Historie a perspektivy OZE - biomasa II
Druhá část článku věnovaného biomase se zabývá energetickou bilancí pěstování biomasy a perspektivami jejího využívání v budoucnosti.
Energetická výnosnost pěstování biomasy
Následující tabulka ilustruje skutečnost, že energetická výnosnost závisí na klimatických podmínkách, druhu pěstované biomasy, způsobu pěstování a sklizně. Soudobé technologie pěstování potravin jsou energeticky náročné, to je hlavním důvodem, proč přínos kapalných biopaliv první generace je z energetického hlediska sporný. Obecně lze pozorovat, že systémy s vyšším podílem ruční práce jsou obvykle výhodnější. Je však třeba upozornit, že není shoda ve způsobu, jak z energetického hlediska započítat lidskou práci.
| Rostlina | Lokalita | EROEI | zdroj | poznámka |
|---|---|---|---|---|
| Blahovičník (Mallee) | Austrálie | 64,1 | [Mallee] | životnost plantáže 50 let, včetně pěstování semen, celé rostliny včetně listů, srážky 300 až 600 mm |
| Blahovičník (Mallee) | Austrálie | 41,7 | [Mallee] | dtto, včetně dopravy 70 km |
| Borovice (Pinus ponderosa) | Arizona, USA | 16,3 | [Pinus] | mechanizovaná sklizeň, prořezávky |
| Borovice (Pinus ponderosa) | Arizona, USA | 10,4 | [Pinus] | dtto, včetně dopravy 80 km |
| Řepka | Německo | 7,0 | [Mallee] | bez podrobností |
| Kukuřice | USA | 8,4 | [Pimentel] | starověk, žďárové zemědělství, plně ruční pěstování, monokultura |
| Kukuřice | USA | 4,1 | [Pimentel] | středověk, s využitím tažné síly dobytka, monokultura |
| Kukuřice | USA | 2,8 | [Pimentel] | pokročilá mechanizace, hnojiva, postřiky, monokultura |
| Kukuřice | USA | 4,8 | [Pimentel] | pokročilá mechanizace, střídání plodin |
| Switchgrass | Nebraska, USA | 30 | [Schmer] | vytrvalá monokultura |
| Cukrová řepa | UK | 14,5 | [Cropgen] | |
| Obilí | UK | 6,7 | [Cropgen] | jen zrno |
| Kukuřice | UK | 11,3 | [Cropgen] | jen zrno |
| Tritikale | UK | 14,1 | [Cropgen] | celé rostliny |
| Pšenice ozimá | CZ | 3,37 | [Strašil08] | jen zrno |
| Pšenice ozimá | CZ | 7,40 | [Strašil08] | celé rostliny |
| Ječmen jarní | CZ | 7,58 | [Strašil08] | celé rostliny |
| Řepka olejka | CZ | 6,66 | [Strašil08] | celé rostliny |
| Lnička setá | CZ | 8,97 | [Strašil08] | celé rostliny |
| Olejnička iberská | CZ | 8,90 | [Strašil08] | celé rostliny |
| Čirok (súdánská tráva) | CZ | 14,6 | [Strašil99] | extenzivnější varianta |
| Čirok (súdánská tráva) | CZ | 15,2 | [Strašil99] | intenzivnější varianta |
| Chrastice rákosovitá | CZ | 11,7 | [Strašil99] | extenzivnější varianta |
| Chrastice rákosovitá | CZ | 10,5 | [Strašil99] | intenzivnější varianta |
| Ozdobnice čínská | CZ | 21,5 | [Strašil99] |
Tabulka: Poměr získané energie k energii vložené pro různé druhy biomasy
Z porovnání hodnot v tabulce je zřetelné, že aplikace poznatků ze zahraničních studií naráží na rozdíly v klimatických podmínkách a používaných pěstebních postupech. V České republice jsou například výnosy obilovin výrazně nižší než v Británii. Je proto nutno zahraniční poznatky ověřovat v podmínkách ČR v různých pěstebních oblastech. Zahraniční studie se však shodují v poznatku, že k energeticky nejnáročnějším operacím patří sklizeň a doprava biomasy. Rovněž podíl hnojiv je výrazný.
