BIOMASA JAKO PALIVO

Úvod

Spalovaní dřeva a dřevěného odpadu v kotli na ohřev vody může být nahrazeno spalováním slámy nebo jiných zbytků rostlinné zemědělské výroby. I v živočišné výrobě vzniká odpad v podobě kejdy a chlévské mrvy, který lze ve speciálních kontejnerech, za pomocí bakterií rozkládat na plynné produkty. Takové plynné produkty lze dokonce spalovat přímo ve spalovacích motorech nebo v plynových kotlích. Jako palivo pro spalovací motory se používá i bionafta – nafta obsahující uhlovodíky získávané úpravou biomasy (například lisování plodů řepky olejné). Těmto a podobným způsobům využití biomasy se říká energetické využití biomasy.

Biomasa je důležitý lokální zdroj energie, protože ji lze využít pouze v místě nebo nedaleko místa produkce. To je dáno vysokými přepravními náklady biomasy, které jsou způsobené její nízkým měrným energetickým obsahem. Výkon energetického zařízení jehož palivem je biomasa, tedy závisí i na velikosti spádové plochy, na které může být biomasa produkována, Obrázek 239.

Rostlinná biomasa

Prvkové složení rostlin

Rostlinná biomasa neboli fytomasa se skládá z organické hmoty, vody a nízkého obsahu nehořlavých minerálů tzv. popelovin. Organická hmota je tvořená organickými prvky C, H, O, N, viz Tabulka 240. Ve fytomase lze nalézt i neorganické hořlavé prvky nejčastěji S, Ch. Uvedené prvky jsou vázány v hmotě rostlin ve sloučeninách.

Fytomasa by v tak velkém množství síru a chlór neměla obsahovat. Tyto prvky se do biomasy dostávají ze vzduchu, do kterého se dostávají z části díky lidské činnosti (spalování fosilních paliv) a z části při přírodních "katastrofách" (výbuch sopky...).

Energetické výnosy fytomasy

Biomasa jako palivo má své energetické parametry. Těmi nejdůležitějšími ukazateli v tomto směru je její výhřevnost, případně spalné teplo při hoření. Tyto parametry jsou dány druhem biomasy. Chceme-li pěstovat například fytomasu pro energetické účely, pak nás musí zajímat kolik využitelné energie případně hmoty či objemu jsme schopni sklidit ve fytomase z jednotky plochy – taková veličina se nazývá výnos., viz Tabulka 242. Například v případě obilné slámy lze získat z jednoho hektaru kolem 16 000 kWh – pro představu roční spotřeba tepla (teplá voda+topení) rodinného domku (nezateplený) může převyšovat 25 000 kWh.

K pěstování fytomasy nelze přistupovat čistě energeticky, protože její existence má i jiné efekty. Rostliny vyrábí kyslík, jsou potravou apod. Navíc přímo i nepřímo ovlivňují klima či počasí, například velké množství vody se pomocí rostlin odpaří, a tím ochlazuje okolí, a naopak tato energie se vrací v noci jako rosa (udržování teploty i v noci). Obvykle zemědělec nemůže pěstovat jen fytomasu s nejvyšším en. výnosem, ale je omezen i půdou, problémy monokultur, případně legislativními podmínkami a pod.

Klasifikace energetických transformací biomasy

Energii obsaženou v biomase lze získat nejen jejím spálením ve formě tepla za vzniku spalin a tuhých zbytků (popel), ale také dalšími cestami. Jejich základní rozdělení je podle toho, co je hlavním hybatelem rozkladu sloučenin v biomase obsažených, kterým může být buď teplota, bakterie nebo mechanická destrukce.

a dehtový olej. Aby tyto produkty vznikly, musí hoření probíhat nedokonale s malým množstvím kyslíku, tzv. podstechiometrické spalování.

Na Obrázku 244 je řez zplyňovacím kotlem na kusové dřevo s pevným ložem. Do horní části spalovací komory je přiváděno takové množství vzduchu, aby probíhalo pouze podstechiometrické hoření. Zde hoří především uhlík na CO (typický produkt nedokonalého spalování) a CO₂. Přitom dochází k uvolnění dalších hořlavých plynů z termického rozpadu dřeva. Vzniklé spaliny a plyn jsou vedeny do dolní části spalovací komory, kam je také přiváděn další vzduch (sekundární), který hoří s CO a dalšími plyny. Vzniklými horkými spalinami se ohřívá voda. Dále se uvolňují dehtové látky a odpadní fenolové vody [6]. Zplyňování v zařízení s pevným ložem probíhá při atmosférickém tlaku.

