Mendelova univerzita v Brně. Lesnická fakulta

Mendelova univerzita v Brně Lesnická fakulta Energetické využití biomasy Bakalářská práce Vedoucí bakalářské práce Ing. et Ing. Jan Klepárník Vypracoval Daniel Černota Brno 2011 1

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Energetické využití biomasy vypracoval samostatně a použil pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém soupisu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena v knihovně Lesnické fakulty Mendelovy univerzity v Brně a zpřístupněna ke studijním účelům. V Brně, dne Podpis diplomanta 2

Poděkování Rád bych poděkoval Ing. et Ing. Janu Klepárníkovi za poskytnutí podkladů, studijních materiálů a konzultací pro moji bakalářskou práci, za pomoc a odborné vedení, vstřícný přístup, trpělivost a věnovaný čas. 3

Obsah 1. Úvod... 7 2. Abstrakt... 8 3. Cíl bakalářské práce... 9 4. Literární přehled... 10 4.1. Terminologie... 10 4.2. Vznik rostlinné biomasy... 11 4.3. Složení rostlinné biomasy... 12 4.3.1. Celulóza... 12 4.3.2. Škrob... 13 4.3.3. Lignin... 13 4.3.4. Oleje... 14 4.3.5. Pryskyřice... 15 4.4. Výhřevnost, spalné teplo... 15 4.5. Využití biomasy při výrobě tepla... 18 4.5.1. Procesy probíhající při hoření biomasy... 18 4.5.2. Pyrolytické spalování biomasy... 21 4.5.3. Karbonizace... 22 4.6. Zařízení sloužící ke spalování biomasy... 23 4.6.1. Krby... 23 4.6.2. Kachlová kamna... 25 4.6.3. Teplovodní kotle... 26 4.6.4. Teplovodní kotle na pelety... 29 4.6.5. Teplovodní kotle pro spalování dřevní štěpky... 34 5. Vypracování... 35 5.1. Výpočet celoroční spotřeby tepla pro zadaný dům... 35 5.2. Regionální ceny energeticky využitelné biomasy... 37 5.3. Porovnání nákladů na vytápění... 40 6. Diskuze... 42 7. Závěr... 44 8. Souhrn... 45 4

9. Summary... 46 10. Použitá literatura... 47 Seznam tabulek Tabulka 1 Výhřevnost biomasy v závislosti na obsahu vody... 16 Tabulka 2 Výhřevnost jednotlivých druhů biomasy... 17 Tabulka 3 Obsah prchavé hořlaviny- typické hodnoty... 19 Tabulka 4 Výtěžnost dřevěného uhlí... 23 Tabulka 5 Výpočet spotřeby tepla dle plochya měrné spotřeby energie... 35 Tabulka 6 Výpočet celoroční spotřeby tepla dle vzorce [1]... 36 Tabulka 7 Celoroční spotřeba tepla dle známých údajů (skutečná)... 36 Tabulka 8 Regionální ceny jednotlivých druhů paliv... 37 Tabulka 9 Přepočtové koeficienty (koeficienty zaplnění hráně)... 38 Tabulka 10 Spotřeba palivového dřeva v daném RD... 40 Tabulka 11 Spotřeba štípaného paliva daném RD... 40 Tabulka 12 Spotřeba plynu v daném RD... 41 Tabulka 13 Spotřeba pelet v daném RD... 41 Seznam grafů Graf 1 Závislost výhřevnosti na relativní (1) a absolutní vlhkosti (2)... 16 Graf 2 Ceny nezpracovaného palivového dřeva podle regionů v Kč/PLM... 39 Graf 3 Ceny štípaného paliva v délce 33 cm podle regionů v Kč/prms... 39 Graf 4 Porovnání nákladů na vytápění... 41 5

Seznam obrázků Obrázek 1 Struktura ligninu... 14 Obrázek 2 Uzavřený krb... 25 Obrázek 3 Kachlová kamna... 26 Obrázek 4 Schéma zapojení kotle s akumulační nádrží... 27 Obrázek 5 Kotel na pelety v řezu... 30 6

1. Úvod V posledních několika stoletích s rozvojem vědy a techniky společně se zvyšujícím se počtem obyvatel na planetě Zemi se také nezadržitelně zvyšuje spotřeba energie. Tento trend nelze udržet dosavadním přístupem k výrobě energie, proto se zavádějí do výroby energií nové, šetrné technologie využívající biomasu. Výroba energie z biomasy (např. využití biomasy pro výrobu tepla, využití biomasy pro pohon motorů, pro výrobu elektrické energie), je z ekologického hlediska mnohem příznivější oproti spalování fosilních paliv. Další výhodou je nepřetržitost produkce biomasy tzv. nevyčerpatelnost. Je možné používat odpadní produkty lesního hospodářství, zemědělství, dřevařstí, zahradnictví, ale také dále nevyužitelné suroviny. Biomasa se ale taktéž pěstuje jako účelné výsadby sloužící primárně energetickým účelům. K těmto účelům plně dostačují v současné době nepoužívané zemědělské pozemky, v lesnictví by bylo možné využívat ploch (např. ploch pod elektrickým vedením), které jsou nevhodné pro pěstování hospodářských dřevin, ale postačují pro pěstování dřevin rychlerostoucích. Na plochách zemědělských, kde probíhá intenzivní péče a hnojení se tyto porosty sklízejí v horizontu 4-5 let, na lesních pozemcích se doba sklízení mění podle produkčních schopnostní stanoviště v rozmezí 10-20 let, na extrémních stanovištích až na 35 let. Takto získaná dendromasa se štěpkuje a suší na požadovanou vlhkost, posléze se používá buďto přímo k energetickým účelům, anebo se z ní vyrábějí pelety, používané v domácích automatických kotlích určených pro spalování biomasy. Z ekonomického hlediska patří biomasa k velmi výhodným komoditám v porovnání s fosilními palivy. Je to proto, že se zásoby fosilních paliv ztenčují a musí se těžit v čím dál náročnějších podmínkách, které zvyšují jejich finanční náročnost, kdežto biomasu můžeme sklízet opakovaně na jednom místě. Z ekologického hlediska má spalování biomasy významnou výhodu oproti spalování fosilních paliv. Při spalování biomasy se do ovzduší uvolní látky, které rostlina během svého života absorbovala do svého těla. Spalováním fosilních paliv se do ovzduší uvolňují látky, které jsou konzervovány po miliony let, ty následně ovlivňují ostatní zemské pochody, které mají vliv na globální oteplování. 7

2. Abstrakt Předkládaná práce má za úkol seznámit čtenáře s problematikou energetického využívání biomasy v kotlích malých výkonů, jenž se u nás využívá pro tyto účely v menší míře, než ve Skandinávii, nebo v západní Evropě. Práce je strukturována do kapitol, které se zabývají specifickou problematikou tématu. Kapitola Literární přehled pojednává o hlavních pojmech dané problematiky, následují informace o vzniku a složení rostlinné biomasy, energetickém obsahu, využití při výrobě tepla, tuto kapitolu zakončují zařízení sloužící ke spalování biomasy. V kapitole vypracování jsou uvedeny způsoby výpočtů tepelné spotřeby objektu, následují cenové relace jednotlivých druhů biomasy, nakonec je uvedeno porovnání nákladů na vytápění. Abstract This thesis aims to introduce readers to the key issues regarding energetic use of biomass,which is less used for these purposes in our country, than in Scandinavia or western Europe. Thesis is divided into chapters, which deal with particular issues of this topic. Chapter Literary Digest covers the key terms of the topic, followed by information about the origin and composition of plant biomass, energy content, the use of heat, this chapter concludes by explanation of equipment for biomass burning. In chapter Development are mentioned the main methods for calculating thermal output, that are followed by price relations of various types of biomass, in the end there is a comparison of heating costs. Klíčová slova: Biomasa, energie, kotel 8