Obrázek: Energetické vstupy při pěstování biomasy [Mallee]
Odpadní biomasa
Energetickou bilanci (energetickou efektivnost, EROEI) vedlejších produktů a odpadní biomasy je obtížné vyhodnocovat. Existují nejméně čtyři možnosti, jak rozdělit energetické vstupy při větším počtu výstupních komodit [Cleveland]:
- přiřadit veškeré energetické vstupy hlavnímu produktu - ostatní jsou považovány za odpad, na jehož likvidaci by obvykle bylo třeba vydat další energii
- rozdělit energetické vstupy v poměru cen jednotlivých produktů - stejná energetická náročnost na Kč produkce
- rozdělit energetické vstupy podle hmotnosti - stejná energetická náročnost na kilogram produkce
- rozdělit energetické vstupy v poměru výhřevnosti - stejná energetická náročnost na jednotku tepla
Volba metody má rozhodující vliv na výsledek. Například při výrobě etanolu z obilovin lze využít slámu k výrobě tepla a výpalky jako krmivo. Proto vykazují výsledky vyhodnocování EROEI kapalných biopaliv velký rozptyl zjištěných hodnot. Obdobná situace je v případě zbytkové biomasy po těžbě dřeva, slámy při pěstování obilí a řepky, ale i u dalších zdrojů odpadní biomasy.
Je třeba upozornit, že energetická výnosnost procesu (poměr získané energii k energii vložené - EROEI) není jediným měřítkem při hodnocení zdrojů energie. Při komplexním porovnávání zdrojů energie je třeba uvažovat i ekologické (emise CO2), sociální (vliv na zaměstnanost) a další dopady.
Energetická hodnota lidské práce
Hlavní rozdíl lidské práce oproti strojům je, že k udržení pracovní síly je nutný stálý přísun energie; totéž platí pro zvířata. Při vyhodnocování energetické náročnosti lidské práce lze uvažovat buď jen energetickou hodnotu potravy, případně zahrnout i energii potřebnou k produkci potravy. V extrémním případě lze zahrnout veškerou energii potřebnou k výrobě zboží nakoupeného z mezd a platů, diskutuje se však otázka, jaká část výdajů souvisí s reprodukcí pracovní síly [Cleveland].
Metabolický výdej energie závisí na vykonávané činnosti, pohybuje se při dlouhodobé činnosti v rozsahu 100 až 250 W [http://www.tzb-info.cz/2650-vnitrni-prostredi-budov-a-tepelna-pohoda-cloveka, http://www.tzb-info.cz/2470-kvalita-vnitrniho-prostredi-v-nasich-predpisech-mikroklima]. Pro doporučený energetický příjem v USA (asi 14 MJ/den) byla vyhodnocena celková spotřeba energie výrobu potravin na úrovni 5,6 MJ/h (téměř 1600W), jsou však velké rozdíly mezi různými pěstebními systémy, viz kukuřice v tabulce výše. Situace v ČR je jen mírně odlišná, energetický ekvivalent lidské práce stanovený na základě spotřeby energie na výrobu potravin je asi 2,3 MJ/h.
Je však třeba vzít v úvahu, že člověk se od strojů výrazně odlišuje. Stroj existuje jen pro činnost, pro kterou byl navržen. Naproti tomu člověk (veškerá živá i neživá příroda) existuje nezávisle na průmyslové výrobě, byl tady podstatně dříve. Jedná se o zcela jiný úhel pohledu, ze kterého je primární člověk, který si k usnadnění života vytvořil zemědělství, řemesla, obchod a následně průmysl. Otázka výše uvedeného způsobu zakalkulování lidské práce do energetických vstupů je z tohoto úhlu pohledu zcela chybná. Vhodnější by bylo uvažovat pouze rozdíl mezi výdejem energie v klidu a výdejem energie při pracovní činnosti, rozdíl se obvykle pohybuje do 100 W. Všechny údaje ve výše uvedené tabulce se potom posouvají k vyšším hodnotám, výrazněji jsou přitom ovlivněny technologie s vysokým podílem lidské práce.
Perspektivy
Do budoucna lze očekávat, že biomasa bude kromě obvyklého využití (potraviny, stavební konstrukce, krmivo...) využívána ve větší míře než dosud jako surovina pro průmyslovou a chemickou výrobu, teprve odpady budou využívány k produkci energie. V současnosti probíhá intenzivní výzkum technologií komplexního využití biomasy [Kužel]. Předpokládané změny v určení produkce biomasy (z výroby energie na průmyslovou surovinu) mohou mít poměrně malý vliv na způsob pěstování, například plantáže RRD lze využít jako zdroj suroviny pro papírenskou výrobu jednoduše prodloužením obmýtí (intervalu mezi sklizněmi).
Obrázek: Cyklické a lineární užití biomasy
Bude zřejmě nutno provést důkladné analýzy životního cyklu komplexnějších systémů, aby bylo možno rozhodnout, zda je výhodnější recyklace nebo lineární systémy materiálového využití biomasy zakončené energetickým využitím odpadu. Současné snahy přizpůsobit design výrobků a obalů možnostem následné recyklace v tom případě budou nahrazeny takovými úpravami, které usnadní následné energetické využití.
