Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Vytápění domů při dnešním vývoji cen energií z fosilních paliv a biomasy jako obnovitelného zdroje energie (II)

Druhý díl článku se zaměřuje na energetické využití dřevní hmoty (biomasy). Použití dřevěných peletek pro teplovodní kotle poskytuje provozovateli plný komfort a možnost automatické regulace (obdobně jako plynové kotle). Palivo je šetrné i k životnímu prostředí, ale za cenu vyšších provozních nákladů.

Energetické využití dřevní hmoty (biomasy)

Ekologickým pevným palivem, které dociluje zanedbatelnou koncentraci SO2 ve spalinách a neutrální bilanci CO2 je dřevní hmota. Je to dáno tím, že obsah síry je cca nulový a pro nárůst 1 tuny dřevní hmoty je spotřeba CO2 v koloběhu přírody shodná s produkcí CO2 při spálení 1 tuny dřevní hmoty. Spotřeba i produkce CO2 představuje hodnotu cca 1,6 tuny CO2 na 1 tunu dřevní hmoty. Neutrální bilanci CO2 znázorňuje následující obrázek. Zvýšení energetického využití dřevní hmoty tak znatelným způsobem napomáhá ke snižování emise C02, která představuje pro Zemi nebezpečí v důsledku oteplování (tání ledovců, úbytek obdělávané půdy, snižování počtu ledních medvědů a různé přírodní katastrofy). S ohledem na negativní vliv skleníkových plynů byl přijat v roce 1997 Kjótský protokol pro postupné snižování emisí skleníkových plynů (CO2, CH4, N2O, fluorovaných uhlovodíků a fluoridu sírového).


Koloběh CO2 v regeneračním cyklu v přírodě

Energetické využití technologicky nezpracovatelné dřevní hmoty představuje ekologickou a současně i ekonomickou cestu ke snížení nákladů za palivo při doprovodném snížení emisí škodlivých látek, oproti zdrojům na uhlí a koks. Toto konstatování je opodstatněné s ohledem na chemické složení dřevní hmoty. Důležitou předností dřevní hmoty je i skutečnost, že se jedná o tuzemský a obnovitelný zdroj energie. S ohledem na význam je tato problematika zahrnuta ve Státním programu na podporu úspor energie a využití obnovitelných zdrojů energie - Program Ministerstva průmyslu a obchodu. Dotace může činit až 30 % celkových nákladů, max. 3 miliony Kč na jednu akci. Rovněž SFŽP preferuje tento směr pomocí dotací v rámci Základních typů opatření, která budou podporována. Konkrétně se jedná o bod 1.A.a. Kotle na biomasu. Podpora bude poskytována pouze na již ukončené akce.Podmínkou získání podpory je splnění stanovených kriterií uvedených v osnově odborného posudku, včetně ČSN EN 303 - 5 třídy 3.

O podporu lze žádat maximálně do 9 měsíců po uvedení zařízení do trvalého provozu. Jedná se výhradně o lokální systémy, které využívají energii biomasy a zajišťují dodávku tepla a nebo teplé vody pro fyzické osoby. Předmětem podpory je i automatizovaný systém podávání paliva ze skladiště paliva do kotle. Fond nepodporuje instalaci krbových kamen a krbových vložek. Maximální limit podpory je 50% ze základu pro výpočet podpory.

Obecně je biomasa definována jako substance organického původu (pěstování rostlin v půdě nebo vodě, chov živočichů, produkce organického původu, organické odpady). Biomasa je buď záměrně získávána jako výsledek výrobní činnosti, nebo se jedná o využití odpadů ze zemědělské, potravinářské a lesní výroby, z péče a údržby krajiny a podobně.

Z uvedené definice je patrno, že obecný pojem biomasa představuje široký záběr ve výčtu možných zdrojů představujících obnovitelný zdroj energie. V základním rozdělí je možno biomasu členit na suchou biomasu (např. dřevo) a mokrou biomasu (např. kejda).

S ohledem na suchou a mokrou biomasu se v praxi využívají dva základní procesy a to:

  • suché procesy
    • spalování
    • zplyňování
  • mokré procesy
    • fermentace (produkce etanolu)
    • anaerobní vyhnívání (produkce bioplynu).

