Spalování biomasy

Rostlinná biomasa má velký energetický potenciál a tvoří významný energetický zdroj

Biomasa a její energetický potenciál

Biomasa je organický nefosilní zdroj obsahující vázanou chemickou energii. Kromě rostlinného materiálu patří do biomasy i odpady živočišní výroby a organické složky komunálních a průmyslových odpadů. Biomasa je považována za významný obnovitelný zdroj energie s minimálním vlivem na tvorbu skleníkových plynů. Perspektivní je nejen výroba elektřiny v elektrárnách spalujících biomasu, no i její využití v kogeneračních jednotkách a při výrobě alternativních biopaliv. Celá Země tvoří jednu obrovskou továrnu, ve které se mění sluneční záření na chemickou energii, uloženou v živých částech rostlin. Kontinuálně tak vzniká bohatý obnovitelný zdroj energie – biomasa. Množství biomasy, které vznikne fotosyntézou na Zemi za 1 rok, je odhadováno na 100 miliard tun, co představuje asi pětinásobek současné roční světové spotřeby energie.

Zušlechtění dřevní biomasy do formy pelet pro automatické kotle

Přímo spalitelná biomasa

Spalování biomasy je nejstarší způsob získávání energie. Využití dřeva, jako paliva pro spálení v ohništi, sahá skoro do počátků civilizace a přetrvává až dodnes, i když dnes se spaluje v moderních energetických zařízeních. Ještě výhodnější než spalování je z hlediska termodynamiky přeměna biomasy na ušlechtilejší paliva například zplyňováním a jejich využití v zařízeních, vyrábějících elektřinu a teplo. K hlavním zdrojům spalitelné biomasy patří především odpady lesního hospodářství a dřevozpracujícího průmyslu, zemědělské rostlinné odpady, ale taky speciálně pěstované rostliny určené k energetickému využití. Při těžbě dřeva tvoří odpady přibližně 30 % dřevní hmoty. Jsou to zejména větve a vrcholy stromů, pařezy a kořeny. V dřevozpracujícím průmyslu tvoří odpady dřevní odřezky, piliny a hobliny. V zemědělství jsou to především obilní a řepková sláma, v menší míře i jinak nepoužitelné zrní.

Úprava a spalování biomasy

Mezi nejpoužívanější druhy tuhých paliv z biomasy patří dřevo ve formě polen, lisované pelety a brikety, sláma a sekaná dřevní štěpka. Pokud je původní tuhá biomasa ve vhodné formě pro transport a následné použití (např. polena), může být přímo využita jako palivo do speciálních kotlů. V případě nevhodné formy (např. lesní odpady, odpady dřevozpracujícího průmyslu, sláma) musí být pevná biomasa před použitím zušlechtěna. Nejčastějším způsobem úpravy je cílené drcení (štěpkování) dřevní hmoty nebo lisování rozmělněného materiálu do formy pelet a briket, které jsou více vhodné jak pro transport, tak i pro manipulaci. Často také vzniká potřeba biomasu před spalováním dosušovat.

Doprava spalitelné biomasy od zdroje do elektrárny tvoří nezanedbatelnou položku v nákladech na výrobu elektřiny

Biomasa se spaluje v upravených kotlích tepelných elektráren. Při tom vzniklá tepelná energie, která je následně využita na výrobu elektrické energie v parním cyklu, nebo je dodávána odběratelům ve formě tepla. Značného rozšíření v poslední době doznali i kotle klasických fosilních elektráren upravené na společné spalování uhlí a biomasy. Výsledkem společného spalování je menší spotřeba fosilních paliv i menší množství znečišťujících látek v ovzduší při zachování stávajícího výkonu elektrárny.

V elektrárně Hodonín je od 31. prosince 2009 jeden z bloků elektrárny určen výhradně ke spalování čisté biomasy. Zařízení disponuje elektrickým výkonem až 30 MW a denně si vyžádá 1 200 tun biomasy. Vytvoření postačující rezervy nutné k pokrytí víkendového provozu vyžaduje dodávku cca 1 600 tun biomasy každý všední den.

Manipulace s dřevní štěpkou v zásobním boxu elektrárny spalující biomasu

Dopad spalování na životní prostředí

V biomase je chemicky uskladněna sluneční energie, kterou rostliny prostřednictvím fotosyntézy proměnili na organickou hmotu. V procesu spalování se tato energie opětovně uvolňuje – atomy kyslíku se slučují s atomy uhlíku uloženými v biopalivech, za vzniku oxidu uhličitého a vody. Předností paliva z tuhé biomasy je poměrně nízký obsah popelovin (kolem 1 %) a podstatně nižší obsah síry než mají fosilní paliva (max. 0,05 %).

