Historie a perspektivy OZE - biomasa I
Biomasu lze z energetického hlediska považovat za akumulované sluneční záření. Odhaduje se, že asi 30 % produkce biomasy je používáno jako potraviny a krmiva a 20 % je produkce lesů. Biomasa je v současnosti nejvýznamnější obnovitelný zdroj energie.
Úvod
Biomasa je nejvýznamnější obnovitelný zdroj energie a důležitý zdroj průmyslových surovin. Existuje, řada možností, jak zatřídit jednotlivé druhy biomasy, viz například [Biomasa]. Zemědělskou biomasu dle vyhlášky MŽP tvoří: cíleně pěstovaná biomasa, biomasa obilovin a olejnin, trvalé travní porosty. rychlerostoucí dřeviny pěstované na zemědělské půdě a rostlinné zbytky ze zemědělské prvovýroby a údržby krajiny [MŽP].
Zdrojem nepotravinářsky využitelných surovin mohou být vybrané tradiční plodiny nebo netradiční alternativní plodiny. Alternativní plodiny jsou kulturní i nově využívané druhy plodin, které nahrazují, rozšiřují a doplňují stávající sortiment plodin a přispívají k rozšíření spektra rostlinné produkce. Z nejznámějších lze uvést súdánskou trávu, Miscanthus, šťovík Uteuša nebo spornou křídlatku, která však podle [MŽP] je zařazena mezi invazivní druhy vyřazené z podpory.
Historie
Po slunečním záření byla biomasa jediným dostupným energetickým zdrojem na Zemi po miliardy let. Nepočítáme-li potraviny, využívá lidstvo biomasu jako zdroj energie od okamžiku, kdy se člověk naučil rozdělávat a udržovat oheň - minimálně desítky tisíc let. Účinnost využití dopadajícího slunečního záření rostlinami může teoreticky dosáhnout až 25 %. v zemědělské praxi se však pohybuje podle různých autorů v rozmezí 0,1 až 2,5 % [Strašil08], krátkodobě i přes 5 %. Pro energetické účely jsou vhodné rostliny na horní hranici uvedeného rozsahu, patří k nim zejména tzv. C4 rostliny (kukuřice, čirok, tropické trávy).
Historie ostatních obnovitelných zdrojů energie (OZE) je ve srovnání s biomasou relativně krátká, energii vody a větru využívá lidstvo pouze několik tisíc let. Zcela zanedbatelná je potom historie ostatních zdrojů, které jsou dnes označovány za konvenční - stovky let u uhlí a jen desítky let u jaderné energie. Ještě v 19. století byla přitom biomasa zdrojem dominantním, teprve ve 20. století začaly převažovat fosilní zdroje. I v současnosti je však podíl biomasy vyšší než podíl ostatních obnovitelných zdrojů a jaderné energie.
Rozvoj fytoenergetiky
Rozvojem fytoenergetiky se začaly systematicky zabývat některé státy Evropy již v osmdesátých letech minulého století. Hlavním impulsem byly stejně jako v případě ostatních obnovitelných zdrojů ropné krize. V rámci Evropy je dosud rozvoj nerovnoměrný, neexistuje stabilizovaný trh s biomasou jako energetickou komoditou. Nejdále pokročily v rozvoji fytoenergetiky Švédsko, Finsko, Dánsko a z nejbližších sousedů Rakousko. V České republice, s výjimkou ojedinělých projektů v 80. letech, je rozvoj energetického využívání biomasy spojen s nastartováním programů podpor v druhé polovině 90.let.
Komise evropských společenství v oblasti energetiky vytyčila tři hlavní cíle - konkurenceschopnost, udržitelnost a bezpečnost dodávek. Biomasa pokrývala v EU v roce 2003 asi 4 % celkové spotřeby energie (69 mtoe). Potenciál do roku 2010 je téměř trojnásobný. Obnovitelná produkce biomasy odpovídající indikativním cílům podílu OZE na energetice by při správné zemědělské praxi neovlivnila domácí produkci potravin. Evropský akční plán pro biomasu předpokládá zvýšení využití biomasy na více než dvojnásobek (150 mtoe) v roce 2010 nebo jen o něco později [COM].