Zdroje energetické biomasy v ČR

V podmínkách ČR představuje základní zdroj biomasy především dřevní odpad z dřevozpracujícího průmyslu a lesní těžby. Další zdroj představují vedlejší produkty ze zemědělské činnosti, kterými jsou obilní a řepková sláma a další odpadové stébelniny. Rovněž budou přicházet výhledově v úvahu energetické a rychlerostoucí dřeviny (topol, vrba,jasan) a energetické byliny (šlechtěný šťovík, křídlatka). Odhad potenciálu energetických paliv z biomasy v ČR je patrný z následující tabulky.

Druh paliva Zdroj Produkce (t/r)
dřevo, kůra odpady z lesní těžby a dřevozpracujícího průmyslu 2 600 000
sláma obilovin 25 % celkové sklizně slámy při výnosu 4 t/ha 1 600 000
sláma olejnin do 100 % celkové sklizně při výnosu 4 t/ha 1 000 000
traviny, rákos cca z 20 % trvalých porostů při výnosu min. 2 t/h 800 000
dřevní šrot, obaloviny a spalitelný komunální odpad odpadové dřevo a obaly 600 000
polní dřevo a energetické obilí účelově pěstované na půdě vyčleněné z výroby potravin 4 000 000
celkem do roku 2010 - 2020   10 600 000

Tabulka energetického potenciálu biomasy v ČR

V letech 1990 - 99 se pohybovala spotřeba biopaliva ve výši 1,0 až 1,5 mil. t/rok. V úrovni do roku 2010 se předpokládá možné využití až 5 000 000 až 6 000 000 t/r pevných biopaliv.

S ohledem na tematiku semináře "Vytápění domů" bude naše další pozornost směrována pouze na dřevní hmotu. Jako u každého paliva nás bude zajímat její chemické složení, obsah vody a dále pak její výhřevnost. V úvodu je nutno upozornit na skutečnost, že v dřevařské praxi se obsah vody vztahuje k sušině oproti praxi energetické, kdy je obsah vody vztahován k hmotnosti použitého vzorku. Proto je nutno si vždy ujasnit o jaký obsah vody se jedná, neboť na základě této hodnoty se stanovuje hodnota výhřevnosti a měrné hmotnosti dřevní hmoty. Vzájemné porovnání obou způsobů vyjadřování obsahu vody je možno provést dle následujícího obrázku.


Obrázek vzájemného porovnání vyjadřování obsahu vody
W - energetický obsah vody; Wd - dřevařský obsah vody

V dalším textu bude vždy uváděn energetický obsah vody, pokud nebude výslovně upozorněno, že se jedná o dřevařský obsah vody.

Dřevní hmota jako palivo se vyskytuje v širokém sortimentu a to ve formě kusového dřeva, pilin, hoblin , kůry a brusného prachu. Rovněž obsah vody se pohybuje v širokém rozmezí o to od 10 % u uměle vysušeného řeziva až po 55 % u čerstvě odkorněné kůry.

V závislosti na obsahu vody W (%) se mění i výhřevnost dřeva Qn (MJ/kg) jak je patrno z následujícího obrázku. Pro možnost porovnání je v grafu vyznačena i výhřevnost energetického hnědého uhlí, které se používá v elektrárnách.

Chemické složení měkkého (jehličnatého), tvrdého dřeva (listnatého) a smrkové kůry je uvedeno v navazující tabulce. Pro možnost porovnání je zde i složení běžného energetického uhlí.

složka % Dřevo Kůra Hnědé energetické uhlí
  jehličnaté listnaté smíšené    
C 51,0 50,0 50,5 51,4 69,5
H 6,2 6,15 6,2 6,1 5,5
O 42,2 43,25 42,7 42,2 23,0
S - - - - 1,0
N 0,6 0,6 0,6 0,3 1,0
As 1,0 1,0 1,0 2,3 - 5,0 25,0

Chemické složení hořlaviny dřevní hmoty a obsah popele v sušině As

Jak je z tabulky patrno, je chemické složení měkkého a tvrdého dřeva prakticky shodné.Vzhledem k tomu bude i výhřevnost různých druhů dřevní hmoty, pro daný obsah vody W (%) prakticky shodná. Z tohoto důvodu je nutno zamítnout vžitý názor, že výhřevnost je u tvrdého dřeva vyšší než u dřeva měkkého. Tato domněnka je založena pouze na tom, že tvrdé dřevo má vyšší měrnou hmotnost než dřevo měkké. Při použití stejného objemu paliva jsme do kotle dodali pouze rozdílnou energii ve vstupním palivu, a to v poměru měrných hmotností porovnávaných paliv.