3. Cíl bakalářské práce Cílem bakalářské práce je shromáždit a utřídit poznatky a dostupné informace o významu biomasy, jejím složení, možnostech jejího využití pro energetické účely v kotlích malých výkonů, včetně stanovení nákladů na palivo, doplněné aktuálními cenami jednotlivých druhů biomasy a porovnáním nákladů na vytápění. 9

4. Literární přehled 4.1. Terminologie Biomasa - je souhrn látek tvořících těla všech organismů, jak rostlin, bakterií, sinic a hub, tak i živočichů. Tímto pojmem často označujeme rostlinnou biomasu využitelnou pro energetické účely. Energie biomasy má svůj prapůvod ve slunečním záření a fotosyntéze, proto se jedná o obnovitelný zdroj energie. Ekologie definuje biomasu jako celkovou hmotu jedinců určitého druhu, skupiny druhů nebo všech druhů společenstva na určité ploše. U rostlin se vyjadřuje v hmotnosti sušiny, u živočichů také v čerstvé hmotnosti (v joulech, dříve i v kaloriích, obsahu uhlíku ap.). U půdních a vodních organismů může být vztažena také k celkovému objemu (litr, cm 3, m 3 ). U rostlin je rozlišována biomasa podzemní nebo nadzemní, biomasa živá nebo mrtvá (stařina). URL: http://cs.wikipedia.org/wiki/biomasa#ekologick.c3.a1_definice_biomasy [12.4.2011] (Pastorek, Kára, Jevič) uvádějí, že roční celosvětová produkce biomasy se podle propočtu odborníků pohybuje kolem 100 miliard tun, energeticky vyjádřeno je to 1400 EJ, kdežto celosvětová spotřeba činí 300 EJ, což je téměř pětkrát méně. (Quaschning) uvádí, že člověk využívá v současné době pouze 4% vzniklé biomasy, z toho se 2% spotřebují k výrobě potravin a krmiv, 1% se spotřebuje jako ve dřevařském průmyslu a 1% se spotřebuje jako palivo k výrobě energie, což znamená 10% pokrytí světové spotřeby. Fytomasa - je objem rostlinné hmoty (zejména jejích organických látek) vytvořený díky působení fotosyntézy na určitém území. Množství (hmotnost) fytomasy se stanovuje především v suchém stavu, bez vody. Často je tento termín používán v souvislosti s nekonvenční (nepotravinářskou) zemědělskou činností a následnými energetickými přeměnami (např. zplyňování, spalování) za účelem produkce elektrické energie nebo alternativních pohonných hmot a paliv. 10

Dendromasa Objem veškeré dřevní hmoty, kterou rostlina vytvořila za svůj život působením fotosyntézy včetně hmoty nehroubí (na tenčím konci menším než 7 cm) a kořenů. URL: http://cs.wikipedia.org/wiki/fytomasa [12.4.2011] 4.2. Vznik rostlinné biomasy Rostliny přijímají z atmosféry oxid uhličitý a v procesu fotosyntéza pomocí barviva chlorofylu a energie získané během slunečního záření redukují a vytvářejí z něj glukózu a posupně řadu dalších složitých organických sloučenin, které jsou nezbytně nutné k jejich životu. Při tomto procesu vystupuje kyslík jako odpadní produkt. Tento uvolněný kyslík nepochází z oxidu uhličitého, nýbrž z vody. Ta je přítomna v rostlině vždy, protože všechny reakce v živých organismech probíhají ve vodě. Teoretické množství energie, které je třeba na přeměnu 44g, tzn. 23 litrů oxidu uhličitého na 30 g glukózy (nebo škrobu či celulózy), je 0,13 kwh, což představuje množství energie, která dopadne za slunečního dne na plochu 1m 2 za dobu asi 8 minut. Žádná rostlina není schopna z 0,13kWh vyrobit 30g celulózy. Rostliny neumí využívat veškeré dopadající sluneční záření, jelikož je fotosynteticky aktivní pouze záření o vlnové délce 400-700 nm. Infračervené záření rostliny nevyužívají, naopak je velmi dobře odrážejí. Ta část záření, která je pohlcena zelenými částmi rostlin tzn. absorbované fotosynteticky aktivní záření, může být využita v procesu fotosyntézy a následné tvorby biomasy. Za ideálních podmínek, při použití monochromatického světla je účinnost fotosyntézy přes 30%, při normálním slunečním světle se pohybuje maximální účinnost kolem 13% max. 25%, tato hodnota je srovnatelná s fotovoltaickými články. Rostlina k výrobě biomasy krom světla a oxidu uhličitého potřebuje ještě další látky. Důležité jsou zejména minerální látky (dodávají se hnojením), optimální, nebo alespoň přiměřená teplota a dostatek vody. To, kolik uhlíku z atmosférického oxidu uhličitého je rostlinou přeměněno na biomasu, se nazývá čistá primární produkce. Ta je 11

důležitá při posouzení vhodnosti rostlin z hlediska výnosů biomasy. Rostlina ale část energie spotřebuje pro pochody, které jsou nezbytné. Výsledná produkce čisté biomasy je pak podstatně nižší. Např. cukrová třtina, která se v tomto ohledu řadí na první místa má účinnost cca 8%. Oxidací biomasy, tzn. oxidací sloučenin, které vznikly v procesu fotosyntézy, lze tuto energii zpětně uvolnit a využít. Rostlinná biomasa je potravou (zdrojem živin a energie) pro řadu dalších organismů včetně člověka. Pro tuto oxidaci se využívá atmosférický kyslík a produktem je opět oxid uhličitý. (Murtinger, Beranovský 2011) 4.3. Složení rostlinné biomasy Z chemického hlediska je rostlinná biomasa tvořena řadou různých sloučenin. Jako zdroj energie mají největší význam: Celulóza : Škrob : Lignin : Oleje : Pryskyřice 4.3.1. Celulóza Patří mezi základní stavební jednotky rostlinných buněk, je velmi významná a vyskytuje se ve všech složkách biomasy. Velmi snadno přijímá vodu a vlhne, v suchém stavu je velmi stálá. Z chemického hlediska se jedná o složený polysacharid sestávající se z velkého počtu navzájem propojených molekul glukózy. Jednotlivé jednotky glukózy jsou spojeny dlouhými vazbami a tvoří velmi dlouhé řetězce, které jsou nerozpustné ve vodě. Celulóza se společně s ligninem podílí na tvorbě buněčných sekundárních stěn. V průmyslu se celulóza používá k výrobě papíru a k výrobě textilií. Výhřevnost celulózy v suchém stavu je 18 MJ/kg. 12