Možnosti využití biomasy
Výroba energie je jen jednou z možností využití biomasy. Primárně je například dřevo používáno jako konstrukční materiál nebo surovina pro výrobu papíru a buničiny. Polní plodiny jsou primárně potravinami nebo slouží jako krmivo pro zvířata. V současnosti lze část zemědělské produkce využít pro energetické účely, například podle Zprávy NEK postačují v ČR 2/3 orné půdy pro zajištění potravinové bezpečnosti. Plodiny pro výrobu biopaliv pokrývají celosvětově asi 3 % výměry orné půdy, hlavní důvody pro růst cen potravin jsou však jiné, vliv biopaliv je odhadován asi na 10 %. Do budoucna se při rostoucím podílu biopaliv situace může změnit.
Hlavní výhodou biomasy ve srovnání s jinými OZE je snadná akumulace a regulovatelnost výkonu podle aktuální potřeby. Rovněž technologie pěstování a sklizně jsou dobře zvládnuté. Naproti tomu finanční náklady na produkci biomasy pro energetické využití jsou v současnosti často vyšší než náklady na těžbu fosilních zdrojů. Vyvstává proto otázka, nakolik je biomasa výhodná z hlediska energetického - jaký je poměr výhřevnosti k energii vložené do pěstování a sklizně.
Energetický potenciál biomasy
Biomasa v současné době tvoří přibližně polovinu obnovitelné energie využívané v zemích EU. Akční plán stanovuje opatření ke zvýšení rozvoje výroby energie z biomasy vytvořením tržně orientovaných pobídek zaměřených na její využití a odstranění překážek rozvoje trhu. Tímto způsobem hodlá EU snížit závislost na fosilních palivech, redukovat mise skleníkových plynů a podpořit hospodářskou aktivitu ve venkovských oblastech [COM].
Podle směrnice 2001/77/ES Evropské unie byl pro ČR stanoven indikativní cíl podílu OZE na spotřebě elektrické energie v národním hospodářství ve výši 8 % v roce 2010. Rostlinná biomasa by se měla na zajištění tohoto cíle podílet asi ze dvou třetin. Pro splnění uvedených cílů byl vypracován Akční plán pro biomasu pro ČR na období 2009 - 2011, který byl schválen vládou 12. 1. 2009 [Akcni]. Nová směrnice 2009/28/ES, kterou se ruší směrnice 2001/77/ES určuje pro ČR závazný cíl podílu OZE 13 % v roce 2020.
Odhad energetického potenciálu je však poměrně složitý, výsledek závisí na celé řadě proměnných. Výsledky různých studií se často výrazně liší, viz obrázek dole.
Obrázek: Potenciál biomasy k energetickému využití (zdroj: MŽP) podle [Vlk]
Podle Zprávy NEK (tzv. Pačesovy komise) celkový teoretický potenciál biomasy ČR tvoří v dlouhodobém horizontu téměř 700 PJ energie ročně při využití veškeré zemědělské půdy, ročního přírůstku dendromasy a využití všech druhotných surovin. Technicky dostupný potenciál činí 276 PJ, zemědělská biomasa se podílí 194 PJ, lesní 50 PJ a zbytková 32 PJ. Současné využití se pohybuje kolem 100 PJ, do roku 2020 se předpokládá zvýšení nad 200 PJ, další růst bude pomalejší, v roce 2050 je očekáváno vyčerpání technického potenciálu. Předpokládá se produkce 13 TWh elektřiny, pro výrobu tepla a biopaliv zbude k dispozici asi 150 PJ [NEK].
