Fytopaliva - obnovující se zdroj energie (I)

Co je fytomasa a co jsou fytopaliva?

Pod pojem fytomasa lze zahrnout veškeré organické látky rostlinného původu vznikající v přírodě v průběhu fotosyntézy. Fotosyntéza je jak známo proces, kdy za podpory sluneční energie dopadající na Zemi probíhá syntéza oxidu uhličitého (CO₂), vody (H₂O) a určitého množství anorganických živin jako je draslík (K), vápník (Ca), fosfor (P), dusík (N) včetně dalších stopových prvků. Výsledkem procesu fotosyntézy je vznik kyslíku a organické sloučeniny glukózy. Chemicky lze proces napsat zjednodušeně takto:

6 CO₂ + 6 H₂O + sluneční energie + prvky = 6 O₂ + C₆H₁₂O₆

C₆H₁₂O₆ představuje vzorec glukózy, ve skutečnosti se organická hmota skládá z různých cukrů (do kterých glukóza patří), olejů, celulóz, ligninu, škrobu, bílkovin a dalších složek.

Energeticky opačným procesem fotosyntézy je spalování, hnití, nebo i dýchání živočichů. Chemicky lze proces popsat:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ = 6 CO₂ + 6 H₂O + uvolněná energie + popel

Při fotosyntéze je dodávána energie slunečního záření, při spalování nebo hnití je naopak možno energii využít jako teplo pro nejrůznější účely včetně výroby elektrického proudu.
Praktickým výsledkem fotosyntézy je tedy jednak vytvoření organické hmoty, jednak uvolňování vznikajícího kyslíku do ovzduší, což umožňuje život všem živočichům na něj odkázaných.
Z celkového množství CO₂ v ovzduší je každoročně vázáno rostlinami asi 10% a stejné množství se po spálení, nebo zhnití rostlin opět do atmosféry vrací - při současném uvolnění před tím jímané sluneční energie. Této energie je přibližně 18 až 20 MJ na 1 kg sušiny rostlin. Na Zemi bylo až dosud identifikováno přes 450 000 různých rostlin, z nichž jenom 3000 slouží člověku, ale jenom je 300 účelově pěstováno. Pouze však 60 druhů rostlin má vyjímečný hospodářský význam.
Fytomasa patří do širšího pojmu biomasa, kam kromě rostlin patří i živočichové, jejichž význam pro energetiku je ale mnohem menší. V minulosti byla sice významné využití jejich tažné síly, v současných vytápěcích systémech snad jako nevýznamný druhotný zdroj pro vytápění např. zemědělských objektů. Nadále je tedy logické používat pojem fytomasa namísto obecného pojmu biomasa.

Světový potenciál fytomasy

Každým rokem zpracovávají rostliny ze vzduchu asi 200 miliard tun uhlíku, který přijímají ve formě CO₂ s energetickým ekvivalentem, který 10 krát převyšuje energetickou potřebu lidstva. S ohledem na obsah uhlíku v rostlinách se jedná asi o 400 miliard tun suché rostlinné hmoty. Z toho množství slouží pro výživu lidí jen asi 0,4 % a stejné množství je využíváno jako zdroj energie. Ostatní vzniklá organická hmota se bez užitku postupně po odumření rozkládá, uvolněná energie se vrací do vesmíru vyzařováním. Z dopadající sluneční energie tak rostliny zachycují v průměru méně než 1% do svých tkání, i když využitelné množství sluneční energie je větší, neboť se část přijímané energie využívá ke krytí životních pochodů rostlin, zejména k transpiraci vody. Pro ní rostliny potřebují značné množství energie, protože na vytvoření 1 kg sušiny odpaří 400 až 800 litrů vody. K tomu je potřeba cca 3 až 5 MJ na kg vody, což je asi trojnásobek trvale zachycené energie.