4.3.2. Škrob Je to zásobní látka rostlin, nachází se převážně v hlízách nebo semenech. Ve srovnání s celulózou se snadněji enzymaticky štěpí na jednoduché cukry, které lze následným kvašením dále přeměnit. Z chemického hlediska se jedná o polysacharid skládající se ze stejných základních částí jako celulóza. Patří mezi hospodářsky a fyziologicky nejdůležitější polysacharidy, používá se v potravinářství, k výrobě lepidel, léků atd. URL: http://cs.wikipedia.org/wiki/lignin [12.4.2011] 4.3.3. Lignin Velmi důležitá stavební látka, zajišťující mechanické zpevnění buněčných stěn, je také součástí kapilár, které v rostlině vedou živiny a vodu. Obsah ligninu tvoří zhruba 26-35% hmotnosti dřeva, je vyšší u jehličnanů než u listnáčů. Lignin je po celulóze druhou nejčastější organickou sloučeninou na Zemi, tvoří 25 % rostlinné biomasy. Z chemického hlediska je lignin velmi komplikovaný, můžeme říci, že se jedná o směs polymerů. Jeho základ netvoří sacharidy, jak je tomu u celulózy, nýbrž aromatické alkoholy. Lignin není tak hydrofilní jako celulóza a má taktéž vyšší výhřevnost, je tepelně nestálý, jeho působením dřevo časem hnědne. Lignin je tepelně málo stabilní, tepelný rozklad nastává při 140 C, toho se využívá při výrobě pelet, kdy za působení tlaku vzniká vysoká teplota, lignin se stane plastický a slouží jako přírodní pojivo. 13

Obrázek 1 Struktura ligninu URL: http://www.lsuagcenter.com/nr/rdonlyres/2bfa271a-2e94-4cd1-a3f9- E72A1794BE62/28919/StructureoftheLigninMoleculeCourtesyofEspere_w400.jpg [8.5.2011] 4.3.4. Oleje Tyto sloučeniny plní v rostlinách zpravidla funkci energetického akumulátoru, proto je nacházíme často v semenech (představují výživu, zdroj energie pro počáteční růst klíčící rostliny). Jedná se o sloučeniny mastných kyselin, např. kyselina palmitová, olejová atd., a trojsytného alkoholu glycerinu. Význam olejů z energetického hlediska spočívá v tom, že dosahují vysoké výhřevnosti (kolem 37 MJ/kg), jsou kapalné a lze je tedy využívat jako palivo spalovacích motorů automobilů. (Murtinger, Beranovský 2011) 14

4.3.5. Pryskyřice Je obsažena výhradně ve dřevě jehličnatých stromů, je tvořena směsí uhlovodíků (terpeny). Vzhledem k vyšší výhřevnosti pryskyřice oproti celulóze nebo ligninu, má dřevo jehličnanů obsahujících pryskyřici vyšší výhřevnost než dřevo listnatých stromů. (Murtinger, Beranovský 2011) 4.4. Výhřevnost, spalné teplo Výhřevnost dokonale suchého a zdravého dřeva (dřevo není zasaženo hnilobou), je značně vysoký, u listnáčů je to 18 MJ/kg, u jehličnanů s obsahem pryskyřice je to až 19 MJ/kg. Podobné výhřevnosti dosahují stébelniny, zejména suchá sláma obilovin a traviny, což znamená, že dosahují téměř poloviny výhřevnosti černého uhlí. (Simanov 1993) Spalné teplo je množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením jednotkového množství paliva. Předpokládá se, že voda uvolněná spalováním zkondenzuje a energii skupenského tepla není potřeba redukovat o její skupenské teplo. Tím se spalné teplo liší od výhřevnosti, kde se předpokládá na konci reakce voda v plynném skupenství. Spalné teplo je proto vyšší nebo shodné s hodnotou výhřevnosti. URL: http://cs.wikipedia.org/wiki/spaln%c3%a9_teplo [8.5.2011] Biomasa ale vždy obsahuje nejméně 10% vody (pelety), čerstvě skácené dřevo má vlhkost 40-60%, proto je potřeba nechat ho alespoň 2 roky vysýchat na dobře větraném místě, čímž se dostane na hodnotu 15-20%, což je pro spalování daleko výhodnější. Energetický obsah se snižuje taktéž působením času a činností mikroorganismů a hub. (Pastorek, Kára, Jevič) Relativní vlhkost dřeva se vypočítá jako rozdíl hmotnosti vzorku vlhkého dřeva ku hmotnosti dřeva po vysušení vydělený hmotností původního vzorku vlhkého dřeva. Hodnota relativní vlhkosti nikdy nepřesáhne 100%. 15

Absolutní vlhkost dřeva je vlhkost vztažená k suchému dřevu. Při takovém způsobu vyjádření vlhkosti mohou nabývat hodnoty více než 100%. Tabulka 1 Výhřevnost biomasy v závislosti na obsahu vody Obsah vody Palivo Dřevo Kůra % MJ/kg kwh/kg MJ/kg kwh/kg 0 18,5 5,1 18,8 5,2 10 16,4 4,6 16,7 4,6 20 14,3 4,0 14,6 4,1 30 12,2 3,4 12,5 3,5 40 10,1 2,8 10,5 2,9 50 8,0 2,2 8,4 2,3 60 6,0 1,7 6,3 1,8 (Pastorek, Kára, Jevič) Graf 1 Závislost výhřevnosti na relativní (1) a absolutní vlhkosti (2) URL: http://www.rarsm.cz/download/cd3/vyroba_zpracovani_vyuziti_biomasy.pdf [8.5.2011] 16

Tabulka 2 Výhřevnost jednotlivých druhů biomasy DRUH PALIVA Listnaté dřevo Jehličnaté dřevo OBSAH VODY [%] [MJ/kg] VÝHŘEVNOST MĚRNÉ HMOTNOSTI [kg/m3]= [kg/plm] [kg/prm] 15 14,605 678 475 278 15 15,584 486 340 199 Borovice 20 18,4 517 362 212 Vrba 20 16,9 Olše 20 16,7 Habr 20 16,7 Akát 20 16,3 Dub 20 15,9 685 480 281 Jedle 20 15,9 Jasan 20 15,7 Buk 20 15,5 670 469 275 Smrk 20 15,3 455 319 187 Bříza 20 15,0 Modřín 20 15,0 Topol 20 12,9 Dřevní štěpka Sláma obilovin Sláma kukuřice 30 12,18 210 [kg/prms] 10 15,49 120 (balíky) 10 14,40 100 (balíky) Lněné stonky 10 16,90 140 (balíky) Sláma řepky 10 16,00 100 (balíky) URL: http://www.trever-eve.eu/news/vliv-vlhkosti-na-vyhrevnost-biomasy/ [18.4.2011] 17

4.5. Využití biomasy při výrobě tepla Významná část vyrobené energie se přímo spotřebovává na vytápění a ohřev teplé vody v domácnostech nebo průmyslu. V dnešní době existují kotle pro pyrolytické spalování dřeva s účinností okolo 90%. Při výrobě tepla z biomasy vzniká tepelná energie tím nejjednodušším způsobem, kterým je hoření. Hoření biomasy je dosti složitý řetězec na sebe navazujících chemických reakcí probíhajících za vysoké teploty, za přítomnosti vzdušného kyslíku, jehož výsledkem je zjednodušeně řečeno energie, oxid uhličitý a voda. Při nedokonalém spalování mohou vznikat nežádoucí a často také toxické látky (oxidy dusíku, polycyklické aromatické uhlovodíky, mikroskopické částice uhlíku- saze apod.). (Murtinger, Beranovský 2011) 4.5.1. Procesy probíhající při hoření biomasy Velmi významnou vlastností biomasy, především dřeva, je velmi vysoký obsah tzv. prchavé hořlaviny. Během zahřívání se postupně začínají vytvářet hořlavé plyny, tento proces je nejintenzivnější při teplotách 200 až 300 C. V důsledku tohoto jevu hoří dřevo tzv. dlouhým plamenem, tím se na spalovací prostory topenišť kladou vysoké nároky z důvodu účinnosti spalování. Při spalování dřeva (a všech forem biomasy)je důležité zajistit objemný spalovací prostor, aby spalovaný plyn byl co nejvíce využit, a aby nebyl bez užitku vypouštěn do komína, anebo v komíně vyhořel. Do procesu spalování se proto ke vzniklým hořlavým plynům přivádí tzv. sekundární vzduch, jenž se promísí s hořlavými plyny a spalování probíhá za příhodných podmínek, za tvorby minimálního množství imisí. K tomu je zapotřebí dostatečná spalovací teplota a dostatečné množství spalovacího vzduchu. 18

