Využití biomasy a akumulační zdroje pro vytápění RD

Biomasa je hmota organického původu a v souvislosti s vytápěním domů se pod tímto pojmem rozumí především dřevo, dřevní odpad, sláma a případně zbytky ze zemědělské výroby. Takto získávaná energie patří mezi nejstarší a v minulosti také nejdéle využívanou. To co se však postupně s vývojem člověka mění, je množství energie, které z biomasy dokážeme získat a ekologický vliv spalování na životní prostředí.

1. ZÍSKÁVÁNÍ ENERGIE Z BIOMASY
Energii lze získávat z biomasy dvěma základními způsoby: termochemickou nebo biochemickou přeměnou. Termochemická přeměna představuje spalování a zplyňování, biochemická přeměna pak fermentaci a anaerobní vyhnívání. Dále se budeme v souvislosti s vytápěním rodinných domů věnovat pouze první variantě, neboť ty další je možné používat v této oblasti pouze velmi omezeně.

2. SPALOVÁNÍ A ZPLYŇOVÁNÍ BIOMASY
Abychom mohli lépe pochopit způsoby získávání energie termochemickou cestou, musíme si říci, jakým způsobem se energie z biomasy uvolňuje a k čemu vlastně dochází při spalování. Působením vysokých teplot se uvolňují hořlavé plynné složky, které jsou označovány souhrnně jako dřevoplyn. Pokud k tomuto dochází za přístupu vzduchu, jedná se o prosté spalování. Pokud vzduch není při tomto procesu přítomen, hovoříme o zplyňování. Vzniklý plyn pak odvádíme do jiné části spalovacího prostoru a tam ho spalujeme obdobně jako u jiných plynných paliv. Z hlediska ekologie je spalování dřeva příznivé, protože uvolněný CO₂ (102,3 kg/GJ) odpovídá množství, které původní rostlina do sebe přijala během růstu. Emise NO_X jsou kolem 0,027 kg/GJ a jsou tak mnohem nižší než při spalování například zemního plynu (0,170 kg/GJ). Vzhledem k tomu, že moderní kotle na spalování biomasy pracují s vysokou účinností (80 až 90 %), je spalování biomasy srovnatelné se spalováním zemního plynu. Hovoříme zde však o spalování, při kterém je zajištěn dostatečný přívod vzduchu. Při regulaci výkonu zdroje snížením přívodu vzduchu dochází k nárůstu emisí vlivem nedokonalého spalování.

Obr.1 Dřevní brikety a peletky

3. DRUHY PALIV
Pro rodinné domy přichází v úvahu z biomasy hlavně dřevo, dřevní brikety a peletky. Peletka je granule o rozměrech cca 5 x 20 mm vyrobená ze slisovaného dřevního odpadu. Její předností je, že ji lze nasypat do zásobníku pro automatické doplňování paliva. Dřevní brikety představují slisovaný dřevní odpad nejrůznějších tvarů (kvádry, válce) a jsou dostupné běžně i ve velkých obchodech. Výrobci kotlů však často sami nabízejí pravidelné dodávání paliva.

Výhřevnost biomasy závisí na obsahu vody. Pro srovnání je možné uvést, že dřevní hmota o vlhkosti 50 % má zhruba poloviční výhřevnost vůči hmotě o vlhkosti 10 % (cca 16 MJ/kg). Výrobci doporučují spalovat biomasu o vlhkosti do 20 %, neboť jinak dochází k nedokonalému spalování a také ke snižování životnosti kotle vlivem koroze. Při spalování vzniká popel, jehož množství je velmi nízké, zhruba 1 % a je závislé na kvalitě paliva. Vzniklý popel je netoxický a hodí se jako hnojivo. Vybírat popel je třeba zhruba po 3 dnech, v závislosti na způsobu provozu. Pokud uvažujeme přímo o spalování vlastního dřeva, je doporučovaná doba jeho sušení 1,5 až 2 roky ve větraném přístřešku. Tuto dobu můžeme zkrátit rozřezáním dřeva. Za otopné období spálíme v běžném rodinném domku přibližně 18 m³ dřeva. Alespoň část tohoto množství je nutné uskladnit v blízkosti kotelny. Dřevní brikety díky vysokotlakému lisování dosahují výhřevnosti až 19 MJ/kg a popelnatosti kolem 0,5 %. Jejich výhodou je téměř neomezená skladovatelnost, bezprašnost a snadná manipulace.

Obr.2 Kotel na spalování peletek - v levé části dopravník paliva k hořáku (1)

4. ZDROJ TEPLA
Moderní kotle na spalování biomasy se již nepodobají jejich předchůdcům, které známe z kotelen na uhlí. Jsou obvykle vybaveny kvalitní elektronikou a ve funkcích vůbec nezaostávají za kotli plynovými. Výrobci nabízejí řadu doplňků, které dále zlepšují jejich funkce (regulátory, speciální armatury apod.).