Využitelnost sluneční energie rostlinami

Kdyby všechna solární energie, která přichází za rok na 1 ha zemědělské půdy od Slunce byla zachycena rostlinami do vytvořené hmoty, dosahovalo by se v našich zeměpisných šířkách výnosu až 2000 t organické hmoty po hektaru. Pro fotosyntézu je však využitelná jen část spektra záření, což představuje asi 43 %. Jestliže potom rostliny vytvoří na jednom hektaru cca 10 tun hmoty - jako například pšenice ve slámě a zrnu, využije se dopadající využitelná sluneční energie jen z 0,63 %. Je to proto, že vegetační doba rostlin trvá jen kratší část roku, v mládí po vyklíčení rostliny pomalu narůstají a pole jsou většinu roku bez vegetace. V tropech a subtropech se zkušebně dosáhlo až využití až 15,8 % z využitelné energie slunečního záření.
Teoretická hranice výnosu organické hmoty o výhřevnosti cca 16,7 MJ/kg v našich zeměpisných šířkách tak je kolem 250 tun, kterých však nebylo dosud u žádné rostliny dosaženo. Důvodem je nejen zimní vegetační klid při kterém rostliny nerostou i když svítí Slunce, ale také proto, že to člověk zatím nepotřeboval. Veškeré dosavadní šlechtění rostlin bylo zaměřeno na zvyšování výnosu živin - a to jak pro výživu člověka, tak zvířat, obsahu tuku, bílkovin, ale ne celkové hmoty.
Výnosy ovlivňuje i druh a stav půdy, zásoba živin, vody, svahovitost a mnoho dalších faktorů. V budoucnu, až budou vyčerpány fosilní zdroje energie bude nepochybně šlechtění rostlin zaměřeno na zvyšování hmotnosti a obsahu uhlíkatých sloučenin v rostlinách. Už dnes potenciál některých divoce rostoucích rostlin, respektive rostlin pro nepotravinářské využití, dosahuje ohromujících výnosů, jejich účinnost přeměny slunečního záření dosahuje až 30% (po dobu jejich vegetace.) Jsou to například naše plevele jako křídlatka a výnosem 30 až 40 t suché hmoty z hektaru, energetické šťovíky, ale i proklínaný bolševník, které čekají na své šlechtitele, aby se z nich staly kulturní, energetické plodiny. V Kanadě bylo u rákosovité traviny switchgrass dosaženo výnosu 64,8 t/ha a u vrby až 33,6 t/ha suché hmoty z hektaru za rok, pravděpodobně na velmi dobré půdní bonitě se vším agrotechnickým zabezpečením.
V budoucnu tedy možno počítat s daleko vyššími výnosy organické hmoty pro energetické účely, než jaké jsou dosahovány u odpadů a vedlejších výrobků zemědělské a lesnické produkce, které se pohybují dnes kolem 5 t/ha, respektive u celé produkce kolem 10 t/ha.

Požadavky na energetické rostliny

Podle mnohých vědeckých kapacit (např. Speller, Bassam) se úspěšné energetické rostliny budou vyznačovat některými charakteristikami, kterými se podstatně budou odlišovat od stávajících kulturních rostlin, pěstovaných především pro výrobu potravin.

1. Vysoké výnosy s možností sklizně v suchém stavu a to buď bezprostředně při sklizni, nebo po krátkodobém meziskladování. Sklizeň bude provedena hlavně běžnými, univerzálními zemědělskými, případně lesnickými stroji bez nároků na drahé speciální stroje, u kterých by nebylo zaručeno dlouhodobé využití. Nevylučuje se zpracování sklizně na polích i do konečné formy tržního fytopaliva, především peletek nebo briket.
2. Energetické rostliny by měly být převážně trvalky, jejichž růst se bude v každém roce opakovat, aby zakládací náklady plantáží se mohly rozložit na řadu sklizní.
3. Rostliny musí být odolné proti chorobám alespoň jako obilniny a odolné proti poškozování zvěří.
4. Rostliny by během vegetace měly disponovat bohatým olistěním, zaručujícím vysokou úroveň fotosyntézy. Opad listí a jehličí přispívá ke hnojení půdy.
5. Rostliny by měly co nejvíce využívat vodu a dusíkatá hnojiva, respektive by měly mít nižší nároky na vodu s ohledem na přírůstky, jako mají rostliny.
6. Za perspektivní ekonomické výnosy se považují v optimálních podmínkách výnosy 33 - 55 t/ha suché hmoty.
7. Energetické rostliny mají být schopné genetického vývoje směrem k zajištění výše uvedených požadavků a odstranění nevhodných vlastností, jaké má na příklad naše nejvýkonnější rostlina - bolševník.

Ze současných kulturních rostlin může pšenice vyjímečně dosáhnout současně v zrně a slámě až 20 t/ha suché hmoty, spíše však jen 12 t. Cukrovka má sice vysoké výnosy hmoty, ale při obsahu vody až 82% sotva dosahuje výnosu 20 t sušiny po hektaru a pro přímé využití jako palivo není vhodná, nehledě, že část tohoto výnosu je ve formě chrástu, což však nevylučuje využití v bioplynových stanicích nebo lihovarech. U rychle rostoucích topolů a vrb lze očekávat výnosy v rozmezí 10 - 15 t suché hmoty v přepočtu na 1 rok a hektar, avšak ani zde ještě šlechtitelé neřekli poslední slovo - dokonce ani první.

Takže skutečně nejblíže ke stanoveným požadavkům mají zatím dvě až tři rostliny, z nichž dvě jsou teprve ověřovány tj. šťovík krmný (s výnosem 23 t/ha). Hyso (19,3 t/ha) a jedna dokonce zatím krutě pronásledována jako invazní rostlina - křídlatka (s výnosem 37,5 t/ha suché hmoty), jak uvádí dr. Petříková.

Dále je však možno počítat s dalšími druhy potenciálních energetických plodin jako je pajasan žláznatý (17 t/ha), konopí (12 t/ha), bělotrn modrý (16,5 t/ha), u nichž lze šlechtěním postupně dosáhnout vyšších výnosů hmoty. V budoucnu lze od genetických inženýrů očekávat o tuto problematiku velký zájem. Stejnou pozornost je ale potřeba věnovat zpracování fytopaliv a konstrukci vhodných topenišť pro jejich spalování. O tom se dočtete v příštích pokračováních našeho seriálu.