Tabulka 3 Obsah prchavé hořlaviny- typické hodnoty Palivo Výhřevnost (průměrné hodnoty), [MJ/kg] Prchavá hořlavina (průměrné hodnoty), [%] Koks 28,5 1,5 Černé uhlí 27 20 Hnědé uhlí 16 55 Dřevo 14 75 Sláma 16 80 Biomasa má jednu zásadní nevýhodu oproti ušlechtilým palivům, nevýhodou je její obsah vody, který je značně proměnlivý (biomasa potřebuje ke svému vzniku značný obsah vody), poměrně vysoký obsah vody je rovněž způsoben značnou hygroskopičností hlavní složky biomasy (dřeva) tj. ligninu. Ten způsobuje to, že i vzduchosuché dřevo např. 20 až 25% vlhkosti během měsíce zvlhne na 40 až 50% z důvodu nevhodného skladování nebo přítomnosti značné vzdušné vlhkosti. Voda přítomna ve dřevě má pro jeho energetické využití velmi vysoký vliv, jak již bylo řečeno výše. Například uhlí není náchylné k přijímání vody tak jako dřevo, proto může při skladování zmoknout, a to bez značné ztráty výhřevnosti. Během spalování dřeva probíhají následující procesy: Při zahřívání nastane nejdříve odpařování vody, která je přítomna ve dřevě vždy. Jelikož má dřevo poměrně špatnou tepelnou vodivost a voda vysoké výparné teplo, dochází u větších kusů dřeva (špalků) k tomuto procesu ještě velmi dlouho potom, kdy dřevo na povrchu již začalo hořet. K odpařování vody je potřeba velkého množství tepla a voda velmi efektivně dřevo chladí. Teprve po odpaření vody ve vysušené zóně vzroste teplota a začne docházet k uvolňování dalších prchavých látek a k tepelnému rozkladu (pyrolýza) jednotlivých látek (ze kterých se dřevo skládá). Vznikne směs hořlavých plynů a na roštu žhne dřevěné uhlí. Uvádí se, že uvolněná prchavá hořlavina (plyny) v sobě nese polovinu energetického potenciálu ve dřevě obsaženému. Primární vzduch umožňuje žhnutí dřevěného uhlí, které iniciuje vznik hořlavých plynů. Hořlavé 19

plyny promísené se vzduchem, který je přiváděn mimo rošt (sekundární vzduch) hoří ve formě dlouhého plamene (dochází k sekundárnímu spalování). Je- li pod rošt přiváděn přebytek vzduchu, plamen se příliš ochladí a vysoká část hořlaviny se usadí v komíně ve formě sazí (uhlík). Je- li vzduchu malé množství, tak nemůže dojít k úplnému spálení hořlavých plynů (oxidaci až na oxid uhličitý). V každém případě to znamená, že ztratíme poměrně značnou část (až 50%) energie v palivu obsažené. Z těchto důvodů je potřeba zajistit, aby spalovací komora, v níž probíhá hoření, měla dostatečně vysokou teplotu tzn. aby byla dokonale tepelně izolována a aby se do plamene v určité vzdálenosti nad roštem přimíchával tzv. sekundární vzduch, který umožňuje úplnému dohoření zbylých, doposud nespálených, plynů. Tím se uvolní i zbylá energie, která je v palivu obsažená a do komína pak odchází pouze oxid uhličitý, vodní pára a oxidy dusíku. Pokud je teplota plamene dostatečně vysoká, dochází v určité míře k reakci dusíku a kyslíku za vzniku směsi oxidů dusíku, ale tato reakce je z hlediska energetického využití nevýznamná, nicméně velmi důležitá z hlediska tvorby škodlivých exhalátů. (oxidy dusíku jsou zařazeny mezi škodlivé emise). Značná délka plamene a potřeba zajistit jeho poměrně vysokou teplotu znamená nutnost používat velké ohniště a umístění teplosměnných ploch až na konci plamene, aby plamen nebyl zbytečně ochlazován, jinak se vytvoří saze, které je zanášejí a pochopitelně se tím také postupně snižuje účinnost spalování. Zbývající žhavé uhlí na roštu se spaluje pomaleji, jelikož pouze žhne a nevytváří už dlouhý plamen; jeho spalování je v podstatě analogické jako u spalování koksu. Zpravidla při tom vzniká část oxidu uhelnatého, který je spalován až v místě přívodu sekundárního vzduchu. Pokud došlo k uvolnění veškerých hořlavých plynů a v topeništi zůstalo již jen dřevěné uhlí, je možné velmi snadno regulovat výkon kotle v poměrně širokém rozsahu změnou přiváděného množství primárního vzduchu. Zajistit, aby spalování probíhalo způsobem, který byl uvedený výše, není v malých topeništích vůbec jednoduché. Ve velkých kotlích je více možností jak zamezit ochlazování plamene a dokonale dávkovat do spalovací komory vzduch potřebný k optimálnímu spalování jak dřevěného uhlí, tak uvolněných hořlavých plynů. Např. u velkých kotlů s výkonem nad 1MW dosahují plameny zhruba 5 m délky, do horní části plamene se přidává ještě terciární vzduch a celý systém dávkování vzduchu je řízen komplexně počítačem na základě údajů o složení spalin a obsahu kyslíku. 20

Důmyslně vyřešené spalování prchavé hořlaviny je proto důležitou podmínkou k dosažení vysoké účinnosti při spalování biomasy ve všech jejích formách. Při spalování biomasy se vytváří také velmi jemný polétavý popílek, který zanáší teplosměnné plochy a spalinové tahy. Proto mají zvláště velké kotle zařízení na odstraňování popílku z povrchů jednotlivých tepelných výměníků (lamel) kotle. U malých kotlů používaných v rodinných domech se údržba provádí ručním nebo automatickým čištěním. Většina popela zůstane na roštu a obecně platí, že ve srovnání s hnědým uhlím produkuje spalování dřeva jen velmi málo popela. URL: http://www.topenidrevem.cz/index.php?page=clanek&rid=23260b2e3d6786927f2520 d99f7009a3&cid=4524cab599676 [18.4.2011] 4.5.2. Pyrolytické spalování biomasy V poslední době se začaly objevovat kotle, používající tzv. pyrolytického spalování. Je to systém spalování biomasy ve dvou oddělených komorách, tím je dosaženo daleko vyšší účinnosti spalování a výraznému snížení vznikajících exhalátů, než u běžných kotlů používajících k výrobě energie klasického prohořívání. V horní komoře, přikládací prostor obsahující dřevo, probíhá první fáze hoření. Při této fázi se dřevo zahřívá na 200 až 300 C, odpařuje se voda a vytváří se dřevoplyn, ve spodní části dochází k částečnému hoření dřevěného uhlí. Všechny tyto děje v horní komoře probíhají za omezeného přístupu vzduchu. Vzniklý dřevoplyn prochází keramickou tryskou do spodní komory, kde za přístupu potřebného množství vzduchu hoří plamen o teplotě přesahující 1000 C. Spodní komora je ošetřena proti tak vysoké teplotě keramickou vrstvou, podobně jako spalovací tryska. Tím, že hoření dřevoplynu probíhá za řízených podmínek, je možné dosáhnutí vysoké účinnosti a nízkého obsahu škodlivých látek v exhalátech. Z chemického hlediska lze pyrolýzu rozdělit do 3 teplotních intervalů. V oblasti teplot do 200 C dochází k sušení a tvorbě vodní páry fyzikálním odštěpením vody. Tyto procesy jsou silně endotermické. V rozmezí teplot 200 až 500 C následuje oblast tzv. 21

