dehet a popelové částečky. Generátorový plyn obsahuje 70 až 80% energie z původní biomasové suroviny. Plyn může být přímo spalován za účelem vytápění nebo výroby tepla nebo může být spalován v bojlerech na výrobu páry. Filtry nebo skrubry mohou být použity k odstranění dehtu a částečkových látek z generátorového plynu. Čistý plyn je vhodný k použití v motorech s vnitřním spalováním, plynových turbínách nebo jiných zařízeních na vysoce kvalitní plyn. TYPY ZPLYNOVAČŮ Existují tři hlavní typy zplynovacích systémů: vertikální, spádový a s fluidní vrstvou. Ve vertikálním (nebo protiproudovém ) zplynovači je biomasové palivo přiváděno do vrchu reakční komory, zatímco pára a vzduch (nebo kyslík) jsou přiváděny od spodu roštu. Palivo se pohybuje směrem dolů a nahoru proudící horké plyny jej pyrolyzují. Některé zuhelnatělé zbytky padají na rošt, kde shoří a tím produkují teplo a uvolňují CO 2 a vodní páru. CO 2 a H 2 O reaguje s ostatními zuhelnatělými částečkami a produkuju tak CO a H 2. Plyny opouštějí komoru vrchem a popílky zůstávají na roštu. Vertikální design je relativně jednoduchý a je vhodný pro biomasová paliva s vysokým obsahem popílků a vlhkosti. Avšak generátorový plyn obsahuje 10 20% tavitelných olejů (dehet), což znemožňuje použití generátorového plynu v motorech a plynových turbínách. Spolehlivý provoz spádového zplynovače vyžaduje vysušení biomasového paliva na obsah vlhkosti menší než 20%. Palivo i vzduch jsou přiváděny ze shora reakční komory. Palivové částečky pohybující se směrem dolů se vzněcují, intenzivně hoří a zanechávají zuhelnatělé zbytky. Tyto zbytky (5-15% hmotnosti původního biomasového paliva) poté reagují s kouřovými plyny a produkují tak CO a H 2. Tyto plyny postupují dolů a opouští komoru pod roštem. Generátorový plyn opouští zplynovač má vysokou teplotu (kolem 700 C). Popílky 8

9 propadávají roštem. Výhodou tohoto designu je velmi malý obsah dehtu v generátorovém plynu. Zplynovač s fluidní vrstvou charakteristicky obsahuje nehybné zrnité částečky (obvykle křemík nebo keramiku). Biomasové palivo je přiváděno na dno komory zplynovače. Spodní rychlý proud vzduchu vyfukuje palivo vzhůru vrstvou zahřátých částeček. Podloží má takovou teplotu, že částečně spaluje a zplynovává palivo. Během tohoto průchodu podloží dochází k procesům pyrolýzy a přeměny uhlíků. Ačkoliv jsou tyto zplynovače vhodné pro širší okruh biomasových paliv, částečky paliva musí být dlouhé méně než 10 cm a nesmí mít více než 65% obsahu vlhkosti. Tento design produkuje plyn s malým obsahem dehtu, ale větším obsahem částeček v porovnání s předchozími dvěma designy. Pokud je zplynovač natlakovaný, produkuje plyn za tlaku vhodného pro výrobu elektřiny pomocí plynové turbíny. Vysokotlaké systémy jsou zatím ve fázi vývoje, stejně tak jako technologie čištění horkého plynu. Tento proces odstraňuje dehty, uhlíky a tavitelné alkálie a zvyšuje tak efektivitu systému. PYROLÝZA Pyrolýza je proces, který využívá teplo k rozbíjení organické látky bez přítomnosti kyslíku. Výslednými produkty procesu je celá škála, např. biodehet, syntetický plyn a bioolej. Pyrolýza je využívána v průmyslovém sektoru k výrobě dřevěného uhlí, uhlíku, metanolu a mnoha jiných látek, využitelných v chemickém průmyslu. BIOMASOVÉ PELETY A BRIKETY Mnoho oregoňanů doma přeměňuje biomasu na užitečnou energii spalováním dřeva v krbech nebo kamnech. Více a více domácích, obchodních a