Na rozdíl od fosilních paliv se biomasa považuje za CO2 neutrální, protože se při jejím spalování uvolní do ovzduší jen takové množství CO2, jaké rostlina během svého růstu z ovzduší přijala. Při nahrazení části fosilních paliv biopalivy by mohla tato skutečnost přispět ke snížení produkce skleníkových plynů. Biomasa má proti fosilním palivům výhodu i v omezení emisí síry.

Při spalování biomasy se uvolňuje do ovzduší oxid uhličitý, který rostlina během svého růstu z ovzduší přijala

Fyzikální principy

Spalování biomasy je fyzikálně chemický děj mezi palivem a okysličovadlem, kdy dochází k oxidaci paliva s uvolňování tepla. Palivo se současně rozkládá až na konečné produkty spalování.

Hmotové složení tuhých paliv zahrnuje hořlavé složky, nespalitelné látky – popeloviny a vodu. Hořlavina se aktivně podílí na hoření a je nositelem uvolňované chemicky vázané energie v palivu. Nejvýznamnější prvky hořlaviny, u kterých se hořením uvolňuje energie, jsou uhlík a vodík. Kyslík a dusík sice taky patří do kategorie hořlaviny, ale na hoření se podílejí jen pasivně bez energetického zisku.

Kromě hořlaviny obsahují paliva i nehořlavé složky různých chemicky vázaných látek, obecně nazývaných popeloviny. Působením tepla, vzniklého hořením hořlaviny, dochází v popelovinách k chemickým proměnám, přičemž vznikají látky nové, tvořící výsledný popel. Rostoucí podíl popelovin v palivu snižuje jeho výhřevnost (množství tepla, které se uvolní úplným spálením 1 kg paliva).

Srovnání prvkového složení hořlaviny různých paliv včetně jejich výhřevností

Taktéž větší obsah vody v biomase má negativní vliv na proces spalování. Po odpaření zvětšuje objem spalin a tím množství odvedeného tepla komínem, působí jako inhibitor hoření a snižuje teplotu spalování. Výhřevnost dřevní biomasy značně kolísá v závislosti od její vlhkosti. Suchá má výhřevnost přibližně 18 MJ.kg-1, při vlhkosti 50 % se její výhřevnost snižuje asi na polovinu.

Obsah vody ve spalitelné biomase výrazně ovlivňuje její výhřevnost

Proces spalování uhlíku jako nejvýznamnějšího prvky hořlaviny lze chemicky i hmotnostně vyjádřit pomocí rovnice oxidace:

C + O2 = CO2

1 kmol (C) + 1 kmol (O2) = 1 kmol (CO2)

12,01 kg (C) + 32 kg (O2) = 44,01 kg (CO2)

Z uvedených rovnic vyplývá, že pro spálení 1 kg uhlíku je třeba dodat asi 2,67 kg kyslíku a vznikne 3,67 kg oxidu uhličitého. Přitom se uvolní přibližně 400 MJ/kmol energie ve formě tepla.

Energetické centrum Jindřichův Hradec

Je prvním projektem na spalování čisté biomasy a jedinou elektrárnou ČEZ pro spalování biomasy. Energetické centrum bylo původní energetikou textilního podniku Jitka, která používala jako palivo výhradně mazut a plyn. Na místě mazutových kotlů byl vybudován čistě biomasový kotel a ve strojovně instalována nová odběrová turbína s kondenzací.

Chladicí voda se ochlazuje ve chladicí věži s přirozeným tahem. Pro palivo rostlinného původu byla postavena uzavřená hala na cca třídenní zásobu paliva. Základním palivem pro kotel jsou balíky slámy, sena a cíleně pěstované energetické rostliny. Palivo se sváží z okruhu cca 70 km vlastní dopravou. Skladuje se v hale, kde jej automatický podavač rovná do palivových cest. Dvojicí řetězových dopravníků se následně dopravuje k rozdružovači a dále šnekovým podavačem tlačí do kotle na rošt.

K dispozici zůstávají ještě dva mazuto-plynové kotle, které se nasazují pouze jako záloha při vykrývání špiček dodávek tepla. Hlavním palivem je mazut.