suché destilace. Zde nastává ve značné míře odštěpení bočních řetězců z vysokomolekulárních organických látek a přeměna makromolekulárních struktur na plynné a kapalné organické produkty a pevný uhlík. Ve fázi tvorby plynu v oblasti teplot 500 až 1200 C jsou produkty vzniklé suchou destilací dále štěpeny a transformovány. Přitom jak z pevného uhlíku, tak i z kapalných organických látek vznikají stabilní plyny, jako je H 2, CO, CO 2 a CH 4. URL: http://cs.wikipedia.org/wiki/pyrol%c3%bdza [19.4.2011] 4.5.3. Karbonizace Patří k nejstarším metodám zušlechťování dřevní suroviny k energetickým účelům. Dřevěné uhlí se vyrábí v karbonizačních pecích pomocí suché destilace. Při tomto procesu vznikne palivo s obsahem uhlíku minimálně 80%, s obsahem prchavých látek max. 12%, vlhkostí 8% a výhřevností s průměrnými hodnotami 27, 2 MJ/kg. Objemová výtěžnost dřevěného uhlí se pohybuje v rozmezí 33 až 35% v závislosti na použité dřevině. Pro výrobu dřevěného uhlí může být použita hmota hroubí i nehroubí, s pokud možno co nejméně suky. Hniloba je nežádoucí, neboť způsobuje samovznícení uhlí po vyjmutí z pece a snižuje výtěžnost. Z hlediska výtěžnosti získáme z 1m 3 dřeva 140 až 180 kg dřevěného uhlí, 280 až 400 kg kapalin a 80 kg hořlavých plynů. (Pastorek, Kára, Jevič) 22

Tabulka 4 Výtěžnost dřevěného uhlí Druh dříví výtěžnost dřevěného uhlí hmotnostní objemová buk, dub 20 až 22 52 až 56 bříza 20 až 21 65 až 68 borovice 22 až 25 60 až 64 smrk 23 až 26 65 až 75 větve 19 až 22 38 až 48 (Quaschning) 4.6. Zařízení sloužící ke spalování biomasy V pradávných dobách využíval pračlověk volného otevřeného ohně. V dnešní době je tato možnost zcela nevyhovující jak z hlediska praktického (rozdělávat oheň na podlaze v obývacím pokoji je holý nesmysl), tak z hlediska regulace, která spočívala pouze v dávkování paliva. Postupem času se začal člověk usazovat na určitých místech vhodných k přežití. V těchto obydlích se začaly vyvíjet různé typy ohnišť na přípravu tepelně upravených pokrmů, které daly vznik dnešním krbům a kamnům, tak jako je známe dnes. Dalším vývojovým článkem jsou kachlová kamna používaná již v 15. Stol. Posledním, v dnešní době nejpoužívanějším zdrojem tepla jsou teplovodní kotle, spalující biomasu v kusové formě (dřevo), nebo spalují granulované palivo známé pod názvem pelety. Toto palivo se používá v automatických kotlích, jejichž komfort je srovnatelný s plynem. 4.6.1. Krby Nejstarší tepelný zdroj, používaný u uzavřené místnosti. Dodnes se hojně využívá, avšak pouze uzavřené typy, otevřené slouží jako doplněk interiéru, ve které udržuje oheň plynový hořák. Najdou se však domy, ve kterých plní funkci primárního zdroje tepla, jejich výskyt je v takovém případě ale ojedinělý. 23

Krb je složen z několika jednotlivých částí, které tvoří dohromady vytápěcí zařízení. Mezi jeho základní části patří Ohniště- je to místo, ve kterém se udržuje oheň, do tohoto místa se také přikládá palivo, Popelník slouží k hromadění nespáleného paliva, u krbů bez roštu se nachází ve spod ohniště, u krbů vybavených roštem najdeme popeliště pod tímto zařízením, zde je možno vybírat popel za provozu, kdežto v prvním případě musíme počkat na úplné vyhasnutí krbu. Největší množství tepla krb svému okolí předává sáláním, poměrně malé množství sáláním přes komín. Takovýchto vlastností se využívalo především ve velmi špatně izolovaných stavbách, kde nebylo možné dosáhnout požadované teploty. Otevřený krb je z energetického hlediska značně neekonomický, jeho ohniště je neustále ochlazováno okolním vzduchem, další problém je nasávání vzduchu z vytápěné místnosti, tím se teplota místnosti snižuje a značné množství tepla uniká do komína. Regulace přívodu vzduchu není možná a proto při spalování vzniká velké množství škodlivých emisí. Účinnost otevřeného krbu zpravidla nepřesahuje 20%. Z těchto důvodů se v dnešní době vyrábí krbové vložky, jsou to vlastně uzavřené krby, které mají přívod vzduchu vyřešen zvláštním nasávacím kanálkem, který je předehříván na základě propojení s komínem, tím je do jisté míry zabráněno ochlazování ohniště. K vytápění místnosti se používá teplovzdušný výměník, který vytápí pouze místnost, v níž se krb nachází, nebo lze na toto zařízení připojit ventilátor, který je schopen dodávat tepelnou energii i do ostatních místností. Na trhu existují také speciální krbové vložky, se kterými lze krb napojit na ústřední vytápění, nebo ohřívat vodu. Účinnost krbů uzavřených i instalovanou vložkou se pohubuje kolem 50 až 80%. 24

Obrázek 2 Uzavřený krb URL: http://www.topsys.cz/img_krby/1218626628.jpg [19.4.2011] 4.6.2. Kachlová kamna Patří také k dosti starému vynálezu. Nejstarší dochovaná kamna se nacházejí v Itálii ve městě Meran a pocházejí z 15. Stol. Nejvíce se kachlová kamna rozšířila v 16. Stol., během tzv. malé doby ledové. Ve srovnání s krbem mají kachlová kamna řadu výhod, mezi jednu z hlavních patří jejich vysoká účinnost (80%), které se docílilo tím, že spaliny nevstupuje přímo do komína, jak je tomu u krbu, ale prostupuje řadou různých výměníků tepla (kanálů), zvyšujících účinnost. Tyto kamna mají také daleko lepší regulovatelnost přívodu vzduchu. Jejich nesporná výhoda je vysoká akumulační schopnost a možnost vytápění i ostatních místností. Kamna se hodí do domů s malou akumulační schopností, jako jsou např. dřevostavby. (Morávek 1974) 25