vládních budov vyměňují své bojlery a vytápěcí systémy tak, aby mohli využívat vyvinutější, efektivnější a čistší paliva jako jsou biomasové pelety a brikety. Pelety a brikety jsou jinými formami lisovaných paliv. Biomasová paliva jsou vyráběny z dřevěných odpadů, odpadového papíru, kartonu nebo zemědělských zbytků. Velikostně jsou v rozmezí od malých peletek velikosti hrášku až po polena 30 cm dlouhá a 15 cm průměru. Moderní peletové kotle jsou efektivními domácími nebo kancelářskými topícími spotřebiči. Běžný krb nemá ani 10% efektivitu ve vytápění domovů. Na druhou stranu průměrná efektivita pelet je lepší než 55%. Používání peletových kotlů namísto běžných dřevěných kotlů snižuje obsah částečkových látek ve vzduchu. To je zvláště užitečné v místech, kde kouř ze spalování dřeva je hlavní složkou 9

10 místního znečištění vzduchu. V případě peletových kotlů je obsah emisí částeček až o 90% nižší než u běžných kotlů na dřevo. ANAEROBNÍ VYHNÍVÁNÍ Anaerobní vyhnívání je biochemický proces, při kterém určité druhy bakterií rozkládají biomasu v prostředí bez přítomnosti kyslíku. Na rozložení organických zbytků v několika fázích, při kterém vzniká bioplyn, se podílí několik druhů různých bakterií. Anaerobní vyhnívací nádrže jsou užitečné k úpravě a likvidaci zvířecích a rostlinných odpadů. Farmáři, kteří musejí čelit narůstajícím federálním a státním regulacím produkce zvířecích odpadů nalezli nové způsoby, jak snížit dopady a náklady s nakládáním s hnojem. K anaerobnímu vyhnívání je zapotřebí vzduchotěsná komora, tzv. vyhnívací nádrž. K podpoření bakteriální aktivity musí vyhnívací nádrž nést teplotu alespoň 20 C. Při použití vyšších teplot, až 65 C, může snížit množství času, který je potřeba k rozložení materiálu. Teplota vyhnívací nádrže závisí na látkách a bakteriích uvnitř. Bioplyn, který je produkován ve vyhnívací nádrži (také znám jako vyhnilý plyn ) je vlastně směsicí plynů, ve které má až 90% podíl metan a oxid uhličitý. Bioplyn běžně obsahuje menší množství sirovodíku, dusíku, vodíku, metythiolu a kyslíku. Pro jednotlivé farmy mohou malé digestery jednoduchého designu soběstačně vyrábět elektřinu a teplo. Například digester s pístovým tokem může zpracovat litrů hnoje denně, což je množství ze stáda o 500 dojnic. Kdyby byl bioplyn používán jako pohon do generátoru, vyhnívací nádrž (digester) by vyrobila více elektřiny a tepla, než by mlékárna spotřebovala. Větší digestery jsou vhodné na objem hnoje litrů denně. V Dánsku a některých jiných evropských městech využívají centrální digestery a svážejí do nich organický odpad posbíraný z různých farem v oblasti. TYPY ANAEROBNÍCH DIGESTERŮ Existují tři základní typy digesterů. Všechny z nich mohou zachycovat metan a snižovat počet fekálních koliformních bakterií, ale liší se cenou, klimatickou vhodností a koncentrací hnojných látek, které mohou rozložit. Digester s přikrytým kalojeme, jak název napovídá, se skládá z kalojemu a krytu na něj. Kryt zachycuje plyn, který je produkován během rozkladu hnoje. Tento typ digesteru je nejlevnější. 10