Z uvedené tabulky je patrno, že při spalování dřevní hmoty prakticky nevzniká žádná emise SO2 a obsah popelovin a dusíku je velmi nízký např. v porovnání s hnědým uhlím. Z tohoto důvodu jsou i emise NOx při spalování dřevní hmoty na příznivě nízké koncentraci.

Pokud při spalování paliva nevzniká plynná emise SO2, je teplota rosného bodu spalin pouze funkcí vlhkosti spalovaného paliva a hodnoty součinitele přebytku spalovacího vzduchu α. Výše teploty rosného bodu spalin pak ovlivňuje tepelnou účinnost kotle, a to v důsledku tzv. komínové ztráty. Při spalování dřevní hmoty je teplota rosného bodu spalin poměrné nízká a to cca 60 °C, což pro porovnání s hnědým uhlím představuje snížení teploty rosného bodu minimálně o 50 %.

Průběh teploty rosného bodu spalin pro spalování dřevní hmoty v závislosti na vlhkosti W a součiniteli přebytku spalovacího vzduchu α je uveden na následujícím obrázku.


Teplota rosného bodu spalin při spalování dřevní hmoty

Z obrázku je patrno, že teplota rosného bodu spalin leží v oblasti poměrně nízkých teplot, které odpovídají cca spalování zemního plynu. Při dostatečném ochlazení spalin vystupujících z kotle je možno docílit i vyšší tepelnou účinnost kotle. S ohledem na tuto skutečnost je u kotlů na dřevo dosahována srovnatelná tepelná účinnost s kotli na zemní plyn.

Spalování kusové dřevní hmoty - zplyňovací kotle

 

Kusovou dřevní hmotou máme na mysli polena, odřezky atd. Pro tento druh paliva se používají teplovodní kotle, jejichž konstrukce má tři základní části a to:

  • Zásobník paliva, který je umístěn v horní části kotle. Do zásobníku se ručně přiloží palivo, které se zde zplyňuje za částečného přívodu vzduchu.
  • Vyrobený dřevoplyn pak prochází v dolní části zásobníku paliva štěrbinou, která je opatřena tryskami pro přívod sekundárního spalovacího vzduchu. Vyrobený dřevoplyn je pak za štěrbinou spalován jako plynné palivo v další části kotle.
  • Dohořívací spalovací komora je pod štěrbinou v dolní části kotle.

Kotel je celý chlazen vodním obsahem teplosměnných ploch. Přívod spalovacího vzduchu zajišťují malé vzduchové ventilátory, které jsou řízeny od regulačního systému kotle. Tyto teplovodní kotle jsou dodávány do maximálního tepelného výkonu 100 kW.

Pro tento druh kotlů je předepsáno dřevo o obsahu vody W = 12 - 20 % , čemuž odpovídá výhřevnost v rozmezí 15 - 18 MJ/kg. Tepelná účinnost kotlů se pohybuje v celém rozmezí výkonu od 85 do 90 %. Při uvedené výhřevnosti paliva je roční spotřeba paliva cca 1 m3 paliva na 1 kW instalovaného výkonu kotle.

 

V zahraničí je rozšířen způsob spalování peletek z dřevní hmoty

Základní energetická bilance

Pro bilanční stanovení vstupující energie ve spalovaném palivu je nutno vycházet z hmotnosti

Základní energetická bilance

Pro bilanční stanovení vstupující energie ve spalovaném palivu je nutno vycházet z hmotnosti spotřeby paliva energetického zdroje za sledovaný časový úsek a z jeho výhřevnosti, která odpovídá vlhkosti spalovaného paliva.