Obrázek 3 Kachlová kamna URL: http://www.kachlaky.cz/fotogalerie/kuchynske/img00006.jpg [19.4.2011] 4.6.3. Teplovodní kotle V dnešní době patří teplovodní kotle k nejpoužívanějším zdrojům tepla jak pro použití v rodinných domech, tak pro průmyslové a komerční využití. Jako médium pro přenos energie slouží voda. Použití teplovodního kotle v nízkoenergetickém domě je značný problém, z důvodu velmi nízké tepelné ztráta, z čehož vyplývá, že běžné kotle jsou pro tyto domy nepoužitelné z důvodu velkého výkonu. Kotel by byl provozován za sníženého výkonu, tzn. dehtování a tvorba škodlivých exhalátů. Použití ústředního vytápění a kotle jako zdroje tepla pro vytápění běžné domácnosti, s výjimkou výše zmíněných nízkoenergetických staveb má celou řadu výhod v porovnání s topidly lokálními, používanými přímo v obytných místnostech. Vysoké účinnosti spalování dosáhneme tím, že vytápíme celý dům a z toho důvodu jsou 26

používány kotle vyšších výkonů (kotle na dřevo je výhodné konstruovat pro vyšší výkony z důvodu tzv. dlouhého plamene. Lze používat delší kusy paliva (dřeva), a tím je značně zjednodušena jeho příprava. K další velmi významné výhodě patří fakt, že je zdroj tepla umístěn mimo obytné místnosti, a tím nevzniká nutnost přes tyto místnosti palivo přenášet. Z ekonomického hlediska jsou pořizovací náklady ústředního vytápění nižší než součet pořizovacích cen jednotlivých zdrojů tepla pro vytápěné místnosti. Na trhu je celá řada výrobců kotlů, kteří nabízejí své výrobky ve výkonových variantách cca od 20 kw. Je- li použito palivo, jehož vlhkost je nejvýše 20%, je možno kotel krátkodobě provozovat na 40% jmenovitého výkonu tzn. cca 8 kw. Tuto hodnotu nelze v technických a fyzikálně- chemických vlastností překročit, jelikož dojde ke zhroucení pyrolytického procesu, prudce poklesne účinnost spalování, začne se tvořit dehet a kotel při takovémto režimu produkuje značné množství škodlivých emisí. V nedávné době, po zkušenostech ze severských zemí, začali výrobci dodávat k pyrolytickým kotlům akumulační nádrže, sloužící k ukládání přebytečného, v danou chvíli nepotřebného tepla, které je využito později. (Murtinger, Beranovský 2011) Obrázek 4 Schéma zapojení kotle s akumulační nádrží URL: http://www.atmos.cz/czech/images/kotle-009/schema-kotel-s-horakem-app.gif [20.4.20011] 27

Akumulační nádrž umožňuje přizpůsobit kotel celé otopné soustavě, kotel se nemusí provozovat na snížený výkon, může pracovat po celou dobu používání na jmenovitý výkon bez ohledu na momentální potřebu tepla vytápěného objektu. Takovýto provoz kotle je žádoucí, neboť nedochází k tvorbě škodlivých látek a spalování je ekonomické. Vyprodukované teplo je po celou dobu provozu akumulováno v akumulační nádrži a v případě potřeby je pomocí ovládacích prvků a podle pokynů regulačního zařízení odebíráno a použito např. pro vytápění nebo ohřev vody. Mezi kotel a akumulační nádrž je instalován směšovací ventil, zajišťující teplotu otopné vody v kotli nad hranicí kondenzace spalin, která je závislá na vlhkosti paliva a její hodnota činí cca 60 C. Takovéto zařízení a uzpůsobení otopné soustavy je velmi výhodné v přechodných obdobích (na jaře a na podzim), kdy se nevyužívá jmenovitého výkonu kotle a uživatelé jsou nuceni provozovat kotel, který není napojen k akumulační nádrži, na snížený výkon. Při používání akumulačních nádrží v přechodných obdobích se ušetří také značné množství paliva. Kotel pracuje v účinném režimu a stačí 2 až 3 krát přiložit (závisí na objemu použité akumulační nádrže), a nechá se vyhasnout, poté se odebírá energie, která je uložena v akumulační nádrži, takovýto provoz je značně komfortní i pro obsluhu, která se během odebírání tepla z nádrže nemusí starat o provoz kotle. Do akumulačních nádrží je možno instalovat elektrickou vložku, která využije elektrickou energii v akumulační sazbě, takto upravená nádrž může sloužit jako doplňkový zdroj tepla např. při výměně nebo poruše kotle, nebo jako primární zdroj energie během zimní dovolené. (Murtinger, Beranovský 2011) Přehled některých výrobců kotlů pro pyrolytické spalování dřeva: ATMOS- dodává kotle na kusové dřevo, účinnost 81 až 87%, výkonové varianty 15 až 100 kw. URL: http://www.atmos.cz/czech/kotle-001-kotle-na-drevo [22.4.2011] DAKON- kotle na kusové dřevo, účinnost až 85%, výkonové varianty od 18 do 38kW. URL: http://www.dakon.cz/cs/kp-pyro-1.html [22.4.2011] 28

VIADRUS- kotle na kusové dřevo, účinnost až 90%, výkonové varianty 30 až 100kW. URL:http://www.viadrus.cz/web/structure/rucni-prikladani- 80.html?do[loadData]=1&itemKey=cz_13 [22.4.2011] VIESSMANN- kotle na kusové dřevo, výkonové varianty 25 až 80 kw. Vybaven speciální násypkou, umožňující přikládání i v nejnižší výkonové variantě polena o délce 50 cm. URL: http://www.viessmann.cz/cs/products/holzkessel/vitolig_100.html [22.4.2011] 4.6.4. Teplovodní kotle na pelety Jsou to klasické teplovodní kotle uzpůsobené pro spalování pelet, tím uzpůsobením je myšleno především jejich distribuce ke kotli a jejich vlastní spalování. Přívod pelet do spalovacího prostoru kotle je řešen šnekovým dopravníkem, který má za úkol přemisťovat palivo ze skladu přímo do spalovacího prostoru. Samotné spalování probíhá na speciálně konstruované trysce, vzniklý popel propadává na spodní část kotle do popeliště, odkud je vynášen jedenkrát týdně. Celý systém distribuce paliva je řízen regulačním systémem, aby bylo možné dodat dostatečné množství tepelné energie. Pelety vynikají svojí nízkou vlhkostí cca 10%, což má značný vliv na jejich výhřevnost pohybující se podle druhu pelet v rozmezí 15-18 MJ/kg, a z toho důvodu jsou využívány v nízkoenergetických domech, vlastnosti paliva dovolují provozování kotle na značně nižší výkon, než je u kotle spalujícího dřevní hmotu, jejich další značnou výhodou je jejich nenáročnost při přípravě v porovnání s palivovým dřevem, které je potřeba zpracovat na vhodné rozměry, odpovídající rozměrům spalovací komory kotle a úpravou jeho vlhkosti, čerstvé dřevo je potřeba alespoň dva roky vysoušet, než se dostane k vlhkosti 20%, která je vhodná pro spalování. Tyto činnosti odpadají při použití pelet jako paliva. Zakoupené palivo přiveze speciální nákladní automobil vybaven vzduchotechnickým zařízením a pomocí hadice přepraví palivo do skladovacího prostoru, který může být umístěn v domě, nebo z nedostatku prostoru i mimo něj. Palivo se ke kotli dostane také bez pomoci lidské síly, a to šnekovým 29

dopravníkem zmiňovaným již dříve. Tento komfort je vyvážen cenou pelet, která se odráží na ceně vyrobené energie. Tento způsob vytápění je nejvhodnější pro lidi, kteří tráví celý den v zaměstnání a jejich absence u běžného kotle by znamenala v zimním období neefektivnost otopné soustavy, způsobenou častým zatápěním a provozem kotle při nevhodných podmínkách způsobených natápěním kotle celé otopné soustavy. Obrázek 5 Kotel na pelety v řezu URL:http://guntamatic.esel.cz/Upload/WYSIWYG/Image/GUNTAMATIC/schema/BIOC OM(1).jpg [23.4.2011] Jak již bylo uvedeno výše, pelety jsou vysoce zhodnocená biomasa, komfortem vytápění srovnatelné téměř se zemním plynem nebo elektřinou, jejich výroba je ale poměrně energeticky náročná a k jejich výrobě se používá drahé zařízení. Při výrobě dřevěných pelet je surovinou čistá dřevní hmota ( k výrobě je vhodná velikost částic 2 až 3 mm). Tyto částice by měly obsahovat pokud možno co nejmenší podíl prachu, který snižuje pevnost vyrobených pelet, což je nežádoucí, pelety by se 30