Volba kotle na spalování biomasy jako jediného zdroje tepla je závislá na dostupnosti paliva a jeho formě. Do kotle je obvykle nutné ručně doplňovat palivo a péče o vytápění objektu se stává povinností a také nutností některého ze členů domácnosti. Doplňování paliva je nutné asi 3x denně v závislosti na jeho druhu a objemu přikládací komory kotle.

Obr.3 Rozvoz peletek

Automatické doplňování paliva formou peletek představuje perspektivní alternativu ke spalování zemního plynu nebo zkapalněných plynů. Peletky jsou totiž u nových kotlů dopravovány automaticky malými šneky a tím odpadají zvýšené nároky na obsluhu.

V Rakousku jsou například peletky rozváženy automobilem se zásobníkem, z kterého je možné peletky přečerpat až 30 m daleko. Majitel pak pouze kontroluje plnost zásobníku a provoz zdroje. Velice zajímavé je i ekonomické hledisko provozu.

Připomínka majitelů rodinných domů, že nemají jak spalovat dřevní odpad ze zahrady, povzbuzuje jejich zájem o zdroje tepla na jiná paliva. Je však třeba zjistit u výrobce daného kotle možnost spalování jiného než čistého dřeva a také vliv procesu spalování jiné struktury paliv na životnost zdroje a ekologii.

5. ZAPOJENÍ KOTLE DO OTOPNÉ SOUSTAVY A AKUMULACE ENERGIE
Pro rodinné domy jsou určeny zdroje tepla o výkonu cca do 25 kW. Ten je nutný napojit na otopnou soustavu a ta je v dnešní době především s nuceným oběhem vody. U kotlů je třeba nejprve zajistit, aby teplota vratné vody neklesala pod 65 °C a nedocházelo k nízkoteplotní korozi kotle. Dále je třeba vyřešit provozní stavy zdroje tepla spojené s přerušením dodávky elektrické energie.

Především se jedná o případ, kdy kotel je naplněn palivem a cirkulační čerpadlo nefunguje (výpadek elektřiny, nenadálá porucha). U větších soustav tento problém může být snadno vyřešen nouzovým zdrojem elektrické energie. To se ale příliš nehodí pro rodinné domky. Někteří výrobci proto řeší tento problém výměníkem, který je chlazen studenou vodou, která pak odtéká do kanalizace. Provoz výměníku je řízen automatickým ventilem, otevírajícím se samočinně při překročení maximální teploty vody v soustavě. Jedná se o řešení, které není vhodné do oblastí s častými poruchami dodávky elektrické energie.

Lepším řešením může být zapojení otopné soustavy do zásobníku TUV a tím využití jinak ztraceného tepla nebo použití akumulačních nádrží.

Obr.4 Schéma akumulačního vytápění

Princip používání akumulátorů není složitý. Kotel provozujeme na plný výkon, tedy s nejvyšší účinností a také nejdelší životností, a to až do maximální akumulace nádrží na teplotu cca 90 °C. Zároveň při tomto spalování produkujeme minimum škodlivin do ovzduší. Kotel poté necháme dohořet a znovu ho již nenaplňujeme palivem a tím snižujeme nebezpečí jeho přehřátí při výpadku elektřiny. Teplo ze zásobníků poté odebíráme běžným způsobem přes směšovací ventil, který je vhodné řídit elektronicky. Na tomto místě je možné říci i první omezení použití - je nutný dostatečný prostor pro umístění akumulačních nádrží a provoz znamená také zvýšené nároky na obsluhu kotle v době nabíjení systému. Je též zřejmé, že akumulační nádrže musí být dostatečně izolovány, aby nedocházelo k velkým tepelným ztrátám a tím k prodražení provozu celé soustavy. Umístění akumulačních zařízení je proto problematické u některých rodinných domů postavených v posledních letech, kde je prostor na kotelnu zcela minimalizován nebo kde není vůbec.

Pro ekonomiku provozu akumulačního vytápění je klíčovým faktorem volba optimálních parametrů zásobníku tepla, tedy stanovení jeho nejvhodnějšího objemu.