11 Přikrytí kalojemu je jednoduchou formou technologie digesteru, která je vhodná pro kapalný hnůj s obsahem pevných látek menším než 3%. U tohoto typu digesteru je kalojem z části nebo zcela přikryt neprostupným, pohyblivým krytem. Kolem okraje nádrže je betonový základ, který drží kryt na místě neprodyšným těsněním. Pro tento typ digesterů je vhodný velký objem hnojem a teplé klima. Kryté kalojemy jsou levné, ale nejsou vhodné v oblastech s chladnějším klimatem. Směsové digestery jsou vhodné na velké objemy hnoje s koncentrací pevných látek 3-10%. Reaktorem je kruhová ocelová nebo betonová nádrž. Během digestačního procesu je hnojní kaše nepřetržitě míchána, aby byly pevné látky neustále v pohybu. Bioplyn se shromažďuje v horní části digesteru. Bioplyn může být použit jako palivo generátoru k výrobě elektřiny nebo jako bojlerové palivo k výrobě páry. Použitím zbytkového tepla z generátoru nebo bojleru k ohřívání kaše v digesteru snižuje retenční dobu na méně než 20 dní. Digestery s postupným tokem jsou vhodné pro hnůj z přežvýkavců, který má obsah pevných látek 11-13%. Typický design tohoto digesteru se skládá ze sběrného systému hnoje, míchací jámou, a samotného digesteru. V jámě se hnůj míchá s vodou, aby měla směs správnou konsistenci. Digester je dlouhá, obdélníková nádrž, obvykle vybudovaná pod povrchem se vzduchotěsným otvíratelným uzávěrem. Nový materiál, který je na jednom konci nádrže přidán, zatlačí na starší materiál a posune ho k druhému konci. Hrubé pevné látky v hnoji přežvýkavců utvářejí viskózní materiál v průběhu procesu digestace. Výsledkem je, že směs prochází nádrží jako špunt. Průměrná doba, po kterou je špunt v nádrži je dní. Anaerobní rozklad hnojní kaše uvolňuje bioplyn v průběhu pohybu materiálu digesterem. Flexibilní nepropustný kryt na digesteru jímá plyn, který je dále veden trubkami, které jsou pod krytem, do generátorového systému. Tento typ digesteru vyžaduje minimální údržbu. Odpadní teplo z generátoru může být použito k zahřívání digesteru pomocí zavěšených trubek, ve kterých cirkuluje horká voda. Horká voda ohřívá digester a udržuje teplotu kaše při C, což je rozmezí teploty, dostačující k výrobě bakterií produkujících metan. PROCES ANAEROBNÍHO ROZKLADU Proces anaerobního rozkladu prochází několika fázemi a podílí se na něm různé druhy bakterií. Hydrolytické a fermentativní bakterie nejdříve rozloží uhlohydráty, proteiny a tuky, obsažené v biomasovém materiálu, na mastné kyseliny, alkohol, oxid uhličitý, vodík, amoniak a sulfidy. Tato fáze se nazývá hydrolýza 11

12 Dále pak acetogenní bakterie ještě více rozkládají výsledné produkty hydrolýzy na octové kyseliny, vodík a oxid uhličitý. Metanogenní bakterie poté přemění tyto produkty na bioplyn. Spalováním vyhnilého plynu je dodávána užitečná energie ve formě horkého vzduchu, horké vody nebo páry. Po filtraci a sušení je tento plyn vhodný jako palivo do motorů s vnitřním spalováním, které v kombinaci s generátorem mohou vyrábět elektrickou energii. V budoucnu budou zařízení na bioplyn obsahovat plynové turbíny a palivové články na výrobu elektrické energie. Vyhnilý plyn bude náhražkou zemního plynu nebo propanu v topících systémech, chladicích zařízeních, vařičích a jiných spotřebičů. Stlačený vyhnilý plyn může být dokonce použit i jako alternativní dopravní palivo. ODPADNÍ VODA Komunální odpad obsahuje organické biomasové pevné látky a mnoho čističek odpadních vod využívá anaerobní rozkládání ke snížení obsahu těchto pevných látek. Anaerobní rozkládání stabilizuje odpadní nečistoty a likviduje patogeny. Rozkládání odpadu produkuje bioplyn, který obsahuje 60 70% metanu s energetickou kapacitou kj/m 3. Většina čističek odpadních vod, které využívá anaerobní digestory, spalováním plynu ohřívá digestor, za