mohly během přepravy, a nebo v horším případě ve šnekovém dopravníku znehodnotit. Obsah vody v surovině k výrobě pelet nesmí přesáhnout 10%, vlhkost má vliv na kvalitu a pevnost vyrobených pelet, proto se dřevní surovina, překročí- li stanovenou vlhkost dále vysouší. Vlhká surovina se vysouší buďto přímo spalinami vznikající při spalování, nebo horkým vzduchem, jehož proudění zajišťuje ventilátor a teplota vysoušecího vzduchu se pohybuje v rozmezí 150-160 C. Takto se vysouší dřevní surovina u velkovýrobců pelet, kteří si mohou dovolit drahé vysoušecí systémy, menší výrobci pelet používají k vysoušení teplo, vzniklé využitím sluneční energie a pomocí běžného otopného systému provádějí samotné sušení. Takovéto vysoušení je v porovnání s předchozím značně delší, a proto malovýrobci upřednostňují již suchou surovinu např. z truhlářské výroby. Používaná surovina nemá ve většině případů požadovanou velikost, proto se musí homogenizovat, aby mohlo probíhat vlastní lisování. K tomuto účelu se používají drtiče, které jsou schopny požadovanou velikost zajistit, jejich příkon je ale zpravidla v desítkách kw a taktéž se promítne ve výsledné ceně pelet. K samotné výrobě pelet se používá protlačovací matricový lis, u lisů je možné měnit rozměry vyráběných pelet, a maximálně tak využít poptávky na trhu. Protlačovací matrice je vyrobena z kvalitní ušlechtilé oceli a je opatřena požadovanými otvory požadovaného průřezu, nad nimiž se odvalují válce, které protlačují zpracovávanou surovinu přes otvory. Při tomto procesu vzniká teplo, které způsobí, že lignin, obsažený v surovině změkne a slouží jako pojivo. Takto vzniklé pelety se musí ihned ochladit, to zajistí jejich zpevnění na požadovanou mez, poté jsou ještě vyčištěny přes vibrační síto, které odstraní úlomky pelet vzniklé při výrobě, nakonec se pelety balí do sáčků nebo pytlů, které se nazývají big bagy a jsou expedovány ke konečnému odběrateli. Na velkovýrobnách také existují sklady sloužící k uskladnění pelet, které jsou dodávány přímo konečným odběratelům, pomocí nákladního automobilu a jsou vzduchem dopraveny do zásobníku instalovanému v blízkosti topidla. Takovéto doplňování paliva je značně rozšířeno v Rakousku, u nás není tak časté, ale v následujících letech je možné očekávat jeho nárůst. (Murtinger, Beranovský 2011) 31

Přehled některých výrobců kotlů spalujících pelety: AGRONECHANIKA LHENICE- Kotle pro spalování dřevěných pelet, jako alternativní palivo je možné použít hnědé uhlí o zrnitosti 4-25 mm a vlhkosti do 20%. Kotle mají integrovaný zásobník paliva o objemu 340l a popelník o velikosti 40l, díky tomu je možné provozovat kotel až jeden týden bez obsluhy. Těleso kotle je ocelové, s litinovými dvířky. Při použití hořáku Ling je možné spalování rostlinných pelet. Účinnost kotlů je 88%, typy kotlů: AM24 (7-24 kw), AM42 (10-44 kw) URL: http://www.agromechanika.cz/[4.5.2011] ATMOS- Kotle na pelety s možností volby velikosti zásobníku pelet podle potřeby uživatele (objemy 28, 68, 135 l), vybírání popela od 7 do 45 dní podle potřeby energie a kvality paliva, účinnost spalování uváděná výrobcem > 90%, typy kotlů: D 14P (4-14 kw), D 21P (4-19,5 kw), D 25P (7-24 kw), dále firma Atmos nabízí kotle, jejichž palivo je možné během provozu zaměnit za dřevo s maximální vlhkostí do 20%, D 15P (4-15 kw), D 20P (6,5-22 kw), D 30P (8,9-29,8 kw), D 45P (13,5-45 kw). URL: http://www.atmos.cz/czech/kotle-004 [23.4.2011] BENEKOV- Kotle konstruovány pro spalování pelet, velikost zásobníku paliva 370-540 l. Výkonové rozpětí 14-48 kw, účinnost udávána výrobcem 91%, kotle jsou vhodné jak pro vytápění nízkoenergetických domů, tak pro vytápění celých farem (široká škála rozpětí výkonů). Kotle se vyznačují velmi nízkou spotřebou elektrické energie cca 1kWh v otopné sezóně, kotel se čistí 1x týdně, je ovládán moderní elektronikou firmy Siemens, kotel obsahuje v základní výbavě chladící smyčku proti přetopení. URL: http://www.benekov.cz/cs/obsah/automaticke-kotle-na-spalovanidrevnich-pelet-a-obili [4.5.2011] FRÖLING- Tento výrobce patří ke špičce ve svém oboru, nabízí kotel Fröling Turbonatic, jenž je plně automatický, bezobslužný, jehož palivo lze kombinovat (pelety, dřevo, štěpka), jeho účinnost udávaná výrobcem je až 92%, dodává se ve výkonových variantách od 28 do 110 kw. Tento kotel, jak je vidět již z jeho výkonu vhodný pro větší vytápěné objekty, jako jsou např. firmy, statky nebo větší bytové jednotky. U těchto kotlů všech výkonových tříd probíhá vše automaticky, od zapálení kotle, podávání paliva, čištění, roštování, kontrole komínového tahu až po odstraňování popela, a to díky motorickým pohonům, které jsou ovládány různými důmyslnými elektronickými 32

zařízeními. Kotel je schopen se automaticky nastavit na příslušné palivo a spalování je plně řízeno a optimalizováno mikroprocesorem, který řídí dávkováni vzduchu, jak primárního, tak sekundárního, pomocí lambda sondy (senzor zjišťující přítomnost kyslíku, skládá se z oxidu zirkonu, reaguje na obsah kyslíku ve spalinách). (Murtinger, Beranovský 2011) I.G.B. HOLDING- Tento výrobce nabízí kotel s označením Biostar 12/15W. Tento kotel je určen převážně pro nízkoenergetické domy, výrobce udává velmi vysokou účinnost spalování, protipožární bezpečnost kotle, která je vyřešena spolehlivou ochranou dávkovače pelet proti zpětnému zahoření v padací šachtě. Obsluha je řešena plně automaticky mikroprocesorem. Odtahový systém spalin je řešen podtlakově s regulovatelným počtem otáček sacího ventilátoru. Složité systémy zabudované v kotli automaticky rozpoznají palivo, jsou schopny rozpoznat zvyšující se tlak v kotli a různé nebezpečné situace a tyto situace řešit např. v nouzovém režimu kotle. Kotel obsahuje také zásobník pelet o obsahu 400 l s integrovaným ukazatelem aktuálního stavu pelet a čidlo signalizující nedovření plnícího otvoru. LING KRNOV- Kotel Licotherm je určen k automatickému spalování dřevěných pelet a hnědého uhlí o zrnitosti 4-25 mm, přechodně lze na roštu spalovat kusové palivové dřevo. Účinnost převyšuje hodnotu 88%, objem zásobníku paliva je 340l, objem zásobníku paliva je 40l. Kotel je spojen s elektronickou regulací Adex Comfort. Typy kotlů: AM24 (7-24 kw), AM42 (10-44 kw). URL: http://www.ling.cz/index.php?licotherm [4.5.2011] ROJEK- Tento český výrobce dodává na trh širokou škálu výkonových variant kotle typu KTP Pellet. Jejich výkony se pohybují od 20 do 47,5 kw. Účinnost od 85 do 87%. Všechny typy kotlů lze napojit na pokojový thermostat. URL: [4.5.2011] http://www.rojek.cz/rojek.asp?jazyk=cz&d=teplovodni_kotle_na_biomasu_a_tuha_pal iva drevozpracujici_stroje tepelna_technika&go=stroje&kat=5&go2=kategorie VERNER- V současné době nabízí dva typy kotlů A251, a A501. Jejich výkon je 25 a 48 kw. Účinnost u slabšího kotle je 91%, u silnějšího 92,7%. Jako palivo je možné u obou typů použít dřevěné i rostlinné pelety, dále pak oves, pšenici, kukuřici nebo hořčici. URL: http://www.kotle-verner.cz/produkty/automaticke-kotle [4.5.2011] 33