Výhřevnost dřevní hmoty v závislosti na energetickém obsahu vody W je uvedena na následujícím obrázku. Pro možnost porovnání je zde vynesena i výhřevnost energetického hnědého uhlí. Pro běžné výpočty je možno uvažovat s tím, že výhřevnost sušiny (W = 0 %) dřevní hmoty je cca Qn = 18 MJ/kg = 5 kWh/kg.

Pro praktické výpočty je možno použít hodnoty výhřevnosti, které jsou uvedeny v grafu.

Při výrobě tepla a elektrické energie z klasických paliv se jedná o spalování konkrétního použitého paliva. Emise škodlivých látek, které se uvolňují během spalovacího procesu závisí na:

  1. druhu paliva (pevná, kapalná, plynná)
  2. chemickém složení daného paliva (prvkový rozbor paliva a jeho výhřevnost)

Vzhledem k tomu, že emise škodlivin závisí na chemickém prvkovém složení daného paliva je nutno pro možnost jejich porovnání brát v úvahu další základní následující dělení:

Pevná paliva Kapalná paliva Plynná paliva
hnědé tříděné uhlí nafta zemní plyn
černé tříděné uhlí lehký topný olej (LTO) kapalný propan - butan.
Koks    
Dřevo    

Pro vzájemné porovnání výše uvedených paliv z environmentálního hlediska je nejlépe použít konkrétní případ. Použijeme pro názornost rodinný dům s celkovou roční spotřebou tepla ve výši 100 GJ/rok. Ve vstupním palivu se bude dodávat větší množství tepla s ohledem na tepelnou účinnost použitého zdroje η.

Pro další výpočty jsou použity vstupní hodnoty dle tabulky 4.1, kde značí:

η - tepelná účinnost zdroje
Qpal - energie ve vstupním palivu
Qn - výhřevnost paliva
Mpal - roční spotřeba paliva

PALIVO η % Qpal GJ/r Qn MJ/kg Mpal kg/r
Pevná paliva
Hnědé uhlí 66 151,51 17,6 8610
Černé uhlí 68 147,06 23,07 6370
Koks 69 144,93 26,78 5410
Palivové dřevo 81 123,46 17,0 7260
Kapalná paliva
Nafta 80 125,0 41,0 3049
LTO 80 125,0 39,8 3141
Plynná paliva
Zemní plyn 85 117,65 34,05 MJ/m3 3455,12 m3/r
Propan-butan 85 117,65 46,0 2557,5

Tabulka 4.1 - Vstupní hodnoty pro dům s roční spotřebou tepla 100 GJ/r.

Vliv výroby tepla na životní prostředí

Pro naše další úvahy budeme uvažovat s tepelnými zdroji do jmenovitého výkonu 200 kW. Pro tento rozsah výkonu se bude u pevných paliv jednat především o kotle s pevným roštem. Konstrukční provedení kotle má při dalších úvahách vliv při výpočtu emisí škodlivých látek.U větších energetických zdrojů se jedná o následné čištění spalin, které snižuje emise jako odsiřování spalin, denitrifikace atd. Z těchto důvodů je nutno velké zdroje posuzovat zcela samostatně.

Emise škodlivých látek vznikajících při spalování paliv uvedených v tabulce 4.1 jsou stanoveny na základě emisních faktorů dle zákona č. 352/ 2002 Sb. Konkrétně se jedná o hodnoty emisních faktorů pro stanovení množství emisí výpočtem při spalování paliv výpočtu se vychází ze složení paliva a to:

Ap - obsah popela v původním vzorku tuhých paliv (% hm.)
Sp - obsah síry v původním vzorku tuhých paliv (% hm.)
S - obsah síry v původním vzorku pro paliva kapalná (% hm.)
- propan-butan (g/kg)
- plynná paliva (mg/m3)

Pro další výpočty jsou použity následující údaje - viz tabulka 4.2.