účelem udržování teploty, a vytápí prostor budovy. Nepoužitý plyn je spálen jako odpad, ale mohl by být použit jako palivo do generátoru nebo palivových článků k výrobě elektřiny. Palivový článek v Columbia Boulevard Wastewater Treatment Plant v Portlandu, Oregonu přeměňuje, vyhnil plyn na elektřinu. Spuštění palivového článku proběhlo v červenci Palivový článek vyrábí odhadem kilowatt-hodin elektřiny ročně. SKLÁDKOVÝ PLYN Stejné procesy anaerobního rozkladu, při kterých je produkován bioplyn ze zvířecího hnoje a odpadních vod, se přirozeně objevuje pod zemí v zavážkách. Většina skládkového plynu vzniká rozkladem celulózy, která je obsažena v komunálních a průmyslových pevných odpadech. Na rozdíl od digesterů na zvířecí hnůj, ve kterých je proces rozkladu biomasy kontrolován, rozkládání, které se objevuje v zavážkách je nekontrolovaný proces rozklad biomasy. Efektivita procesu závisí na složení odpadu a obsahu vlhkosti v zavážce, krycím materiálu, teplotě a jiných faktorech. Bioplyn, který se uvolňuje ze zavážek, běžně nazývaný skládkový plyn, je typicky složen z 50% metanu, 45% oxidu uhličitého a 5% jiných plynů. Energetická kapacita skládkového plynu je Kj/m 3. 12

13 Zachytávání plynu před tím než unikne do atmosféry, umožňuje jeho přeměnu na užitečnou energii. Zavážka musí být aspoň 12 metrů hluboká a musí se do ní vejít alespoň 1 milion odpadu, aby mohl být skládkový plyn zachytáván a výroby energie technicky možná. Systémy přeměny skládkového plynu na energii se skládají ze série studní zapuštěných do zavážky. Systém trubek propojuje studny a zachytává plyn. Sušiče odstraňují vlhkost z plynu a filtry nečistoty. Plyn je obvykle využíván k výrobě elektřiny v motorovém generátoru nebo plynové turbíně. Plyn může být také využit jako palivo do bojleru k výrobě tepla nebo páry. Další čištění plynu zlepšuje jeho kvalitu a může se tak stát ekvivalentem zemního plynu. Přeměna plynu na vodík by umožnila výrobu elektřiny pomocí technologie palivových článků. ETANOL Fermentace je biochemický proces, kterým jsou přeměňovány cukry na etanol (alkohol). Na rozdíl od výroby bioplynu, fermentace se odehrává za přítomnosti vzduchu a je tedy procesem aerobního rozkládání. Výrobci etanolu používají specifické typy enzymů k přeměně škrobových plodin, jako je kukuřice, pšenice a ječmen, na fermentovatelné cukry. Některé plodiny, jako cukrová třtina nebo cukrová řepa, přirozeně obsahují fermentovatelné cukry. Etanol má vyšší oktanové číslo než benzin, ale jeho energetická kapacita dosahuje pouze dvou třetin energetické kapacity benzínu. Většina moderních automobilů je uzpůsobena k pohonu směsi benzínu a etanolu. Gasohol je směs 90% bezolovnatého benzínu a 10% denaturovaného etanolu. S modifikacemi mohou zážehové motory běžet na 100% etanol. Palivo E-85 se skládá z 850 etanolu a 15 benzínu. Vůdčí výrobci automobilů ve Spojených státech nyní vyrábějí flexibilní dopravní prostředky jak na E-85, tak na benzín. Etanol může být také využit jako zdroj vodíku pro palivové články. Nedávná studie Renewable Fuels Association dokládá, že pro použití etanolu do palivových článků v současnosti neexistují technické bariéry. Jelikož je etanol z hlediska dopravy a skladování vhodnější než vodík, může být přeměna paliva (použití chemických procesů k extrakci vodíku z paliva) praktickým způsobem dodávání vodíků do palivových článků dopravních prostředků nebo nehybných zařízení. Díky relativně jednoduché molekulární struktuře etanolu je jeho přeměna daleko jednodušší, než přeměna benzínu a většiny alternativních paliv. ZRNA NA ETANOL Většina etanolu vyráběného v USA pochází ze zrn (převážně kukuřice). Při procesu mokrého mletí, je zrno namáčeno a rozděleno na škrob, klíčky a vlákninu. V procesu suchého mletí je zrno nejprve rozemleto na mouku a poté zpracováno bez odděleného škrobu. 13