| Výměra tis. ha | Produkce tis. t | Náklady přímé Kč/t | |
|---|---|---|---|
| vedlejší produkty plodin | 280 | 800 až 900 | 590 |
| výkonné druhy trav | 160 | 110 | 680 |
| celá nadzemní biomasa obilnin | 400 | 4100 | 1500 |
| jednoleté energetické rostliny | 1400 | ||
| vytrvalé energetické rostliny | 1250 | ||
| rychle rostoucí dřeviny | 1500 |
Tabulka: Potenciální produkce vybraných druhů zemědělské biomasy v ČR a výrobní náklady [StraŠim]
Výhřevnost biomasy při vlhkosti 5 % je pro většinu bylin kolem 15 MJ/kg, výhřevnost rychle rostoucích dřevin je o něco vyšší - kolem 17 MJ/kg. Při vyšší vlhkosti se výhřevnost biomasy snižuje, praktická vlhkost spalované biomasy bývá obvykle v rozmezí 10 až 20 %. Štěpka je však často spalována bezprostředně po sklizni při obsahu vlhkosti kolem 50 % [StraŠim]. Výhřevnost vlhké štěpky může klesnout pod 10 MJ/kg, výhodnější je štěpku před spalováním alespoň částečně vysušit.
Energetické rostliny
Jako energetické plodiny je využívána celá řada jednoletých a víceletých bylin nebo rychle rostoucí dřeviny pěstované na zemědělské půdě. Za energeticky vhodné rostliny lze považovat takové, jejichž produkce suché biomasy činí minimálně 12 t/ha, z hlediska ekonomického je však nutné, aby produkce suché biomasy těchto rostlin činila alespoň 15 tun z ha [StraŠim]. V podmínkách České republiky jsou výnosy nad 12 t/ha vzácností. Vyšších výnosů lze dosáhnout jen na stanovištích dobře zásobených vodou a/nebo s pomocí průmyslových hnojiv. Problematice pěstování energetických plodin včetně rychle rostoucích dřevin se v České republice věnuje sdružení CZ Biom.
Rychle rostoucí dřeviny (RRD) jsou pěstovány na tzv. výmladkových plantážích. Jedná se o relativně nový způsob pěstování zejména topolů a vrb. Využívá se schopnosti vybraných dřevin obrůstat z ponechaných pařezů. Sama technologie výmladkových plantáží je známa z minulosti, kdy podobným způsobem byly pěstovány například duby pro získávání dubové kůry na výrobu tříslovin pro činění kůží. První sklizeň energetické plantáže se předpokládá asi po 5 až 7 letech, následně je porost sklízen v intervalu 3 až 5 let. Životnost plantáže je obvykle uvažována 20 až 30 let, v ideálních podmínkách nejvýše 50 let, neboli obvykle 5 až 7, nejvýše asi 15 sklizní [Weger, Seminar, Mallee]. Výnosy se na optimálních stanovištích v ČR pohybují kolem 12 až 15 t/ha sušiny[Weger]. Po 15 až 20 letech pěstování však výnosy výrazně klesají, obvykle je ekonomicky výhodnější plantáž obnovit. Rentabilitu starší plantáže je možno částečně zvýšit prodloužením intervalu mezi sklizněmi [Mallee]
Faktory ovlivňující výnos
Limitujícími faktory pro růst rostlin jsou sluneční záření, teplota, dostupnost živin a množství srážek respektive dostupnost vody. Pro každou rostlinu existuje optimální rozpětí uvedených faktorů. V podmínkách České republiky lze však prohlásit, že zvýšení kteréhokoli parametru vede ke zvýšení produkce. Teplota a množství slunečního záření jsou dány klimatickými podmínkami, ovlivnit lze pouze množství vláhy a živin.
Teplotní optimum většiny plodin pěstovaných v ČR je v rozmezí 20 až 25 °C. Kukuřice a některé tropické druhy trav doporučované jako energetické plodiny mají teplotní optimum vyšší, jejich výhodou je nižší potřeba vody a vyšší účinnost fotosyntézy, protože spotřebují méně energie na vlastní metabolismus [Špaldon]. V ČR jsou pro tyto rostliny vhodné podmínky jen na jižní Moravě a v Polabské nížině, na ostatním území není jejich výhodnost jednoznačná.