VIADRUS- Kotle Ekoret jsou určené pro spalování pelet, jako alternativu je možno použít černé nebo hnědé uhlí. U tohoto výrobku je udávána vysoká účinnost spalování. Výkon udávaný výrobcem se pohybuje v rozmezí 4,5 až 25 kw. Kotel je chráněn proti zpětnému prohořívání paliva čidlem umístěným na rouře šneku, v případě výpadku elektrické energie je ochrana kotle vyřešena tavnou pojistkou umístěnou v zásobníku kotle. Tento kotel je možné ovládat pomocí termostatu přímo z obytné místnosti. URL: http://www.viadrus.cz/web/structure/kotle-na-tuha-paliva- 69.html?do[loadData]=1&itemKey=cz_2 [22.4.2011] VIESSMANN- Výrobce nabízí kotel VITOLIGNO 300P, jenž je určen výhradně pro spalování dřevěných pelet. Výkon udávaný výrobcem je od 4 do 24 kw, jeho účinnost spalování 95% je zatím na trhu nejvyšší, vyznačuje se velmi širokým spektrem regulace výkonu, který lze snížit např. v přechodných obdobích až na 30% jmenovitého výkonu. Kotel je vybaven digitální regulací a odsávacím ventilátorem s proměnnými otáčkami, je vybaven systémem samočištění kotle, děje se tak nezávisle na provozu, tím je docíleno účinného spalování po velmi dlouhou dobu. URL: http://www.viessmann.cz/cs/products/holzkessel/vitolig_300.html [22.4.20011] 4.6.5. Teplovodní kotle pro spalování dřevní štěpky Dřevní štěpka je podobně jako pelety využívána pro automatický provoz kotlů. Je to dáno jejími více méně shodnými rozměry a snadnou přepravou z místa skladování k místu spalování, kde je dopravována pomocí šnekových dopravníků. Z odpadu vznikajícího při těžbě, manipulaci nebo zpracování dříví, pomocí štěpkovače vzniká nová obchodovatelná komodita sloužící převážně k energetickým účelům nazývaná dřevní štěpka. V poslední době vznikají plantáže zaměřující se výhradně na pěstování rychlerostoucích dřevin sloužící k energetickým účelům. Dřevěná štěpka je spalována při vysokém obsahu vlhkosti, což snižuje účinnost spalování. To je ale vyrovnáno její nízkou cenou v porovnání s peletami, proto se nevyplatí štěpku speciálně sušit, maximálně se štěpka nechá vyschnout při čekání na spálení přirozenou cestou na vzduchu. Štěpka se spaluje v kotlích středního až vysokého výkonu (od 100kW po několik MW), sloužících pro vytápění velkých statků nebo celých obcí. 34

5. Vypracování 5.1. Výpočet celoroční spotřeby tepla pro zadaný dům Celoroční spotřebu tepla lze vypočítat několika možnými způsoby. V prvním případě vypočteme spotřebu tepla podle půdorysu objektu. Tento postup spočívá v tom, že ze známé plochy domu v m 2 a známých tepelných ztrát domu (měrné spotřeby energie), které se uvádějí v kwh/rok na 1 m 2 zjistíme celkovou spotřebu. K výpočtu byl použit běžný, standartní rodinný dům, jenž je dvougenerační, s celkovou vytápěnou plochou 240 m 2. Tento dům je částečně zateplen polystyrenem o tloušťce 50 mm, okna jsou moderní plastová, střecha je bez tepelné izolace. Tabulka 5 Výpočet spotřeby tepla dle plochya měrné spotřeby energie Měrná spotřeba energie 115 kwh/m2.rok Obytná plocha 240 m2 Spotřeba energie na vytápění v kwh 27600 kwh/rok Spotřeba energie na vytápění v MJ 99 360 MJ/rok V dalším případě se spotřeba tepla vypočítá ze známého výkonu kotle v kw, podle počtu otopných dní, kde jsou zahrnuta i přechodná období (jaro, podzim), podle průměrné exteriérové teploty, která je vypočítána jako souhrn všech teplot v otopném období vydělena jejich sumou. Do výpočtu také vstupuje venkovní výpočtová teplota, která se určuje podle normy ČSN EN 15316-2-1. Pro příklad -12 C (pásmo od Teplic přes Mělník, Prahu po Pardubice a jižní Morava od Přerova k rakouské a slovenské hranici), -15 C, -18 C (Šumava, Krušné Hory, Liberecko, Krkonoše, Orlické Hory a Beskydy) nebo -21 C (pro oblast -18 C a nadmořskou výšku nad 800 m n. m.), průměrná teplota v interiéru a součinitel regulace a využití otopného systému, jehož hodnota se pohybuje v rozmezí 0,5 až 0,8 (tento údaj se uvádí bez jednotek). 35

Tabulka 6 Výpočet celoroční spotřeby tepla dle vzorce [1] Výkon kotle 22 kw Počet otopných dní 225 - Středí exteriérová teplota v otopném období 3,5 C Venkovní výpočtová teplota -15 C Průměrná interiérová teplota 20 C Součin. Regulace a využití OS 0,55 - Spotřeba energie na vytápění v kwh 30803 kwh/rok Spotřeba energie na vytápění v MJ 110 891 MJ/rok Výše zmíněná tabulka zobrazuje hodnoty celoroční spotřeby tepla, k jejímž výsledkům se dospělo dle vzorce [1]: =24 n P S.reg. Tpi Tst Tpi Tev [1] Kde: Qr- celoroční spotřeba tepla n - počet otopných dní P - výkon kotle S. reg.- součinitel regulace a využití otopného systému Tpi- průměrná interiérová teplota Tst- střední exteriérová teplota Tev- exteriérová výpočtová teplota Poslední metodou, ze které se vycházelo, bylo určení celoroční spotřeby tepla pomocí známých údajů z předchozích otopných období. Je to metoda, kterou lze použít pouze pro ušlechtilá paliva jako je elektřina a zemní plyn, z důvodů nezkreslenosti údajů např. vlivem různé výhřevnosti paliva v otopném období v důsledku kolísavého obsahu vlhkosti. Tabulka 7 Celoroční spotřeba tepla dle známých údajů (skutečná) Spotřeba energie na vytápění v kwh 31 069 kwh/rok Spotřeba energie na vytápění v MJ 111 848 MJ/rok 36