14 Běžnější je mokré mletí. Poté, co je zrno vyčištěno, je namáčeno a poté rozemleto tak, aby byly odstraněny klíčky. Dalším mletím, namáčením a filtrováním je oddělena vláknina a lepek. Škrob, který po těchto krocích zůstane, je poté rozštěpen na fermentovatelné cukry přidáním enzymů ve zkapalňovacím a zcukerňovacím procesu. Aby byl vyroben etanol, jsou do kaše přidány kvasnice, což je roztok fermentovatelných cukrů a vody. Kvasnice fermentují cukry a vytvoří tak roztok nazývaný pivo. Pivní roztok obsahuje 10% - 12% etanolu. Rychlost procesu přeměny závisí na množství vody v kaši a její kyselosti, teplotě a obsahu kyslíku. Až jedna třetina původní suché váhy suroviny opouští fermentační proces jako oxid uhličitý. Pevné látky, které zbudou po fermentaci kaše, stále obsahují živiny a mohou se použít jako krmivo pro dobytek. Destilací piva získáme roztok o 80 95% etanolu. Výrobci mohou používat několik metod dehydratace k vyčištění roztoku etanolu až na 100% alkohol pro využití jako motorové palivo. LIGNOCELULÓZOVÁ BIOMASA NA ETANOL Použití levnější suroviny je v hlavním zájmu regionu Oregon a Severozápadní pobřeží kvůli dostatku potenciální suroviny. Tato regionálně dostupná surovina se skládá z odpadního papíru, dřevního papíru, celulózového odpadu a slámy. Kroky mechanické přípravy sestávají z čištění, sušení a zmenšení velikosti biomasové suroviny. Technologie celulóza-na-etanol přeměňuje lignocelulózovou surovinu (LCS) na složité cukry, které jsou poté fermetovány na etanol. Tato technologie je zatím v rané fázi komerčního vývoje. Avšak v roce 1945 postavil Dr. Raphael Katzen etanolový závod ve Springfieldu, Oregonu, který produkoval 17 miliónů galonů etanolu za rok. Všechny LCS materiály jsou složeny z celulózy, hemicelulózy a buničiny. Buničina se v rostlinných materiálech chová jako lepidlo. Drží ostatní složky pohromadě a dodává sílů kmenům stromů a stonkům rostlin. Buničina odstraněná při předběžné úpravě je sama o sobě biomasovým palivem. Spalováním buničiny získáváme teplo, použitelné v dalších krocích při procesu přeměny celulózy na etanol. Je dostupných několik metod rozbití chemických vazeb celulózy a hemicelulózy a odstranění buničiny. Metody zahrnují rozpuštění a hydrolýzu koncentrovaných kyselin a enzymatickou hydrolýzu. Hydrolýzou jsou uvolňovány fermentovatelné cukry z celulózy a hemicelulózy. Tato fáze se někdy nazývá sacharifikace. Další fází procesu je fermentace. Využívají se v ní enzymy k přeměně cukrů na etanol. Stejně jako u procesu zrno-na-etanol je poslední fází destilace fermentovaného piva na etanol, který je 95%. 14