Použití hnojiv může při velkých dávkách zhoršit energetickou bilanci produkce biomasy, nehledě na další negativní dopady jako například uvolňování NH3 a NOX do ovzduší a do spodních i povrchových vod. Hlavním zdrojem dusíku v hnojivech je čpavek, při jehož výrobě reaguje metan se vzdušným dusíkem a vodní párou, jako vedlejší produkt se uvolňuje významné množství CO2. Spotřeba energie na výrobu dusíkatých hnojiv je 82,5 MJ/kg.
Při pěstování energetických plodin jsou proto vybírány takové, které mají vysoké výnosy při minimálních nebo nulových vstupech [Biomass]. V ČR se pohybují výnosy zrna pšenice kolem 5 t/ha; úroveň hnojení je kolem 80 kg/ha čistého dusíku [CZSO]. Celkový výnos biomasy včetně slámy dosahuje až 10 t/ha, při použití speciálních plodin v optimálních podmínkách až 15 t/ha.
Termín sklizně
Z hlediska využití pro spalování je důležitý obsah vlhkosti v biomase. V době největšího přírůstku biomasy konci jara obsahují rostliny asi 60 až 70 % vlhkosti. Taková biomasa je vhodná pro výrobu bioplynu, pro případné spalování je nutno ji dosoušet. Většina energetických plodin však v době sklizně na podzim obsahuje kolem 50 % vlhkosti [Strašil03]. Obsah vlhkosti v obilninách v době sklizně je kolem 20 %.
Ponechají-li se energetické rostliny na plantáži přes zimu, obsah vlhkosti poklesne ve většině případů na 20 až 30 %, zároveň však poklesne o 25 až 40 % výnos. Proto je v závislosti na zamýšleném použití biomasy nutno v každém jednotlivém případě hledat kompromis mezi termínem sklizně, obsahem vlhkosti a ztrátami fytomasy [Strašil03].
Reference
[Akcni] Akční plán pro biomasu pro ČR na období 2009 - 2011.
[Biom] Biom [online]. Dostupné zde.
[Biomasa] Bechník, Bronislav. Biomasa - definice a členění. Dostupné zde.
[Biomass] Biomass Energy Centre. [online]. Dostupné zde.
[Cleveland] CLEVELAND, Cutler (Lead Author); Robert Costanza (Topic Editor). 2008. "Net energy analysis." In: Encyclopedia of Earth. Eds. Cutler J. Cleveland (Washington, D.C.: Environmental Information Coalition, National Council for Science and the Environment). [First published in the Encyclopedia of Earth September 14, 2006; Last revised August 22, 2008; Retrieved August 11, 2009].
[COM] COMMUNICATION FROM THE COMMISSION. Biomass action plan. COMMISSION OF THE EUROPEAN COMMUNITIES: Brussels, 7.12.2005. COM(2005) 628 final. Dostupné zde.
[Cropgen] Assessment of the potential for crop-delivered biogas as an energy source in the EU, taking into account technical and environmental issues and socio-economic impact. CROPGEN Deliverable D30b. University of Southampton, 2007
[CZSO] Statistická ročenka České republiky 2008, Dostupné zde.
[Kužel] KUŽEL, Stanislav. Nové technologie zpracování biomasy. Přednáška na semináři Biomasa pro výrobu tepla. ECČB; České Budějovice, 2. 4. 2009. Dostupné zde.
[Mallee] Hongwei WU, Qiang FU, Rick GILES, John BARTLE. Energy Balance of Mallee Biomass Production in Western Australia. In: Bioenergy Australia 2005 -"Biomass for Energy, the Environment and Society". Rydges, Melbourne 12 - 14 December 2005: Full paper, Peer Reviewed.
[MŽP] Vyhláška MŽP č. 482/2005 o stanovení druhů, způsobu využití a parametrů biomasy při podpoře výroby elektřiny z biomasy.