PALIVO Ap % Sp %
Pevná paliva
Hnědé uhlí 9,8 0,77
Černé uhlí 13,5 0,6
Koks 9,5 0,6
Palivové dřevo 1,0 0,05
Kapalná paliva
Nafta topná 0,25 0,05
LTO 0,1 0,2
Plynná paliva mg/ m3 mg/ m3
Zemní pyln 19,97 4,775
Propan-butan 900,0 3,91

Tabulka 4.2

Pro roční spotřebu paliv dle tabulky 4.1 a kvalitativní znaky paliva dle tabulky 4.2 pak vychází výpočtem následující emise škodlivých látek v kg/r - viz tabulka 4.3.

Škodlivina Hnědé uhlí Černé uhlí Koks Palivové dřevo
TL 160,32 85,99 51,39 90,75
SO2 125,96 72,62 61,67 7,26
NOx 25,83 9,55 8,12 21,78
CO 387,45 286,65 243,45 7,26
CxHy 11,11 56,69 48,15 6,24
VOC 1,555 7,939 6,741 0,874
CO2 15302,51 17206,02 17536,53 0,0

Tabulka 4.3 - Emise škodlivých látek z pevných paliv dle druhu v (kg/r)
TL - tuhé znečišťující látky; VOC - těkavé organické sloučeniny

U palivového dřeva je bilance CO2 neutrální. Při jeho spalování vznikne stejné množství CO2, které se spotřebuje v koloběhu přírody při jeho růstu.

Emise škodlivých látek pro uváděná kapalná a plynná paliva je uveden v tabulce 4.4 a 4.5.

Škodlivina Zemní plyn Kap. propan-butan
TL 0,069 1,151
SO2 0,033 0,010
NOx 5,528 6,138
CO 1,105 1,176
CxHy 0,221 0,230
VOC 0,110 0,115
CO2 6823,7 8848,95

Tabulka 4.4 - Emise škodlivých látek z plynných paliv v (kg/r)

Škodlivina Nafta LTO
TL 4,329 6,690
SO2 3,049 12,564
NOx 15,245 31,41
CO 2,165 1,853
CxHy 1,037 1,068
VOC 0,207 0,214
CO2 9100,4 9375

Tabulka 4.5 - Emise škodlivých látek z kapalných paliv v (kg/r)

Na základě vypočtených hodnot je možno sestrojit grafické porovnání jednotlivých emisí a tak porovnávat vliv jednotlivých paliv s ohledem na šetrnost k životnímu prostředí.

Další možností je provést přepočet uvedených škodlivin na CO a tím získat tak zvanou "jednotkovou emisi" v (kg/r). Přepočet na jednotkovou emisi vychází z přepočtového koeficientu, který je pro jednotlivé škodliviny následující - viz tabulka 4.6.

Škodlivina TL SO2 NOx CO CxHy
Koeficient 5,0 1,67 1,33 1,0 3,33

Tabulka 4.6 - Koeficienty pro přepočet na jednotkovou emisi

Pro uvedené hodnocení pomocí jednotkové emise pak vychází pro námi uvažovaná paliva hodnoty dle tabulky 4.7. V rámci jednotkové emise není zahrnuta emise CO2 pro dané palivo. Z tohoto důvodu uvádíme pro možnost porovnání tuto emisi samostatně s ohledem na to, že CO2 je plyn ovlivňující skleníkový jev.

PALIVO Jed. emise (kg/r) Emise CO2 (kg/r)
Pevná paliva
Hnědé uhlí 1470,75 15302,51
Černé uhlí 1039,35 17206,02
Koks 774,53 17536,53
Palivové dřevo 522,88 0,0
Kapalná paliva
Nafta 49,631 9100,4
LTO 101,616 9375,0
Plynná paliva
Zemní plyn 12,226 6823,7
Propan-butan 15,876 8848,95

Tabulka 4.7 - Porovnání emisí dle jednotkové emise a emise CO2 v (kg/r)


Graf č. 4.1 - Porovnání jednotkových emisí v kg/ rok pro porovnávaná paliva

Z uvedeného grafu vyplývá, že při hodnocení vlivu paliv na životní prostředí dle jednotkové emise vychází z porovnávaných paliv nejšetrnější k životnímu prostředí paliva v následujícím pořadí:

Plynná paliva - zemní plyn
Kapalná paliva - topná nafta
Pevná paliva - palivové dřevo


Graf 4.2 - Porovnání paliv dle emise CO2

Palivové dřevo (obecně biomasa) je tuzemský obnovitelný zdroj energie, který současně umožňuje výrazné snížení emise skleníkového plynu CO2. Z tohoto důvodu je preferováno energetické využití biomasy (dřevo, sláma, rychle rostoucí a energetické plodiny) jak v ČR, tak i celosvětově.