15 BIODIESEL Výroba biodieselu je proces chemické přeměny. Během procesu jsou přeměněny olejnaté plodiny na biodieselové palivo, náhražku nafty. Pokusné projekty v Idahu a Yellowstonském NP používají biodiesel z řepky pěstované v severním Idahu. Mohou být využity i jiné olejnaté plodiny k výrobě biodieselu. Dvěma hlavními procesy extrakce oleje ze semen suroviny jsou mechanické lisování a extrakce rozpouštědlem. Při mechanické extrakci jsou semena nejdříve zahřána na asi 45 C. Poté jsou olejnatá semena lisována ve vřetenovém lisu. Poté, co je vyjmuta většina oleje, zbytky po lisování mohou být použity jako krmivo pro dobytek. Při procesu extrakce rozpouštědlem je sice získáno více oleje obsaženého v surovině, ale tento proces je nákladnější. Při procesu je používáno rozpouštědlo k rozpuštění oleje. Po extrakci se destilačním procesem oddělí olej od rozpouštědla. Rozpouštědlo zkondenzuje a může být recyklováno a znovu použito při dalším procesu. Tento způsob extrakce produkuje čistší rostlinný olej než mechanické lisování. Rostlinné oleje, jako jsou řepkový, kukuřičný nebo světličný mohou být použity jako dieselové palivo bez další úpravy. Avšak proces transesterifikace snižuje vysokou viskozitu rostlinného oleje, což vede k získání kvalitnějšího paliva. Při tomto procesu rostlinný olej reaguje s alkoholem (metanol nebo etanol) za přítomnosti katalyzátoru. Když je surovinou řepka, výsledné produkty jsou glycerol, řepkový metyl nebo etyl ester. Co se týče biodieselových paliv mohou být řepkový metyl nebo etyl ester využity přímo nebo mohou být přimíchávány do nafty. Produkce biodieselu nebo etanolu z obnovitelných zdrojů může být prováděna v Oregonu. Závody na výrobu biodieselu jsou již zde a brzy přibudou i závody na etanol. METANOL Výroba metanolu (dřevního alkoholu) z biomasy je procesem termochemické konverze. Z jedné tuny biomasového materiálu může být vyrobeno až 186 galonů metanolu. Potenciální surovinou je dřevo a zemědělské zbytky. Avšak v současnosti je téměř většina metanolu vyráběna ze zemního plynu. Při výrobě metanolu ze zemního plynu je metan v plynu kombinován s párou. Je přidán katalyzátor a vznikne syntetický plyn, který je poté kondenzován a tak je vyroben metanol. Na výrobu jednoho galonu metanolu je potřeba 2800 litrů zemního plynu. 15

16 Při použití biomasového materiálu, proces výroby metanolu začíná zplynováním za vysokého tlaku a teploty. Výsledný syntetický plyn se skládá z oxidu uhličitého a vodíku. Syntetický plyn musí být vyčištěn od dehtů a metanu. Je přidán katalyzátor a plyn je kondenzován na kapalný metanol. Většina metanolu, který je v současnosti vyráběn v USA je používána k výrobě MTBE (metyl tertiary butyl ether), příměs do benzínu. Jako přímé palivo má metanol vyšší oktanové číslo než benzín, ale pouze polovinu energetické kapacity. Vyšší oktanové číslo metanolu z něj činí palivo vhodné do vysokotlakých motorů. 16

17 POUŽITÍ V ZEMĚDĚLSTVÍ V rámci úkolu bylo navštíveno několik (cca. 10) kotelen spalujících biomasu. V krátké rekapitulaci je možné upozornit na některé aspekty kvality takto vznikajících popelů. Popel, který je dnes posuzován jako odpad a likvidován bude posouzen z hlediska obsahu chemických látek tak, aby mohl být využit jako minerální hnojivo. Pro účel ke kterému má být bio-popel použit, tedy pro přihnojení půdy, bylo konstatováno že: kvalita popela je ovlivněna druhem spalovaného materiálu, tedy že je rozdíl mezi spalováním směsné dřevní štěpky nebo obilní slámy především vzhledem k obsahu vápníku (Ca) a draslíku (K), prvků nutných pro výživu rostlin, kvalita popela je však ovlivněna způsobem spalování, což se projevuje v tzv. množství nedopalu tedy obsahu spalitelných látek, které ale nemohou z různých důvodů v kotli vyhořet a zůstávají v popelu, kde