[NEK] Zpráva Nezávislé odborné komise pro posouzení energetických potřeb České republiky v dlouhodobém časovém horizontu. Verze k oponentuře, 30.9.2008.
[Pimentel] [PIMENTEL, David; PIMENTEL, Marcia; KARPENSTEIN-MACHAN, Marianne. Energy Use in Agriculture: an Overview.
[Pinus] Fei PAN; Han-Sup HAN; Leonard R. JOHNSON; William J. ELLIOT. Net energy output from harvesting small-diameter trees using a mechanized system. In: Forest Products Journal, vol. 58, No. 1 and 2/2008.
[Seminar] Seminář Biomasa pro výrobu tepla. Dostupné zde.
[Schmer] M. R. SCHMER, K. P. VOGEL, R. B. MITCHELL, and R. K. PERRIN. Net energy of cellulosic ethanol from switchgrass. In: PNAS: vol. 105, no. 2, January 15, 2008.
[Strašil03] STRAŠIL, Zdeněk. Energetické bilance vybraných netradičních energetických rostlin určených pro přímé spalování při různých termínech sklizně a systému dosoušení. In: Kalorimetrický seminář 2003, Suchá Rudná, 26. až 30. května 2003. Ostravská univerzita 2003. ISBN 80-7042-836-8.
[Strašil08] STRAŠIL, Zdeněk. Porovnání energetických bilancí a využití globálního záření u vybraných zemědělských plodin a netradičních olejnin. In: 30. Mezinárodní český a slovenský kalorimetrický seminář, Rožnov p. Radh., 26. až 30. 5. 2008. Univerzita Pardubice, 2008. ISBN 978-80-7395-079-8.
[Strašil99] STRAŠIL, Zdeněk. Energetické bilance v rostlinné výrobě u vybraných alternativních plodin. In: Kalorimetrický seminář 1999, Železná Ruda, 24. - 27. května 1999. Ostravská univerzita, 1999.
[StraŠim] STRAŠIL, Zdeněk, ŠIMON, Josef: Stav a možnosti využití rostlinné biomasy v energetice ČR. Biom.cz [online]. 2009-04-20 [cit. 2009-08-11]. Dostupné zde. ISSN: 1801-2655.
[Špaldon] ŠPALDON a kol. Rostlinná výroba. Praha: SNZL, 1984.
[Vlk] VLK, Vladimír: Obnovitelné zdroje energie. Biom.cz [online]. 2009-03-25 [cit. 2009-08-29]. Dostupné zde. ISSN: 1801-2655.
[Weger] WEGER, Jan: Topoly a vrby k energetickému užití. Biom.cz [online]. 2009-08-10 [cit. 2009-08-12]. Dostupné zde. ISSN: 1801-2655
From point of view of energy balance every biomass is accumulated solar radiation. It is estimated that about 30 % of biomass is used as food and feed and 20 % is production of forest. Despite fossil fuels the biomass is the most significant energy source in the world. Recently it is not issue however in case of large expansion the energy use of biomass can compete with use as food and feed.
In the Czech Republic it is assumed that the biomass will remain the most significant renewable energy source (RES) at least until the end of the next decade. Energy potential of biomass is limited by production ability of landscape on one hand and by other opportunities of use of biomass on other hand. Expansion of the other opportunities is usually not taken into account in energy predictions.
Energy balance (EROEI) of biomass plantation strongly depends on proportion of use of heavy machinery and transportation distance. EROEI of spatial energy crops is better than that of food production. Although energy yield is highest when the biomass is harvested in summer the biomass harvested next year in spring contains much less moisture and thus is suitable for direct combustion.
Compared to other RES the advantage of the biomass is easy accumulation or (if you like) possibility to harvest in desirable time, easy control of energy supply in accordance with actual demand. In most cases exploitation of equipment designed for fossil fuels is applicable. In renewable energy mix responsible position of biomass is (despite other potential) in balancing of production of sources that are fully dependent on weather – photovoltaic and wind.