Při objemových bilančních výpočtech spotřeby paliva se v praxi používají následující objemové jednotky:

plm - plnometr dřeva (1 m3 skutečné dřevní hmoty)
prm - prostorový metr dřeva (1 m3 složeného dřeva štípaného nebo neštípaného)
prms - prostorový metr sypaného dřeva (1 m3 volně sypaného, nezhutňovaného drobného nebo drceného dřeva).

Vzájemné orientační přepočtové hodnoty jsou následující:

dřevo plm prm prms
plm 1,00 1,54 2,50 - 2,86
prm 0,65 1,00 1,61 - 1,86
prms 0,35 - 0,40 0,54 - 0,62 1,00

Pro praktické výpočty lze uvažovat s následujícími hodnotami:

smrk obsah vody 25 % měrná hmotnost 340 kg/prm
obsah vody 40 % měrná hmotnost 420 kg/prm
dub a buk obsah vody 25 % měrná hmotnost 500 kg/prm
obsah vody 40 % měrná hmotnost 621 kg/prm
piliny - smrkové obsah vody 40 % měrná hmotnost 250 kg/prms
kůra drcená smrková obsah vody 40 % měrná hmotnost 270 kg/prms
brikety ze smrkové kůry obsah vody 10 % měrná hmotnost 1000 kg/prms

Z uvedených měrných údajů je patrný význam použití briket a peletek z dřevní hmoty. S ohledem na jejich nízký obsah vody je výhřevnost cca 17 MJ/kg a měrná hmotnost srovnatelná s uhlím. Tím se sníží potřebné skladovací prostory na zásobu paliva pro otopné období.

Závěr

Předkládaný příspěvek na seminář si klade za cíl zhodnotit vývoj cen energie z pevných paliv a provést porovnání se zemním plynem. Rozhodně si neklade za cíl doporučit návrat od zemního plynu zpět k pevným palivům s ohledem na nižší provozní náklady. Je nutno si uvědomit, že používání paliv, která jsou šetrná k životnímu prostředí sebou přináší i vyšší provozní náklady. Je to pouze potvrzení motta, že dobré životní prostředí není zadarmo.

Myšlence o návratu k pevným palivům by mělo rozhodně něco předcházet. Zvážit dostupné možnosti ke snížení energetické náročnosti, to je snížení spotřeby tepla pro vytápění.

V této oblasti se jedná o poměrně široký výčet technických možností, které lze ve stručnosti uvést následující:

  • zateplení obvodového pláště stavebního objektu
  • zateplení střechy
  • výměna otvorových výplní
  • použití regulační techniky
  • a spousta dalších opatření.

Snižování energetické náročnosti by mělo představovat krok první, neboť představuje snížení energie pro všechny druhy paliv, které budeme pro vytápění zvažovat.

Pokud však přece jen zvítězí myšlenka okamžitého snížení nákladů za palivo tím, že se přejde na levnější palivo je dobré vzít v potaz naše rady, které jsou v textu uvedeny. Jedná se o zvážení z pohledu nejenom cen, ale i z pohledu ekologie. V lokalitách, kde je k disposici dostatečná palivová základna na bázi dřevní hmoty je nutno preferovat energetické využití biomasy, jako obnovitelného energetického zdroje. V případě návratu k hnědému uhlí pak volit takový druh uhlí, které vykazuje nízký obsah síry.

Použití dřevěných peletek pro teplovodní kotle poskytuje provozovateli plný komfort a možnost automatické regulace (obdobně jako plynové kotle). Toto palivo je šetrné i k životnímu prostředí, ale opět za cenu vyšších provozních nákladů na palivo.

 
 
Reklama