mohou tvořit řadu látek omezujících využití popela (především se jedná o karcinogení polycyklické aromatické uhlovodíky, mezinárodně označené jako (PAH)). Zásadní posouzení popela pro účely jeho dalšího využití jako minerálního hnojiva vychází ze zjištění jeho chemického složení. Posuzovány jsou především obsahy prvků nezbytných pro růst rostlin. V popelech dřevních převládá vápník a v popelech z obilné slámy je v převaze obsah draslíku. Doprovodným prvkem v obou popelech je křemík, který je výrazný především v popelech ze slámy. Oba druhy popelů však mohou zásadně sloužit jako základ minerálních hnojiv především proto, že ani při jednom odběru (byly provedeny opakované odběry v různých režimech chodu kotelen) průmyslově (polo-průmyslově) získaného popela nebyly zjištěny obsahy těžkých kovů, které by znemožňovaly následné využití. Vlastně v této fázi posuzování kvality popela z hlediska obsahu anorganických prvků můžeme potvrdit mnoha generacemi ověřenou zkušenost popel ze dřeva, respektive ze slámy nebo obilních slupek je vhodnou přísadou půdy především pro snížení kyselosti půdy. Je tedy naprosto logické a dlouhodobě potvrzené, že přídavek popelů do kompostů svým obsahem vápníku a draslíku vyrovnává ph kompostu. 17

18 Daleko složitější je posouzení vhodnosti popela z hlediska obsahu spalitelných, ale nespálených látek, kdy je třeba konstatovat, že do jejich množství a typu zasahuje mnoho faktorů: vlhkost paliva a jeho skladování, množství vzduchu pro spalování, teplota spalování, rychlost posunu roštu, tah komína, automatika řízení spalovacího procesu, typ kotel a zkušenost obsluhy. Jak bylo při návštěvách několikrát konstatováno: Čím je kotelna menší nebo má lokálnější význam, tím je situace komplikovanější (existují světlé výjimky, ale protože zde nechceme jmenovat problematické kotelny, nelze jmenovat ani dobré nebo výborné), ale zásadně platí, že laciné systémy (kombinace: kotel x automatika ovládání x výcvik obsluhy) nedávají uspokojivé výsledky právě proto, že obsahy nedopalu se pohybují až na úrovni hm. % spalované masy. Nedopal se stanovuje jako podíl spálené hmoty v popelu při jeho následném zahřátí v peci při teplotě 1000 C a výdrži na této teplotě minut. V takovém případě je jasné, že výskyt různých typů i nebezpečných uhlovodíků v nedopalu bude mít zásadní význam při eventuelním využití a takový popel nebude pro účely minerálního hnojiva doporučen. TECHNOLOGIE JE KLÍČOVÝ FAKTOR Obecně lze upozornit na to, že již od prvního námětu na vybudování kotelny na bio-masu přes konkrétní návrh na řešení, je třeba počítat s tím, že je nutné se postarat i o popel a tedy zajistit jeho standardní kvalitu ve smyslu spalovacího procesu. Dnešní stav takřka všude (opět existují světlé výjimky) je takový, že se farmáři zpravidla bojí popel používat. Převládá bohužel názor, že popely obsahují nebezpečné anorganické látky, těžké kovy, které by mohly mít negativní vliv na budoucí úrodu. Popel z obilní slámy tak končí jako odpad na skládkách a původce platí a platí, místo aby získával a vyráběl minerální hnojivo. Popel z dřevní štěpky pak není využíván prakticky nikde v Čechách a příkladně rakouské a švédské zkušenosti nejsou u nás aplikovány. Švédové a Finové většinou využívají popel jako inhibitor vyšší kyselosti půd právě pro obsah 18