Energetická náročnost těžby konvenčních energetických zdrojů vykazuje rostoucí tendenci. Ve většině prognóz je proto očekáván růst cen energetických surovin. Naproti tomu energetická náročnost těžby biomasy je stálá, v českých podmínkách může mírně poklesnout při zvětšení výměr plantáží a využití speciální sklizňové techniky, musí však být zachovány krátké dopravní vzdálenosti. V současnosti se cena energetické biomasy pohybuje v rozmezí 120 až 180 Kč/GJ, což je porovnatelné s cenou hnědého uhlí - asi 160 Kč/GJ. Vzhledem k výše uvedeným předpokladům lze očekávat, že během několika let bude biomasa plně konkurenceschopná [Weger].
Závěr
Biomasa je celosvětově dosud nejvýznamnějším zdrojem energie po fosilních zdrojích. Rovněž v České republice lze předpokládat, že v rámci obnovitelných zdrojů bude biomasa dominovat nejméně do konce příštího desetiletí. Potenciál biomasy je limitován jednak produkční schopností území a jednak jinými možnostmi využití biomasy, jejichž rozvoj obvykle není v prognózách energetického potenciálu biomasy zahrnut.
Oproti jiným obnovitelným zdrojům je výhodou biomasy snadná akumulace respektive možnost sklízet ve zvoleném termínu, snadná regulovatelnost podle aktuální potřeby energie, ale často i možnost využít stávající zařízení určená pro fosilní paliva. V obnovitelném energetickém mixu má biomasa významné místo mimo jiné při vyrovnávání produkce zdrojů zcela závislých na počasí - fotovoltaiky a větru.
Reference
[Akcni] Akční plán pro biomasu pro ČR na období 2009 - 2011. Dostupné: www
[Biom] Biom [online]. Dostupné: www
[Biomasa] Bechník, Bronislav. Biomasa - definice a členění. Dostupné: www
[Biomass] Biomass Energy Centre. [online]. Dostupné: www
[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]. www
[COM] COMMUNICATION FROM THE COMMISSION. Biomass action plan. COMMISSION OF THE EUROPEAN COMMUNITIES: Brussels, 7.12.2005. COM(2005) 628 final. Dostupné: www
[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: www.
[Kužel] KUŽEL, Stanislav. Nové technologie zpracování biomasy. Přednáška na semináři Biomasa pro výrobu tepla. ECČB; České Budějovice, 2. 4. 2009. Dostupné: www
[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. Dostupné: www
[NEK] Zpráva Nezávislé odborné komise pro posouzení energetických potřeb České republiky v dlouhodobém časovém horizontu. Verze k oponentuře, 30.9.2008. Dostupné: www
[Pimentel] [PIMENTEL, David; PIMENTEL, Marcia; KARPENSTEIN-MACHAN, Marianne. Energy Use in Agriculture: an Overview. Dostupné: www
[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. www
[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. Dostupné: www
[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: www. 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 z WWW: www. ISSN: 1801-2655.
[Weger] WEGER, Jan: Topoly a vrby k energetickému užití. Biom.cz [online]. 2009-08-10 [cit. 2009-08-12]. Dostupné z WWW: www. ISSN: 1801-2655
Lektorský posudek
Historie a perspektivy OZE – biomasa I a Historie a perspektivy OZE – biomasa II
Téma je v současné době aktuální jak v ČR tak i v zahraničí. Ve světě se v důsledku energetických krizí hledají možnosti využití alternativních zdrojů energie. Jednou z možností, která není zatím v současné době plně využívána, je využití fytomasy. V současnosti probíhá ve světě i u nás ověřování celé řady energetických rostlin.
Původně uvažovaný jeden článek byl citlivě rozdělen na dva. Moje připomínky a návrhy na doplnění článků byly akceptovány. V článku jsem opravil drobné překlepy a v druhém odstavci prvého článku týkajícím se historie ve druhé větě odstavce doporučuji doplnit slovo např. využívání a to následovně: Zcela zanedbatelná je potom historie využívání ostatních zdrojů, které jsou dnes označovány za konvenční – stovky let u uhlí a jen desítky let u jaderné energie. Samotná historie zdrojů jako např. uhlí je několik miliónů let.
Články svým zaměřením jsou jednoznačně inovativní a přispívají k rozšíření pohledu na danou problematiku i z energetického hlediska (energetických bilancí), které není v rámci publikované literatury tak běžné. Zahrnují také přehled nových poznatků z domácí i zahraniční literatury.
Obsah článků je na úrovni současného stavu poznání. Články jsou dobře zpracovány, mají svoji logičnost a dobrou vypovídací schopnost. Do budoucna bych doporučoval zveřejnění dalších článků na podobnou tématiku.
Článek je zajímavý, obsahově aktuální a proto jej doporučuji uveřejnit v oboru Obnovitelná energie a úspory.
V Praze 1. 9. 2009
Oponent: Ing. Z. Strašil, CSc.
Výzkumný ústav rostlinné výroby
Praha 6 - Ruzyně
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.