Teplota v zásobnících by měla být při nabíjení co nejvyšší, aby mohl kotel pracovat s co nejvyšší účinností a aby tím byl též snížen jejich objem. Výrobci nabízejí běžně zásobníky o objemu 500 až 700 l, které je možné vzájemně propojovat. Velikost celkového akumulovaného objemu je vhodné stanovit podle požadavků majitele rodinného domu v závislosti na požadované době vybíjení. Omezujícím faktorem pak může být i doba samotného nabíjení, které by vzhledem k pohodlnosti provozu nemělo být delší než 1 den. Doporučit lze pro zdroj o výkonu 25 kW akumulační objem 2 m³. Pro výkon 20 kW pak 1 až 1,5 m³. Akumulace energie v souhrnu představuje úsporu provozních nákladů cca 10 až 15 %. K tomu je vhodné ještě přičíst ekologický přínos provozu. Zásobníky lze rovněž používat i pro akumulaci tepla od slunečních kolektorů.

Obr.5 Náklady na vytápění rodinného domu podle druhu paliva (Kč/rok)

6. OTOPNÁ TĚLESA
Otopná tělesa jsou v dnešní době navrhována téměř vždy desková. Přednosti tohoto druhu jsou dostatečně známé - rychlý ohřev, estetický vzhled a snadnost montáže. Jejich nevýhodou z našeho pohledu je nyní jejich nízká tepelná kapacita a v případě vytápění bez zásobníku tak brzy po odstavení kotle přestávají dodávat teplo. V tomto směru jsou proto výhodnější tradiční litinová otopná tělesa jejichž chladnutí (avšak i náběh) je pozvolnější. V ložnicích nebo místnostech na severní straně domu, kde nelze předpokládat žádné tepelné zisky od sluníčka, by jistě našla tato tělesa svoje uplatnění i dnes.

Obr.6 Krbová kamna (2)

7. KRBY A KRBOVÁ KAMNA
Tato zařízení výrazně mění estetiku celého interiéru a přispívají k jeho "útulnosti". Kromě toho znamenají moderní krby také zajímavý způsob vytápění sálavým teplem a ohřevem vzduchu. Jejich výkon se pohybuje většinou do 10 kW. Doporučit lze pro rodinné domy uzavřené krby se skleněnými dvířky, které ohřívají proudící vnitřní vzduch. Díky jejich konstrukci nedochází k významně větším ztrátám tepla z interiéru. Pro spalování je však třeba volit pouze kvalitní dřevo, aby nedocházelo k silnému znečištění samotného krbu. Prostor kolem krbu je nutné obložit nehořlavými materiály (dlažba,..). Většina stávajících majitelů domů však narazila na problémy s komínem (jeho nedostupnost nebo nedostatečná dimenze) a tak by na možné budoucí umístění krbu mělo být pamatováno již při výstavbě rodinného domu. Při provozu krbu nesmíme zapomenout na přístupové cesty kudy bude nutné nosit nejen palivové dříví, ale i popel. Tvarová i materiálová rozmanitost těchto výrobků je na našem trhu dostatečně velká a je z čeho vybírat. Krby a krbová kamna je však u běžných domů nutné volit jen jako zdroj doplňkový, jinak by se topení v krbu nestalo příjemnou zábavou, ale nepříjemnou nutností.

Biomasa je v současné době v ČR nejdostupnější alternativou k čerpání neobnovitelných zdrojů energie. Její předností je její dostupnost, cena, která je navíc jen málo závislá na globálních výkyvech ekonomiky, dokonalé spalování nepřispívá ke skleníkovému efektu a odpady je možné dále využívat. Nevýhodou jsou nároky na prostor a velký vliv vlhkosti na spalovací proces.

Nabídka kotlů na spalování biomasy je na našem trhu celkem velká. Jednotlivé výrobky se však liší způsobem spalování, životností, parametry provozu a také nabídkou náhradních dílů a zárukou od výrobce. Přednost je výhodnější dávat firmám, které nabízejí komplexní servis včetně případných dodávek paliva. Akumulace energie je možností lákavou z hlediska provozu, ale je třeba dát pozor na ekonomickou návratnost některých speciálních výrobků. Provozování kotlů na spalování peletek s automatickou dopravou paliva je u nás tak trochu novinkou a zdá se, že má všechny předpoklady se na našem trhu prosadit.

Literatura:
[1] Firma Atmos, podklady výrobce - www.atmos.cz
[2] Firma Verner, podklady výrobce - www.verner.cz
[3] Firma Viadrus, podklady výrobce - www.viadrus.cz
[4] TZB-info, odborný internetový portál - www.tzb-info.cz
[5] HRDLIČKA, F., 2001, Emise a imise z fosilních paliv a z pohledu biomasy, produkce CO₂. Topenářství a instalace, č. 4, str. 32-35
[6] TRNOBRANSKÝ, K., 2001, Spalování biomasy z pohledu emisí, Topenářství a instalace, č. 6, str. 46
[7] BROŽ, K., 2001, První české solární zařízení se sezónní akumulací tepla, Vytápění, větrání a instalace, č. 2, str. 73-79.