19 vápníku, který obsahuje. V Rakousku podobně popel ze směsné štěpky končí zpravidla v lese se stejným cílem vápník pomáhá snižovat kyselost půd. Tyto zkušenosti se dosud do našeho systému nakládání s odpadem nepromítají a tak vzniklo mnoho nedorozumění a problémů popel se pokládá za odpad a tak se nevěnuje a hlavně nevěnovala prakticky žádná pozornost při volbě spalovacích systémů. Dnes víme, že je třeba od počátku počítat s odpovídajícím typem kotle a jeho automatikou, která bude řídit optimální celý spalovací proces ve všech vazbách a vztazích, příkladně i ve vazbě na vnější teploty a momentální spotřebu tepla a teplé vody. Takový systém pak vyžaduje zapojit do projektu i výborně izolovaný a dostatečně kapacitně propočítaný zásobník teplé vody, který vyrovnává náhlé zvýšení spotřeby a naopak v nočních hodinách dovolí uložit přebytečnou energii. Tím se samozřejmě celý záměr stává investičně složitějším, ale volba laciného systému většinou ve výsledku mrhá palivem, ze kterého se využije jen část 35 hm. % nedopalu v popelu znamená náklady na dopravu slámy nebo štěpky o 35 procent vyšší než v případě, že by spalování bylo dokonalejší - což znamená: Čím vyšší nedopal tím větší náklady na dopravu spalovaných hmot, tím v důsledku větší spotřeba fosilních paliv a celý systém ztrácí pomalu ale jistě svůj smysl. Dopady spalování biomasy v rozvojových zemích Dalším faktorem, který vysoce ovlivňuje kvalitu popelů je obsluha kotlů tedy personál, který se stará o provoz. Při absenci dokonalé automatiky (je skutečně spíše výjimkou než pravidlem) jsou znalosti obsluhy kotlů a systému spalování naprosto zásadní. Zde opět platí, že lokální malá výtopna mívá velké až zásadní problémy. Topit v kamnech a ovládat třeba i poloprůmyslovou kotelnu je přeci jen něco jiného. Velmi často chybí i správné úložiště paliva a hromada mokré štěpky nebo kůry na dvoře není dostatečným řešením. 19

20 V posledních letech bylo při opakovaných návštěvách kotelen dodávajících teplo a teplou vodu mimo jiné zjištěno, že spalování obilní slámy, případně slámy z řepky není v množství a ceně ohroženo tolik jako spalování dřevní směsné štěpky, jejíž cena každoročně roste. Záměr, údajně přicházející z EU, snižovat spotřebu fosilního paliva velkých producentů elektrické energie a tepla tím, že se bude přidávat 3-5 hm. % dřevní štěpky nebo tablet a briketek z biomasy ke spalovanému uhlí, se prakticky ihned promítl do ekonomiky malých a velmi malých bio-kotelen. Velký dodavatel tepla a elektrické energie musí plnit usnesení zelených nakoupí tedy bio-palivo za jakoukoliv cenu. Malé a lokální provozy často pořízené z programů Phare, ještě než jsme vstoupili do EU, počítaly ale s cenou paliva na úrovni let devadesátých, tedy s cenou podstatně nižší. Současně takové provozy jsou často v místech, kde zvyšování ceny za teplo a teplou vodu je takřka politické rozhodnutí. POTENCIÁL POPELŮ Z BIOMASY Popely ze spalování bio-masy mají velký, dosud skrytý potenciál ekonomického využití právě pro značné obsahy alkalických prvků, které v rozpustné formě mohou výrazně přispět ke snížení kyselosti půd a pomoci růstu rostlin. Chtěli jsme upozornit na skutečnost, že negativa plynoucí ze špatného spalování jsou mnohem závažnější než obsah imaginárních těžkých kovů (jsou-li v obilní slámě budou logicky i v zrnu, tedy chlebu a housce tam ale nejsou!). Vznik nedopalu znamená velmi nízkou účinnost zařízení, vyšší náklady na dopravu a místo úspor a zeleného prostředí více spálené nafty, více emisí, atd. 20