Existují i jiné způsoby zplyňování [3], ale podstata zůstává stejná. Například zplyňování při tlaku až 2,5 MPa a teplotách 850 °C až 1000 °C. Toto zplynění probíhá pomocí fluidní vrstvy ve fluidních generátorech. Při těchto teplotách dochází k rozkladu dehtů, fenolů i mastných kyselin na spalitelné plyny. K vysokotlakému zplyňování je zpravidla přistoupeno kvůli tomu, aby generátorový plyn byl co nejčistší (typické objemové složení 8 až 10 % CO, 4 až 8 % CH₄, 8 až 12 % H₂, 11 až 8 % CO₂, 7 až 10 % H₂O, zbytek je N₂, potom je výhřevnost vyrobeného plynu 2,5 až 8 MJ·m^-3_n, ale existují i způsoby zplyňování, u kterých je podíl dusíku mnohem menší a výhřevnost až 14 MJ·m³_n). Tento plyn není dále spalován, ale je zbavován tuhých částic (filtry) a chlazen. Výsledný plyn je potom dále využit třeba jako palivo do spalovacího motoru kogenerační jednotky, nebo je možné ještě horký plyn převést pomocí syntézy na kapalné palivo.

Připomenutí doby, kdy auta jezdila na tzv. generátorový plyn, který se vyráběl ze dřeva, dřevěného nebo kamenného uhlí (prostě z čehokoliv co hořelo). Nutnou součástí automobilu byl generátor tohoto plynu, viz obrázek. pic.twitter.com/35akkNZFyw

— Jiří Škorpík (@jiri_skorpik) March 23, 2023

K ohřátí biomasy v peci lze použít i horkého inertního plynu (neobsahující kyslík).

Dřevěné uhlí z pyrolýzního spalování se využívá například ke kování i jako palivo pro grilování. Dřevěné uhlí je totiž čistý uhlík a tedy produktem spalování je pouze CO₂, který je bezbarvý a bezpachý, což je při kování i grilování to nejpodstatnější. Pokud by se topilo dřevem, tak vlivem velkého prchavého podílu by oheň dýmil a jeho kouř by obsahoval látky nevhodné pro přípravu jídla a v případě kování by mohlo dojít k prvkové kontaminaci kovaného materiálu.

Alkoholová fermentace biomasy a výroba bioplynu

Jedná se asi o nejznámější biochemickou transformaci, při které se glukóza obsažená v biomase transformuje na alkohol a oxid uhličitý – C₆H₁₂O₆→2CH₃CH₂OH+2CO₂ katalyzátorem této reakce je enzym (obsažený v kvasinkách), který urychluje přírodní procesy [2, s. 252]. Výsledný produkt CH₃CH₂OH je Ethanol (alkohol – líh). Toto kvašení probíhá bez přístupu vzduchu (anaerobní fermentace) a místo alkoholu může vznikat i Methanol. Pevným zbytek po alkoholové fermentaci se nazývá vykvašený substrát.

Alkohol je velice dobré palivo a v některých případech může být náhražkou za kapalná fosilní paliva. Takový druh paliva je nejvíce využíván v Brazílii, kde je pro alkoholové kvašení ve velkých objemech používaná cukrová třtina.

Pokračováním alkoholové fermentace při přístupu vzduchu se nazývá aerobní fermentace. Jedná se o transformaci lihu například na kyselinu octovou a vodu přitom se uvolňuje i teplo – CH₃CH₂OH+O₂→CH₃COOH+H₂O. Je nutná přítomnost octových bakterií. Výsledkem může být např. kyselina octová (ethanová kyselina) a voda (přeměnu alkoholu na octovou kyselinu provází vznik meziproduktů, jako je acetaldehyd [2, s. 256]). Známé je kysnutí vína po jeho otevření apod. Pevný zbytek na konci aerobní fermentace se označuje jako fermentovaný substrát.

Podobný proces jako při alkoholové fermentaci se používá i při biochemické transformaci organických složek zvířecích exkrementů a jiné podobné biomasy. Protože tato biomasa má výrazně jiné složení než fytomasa, tak výsledek je také odlišný, při kterém postrádáme vznik lihu a místo něj vzniká tzv. bioplyn a fermentovaný substrát, proto mluvíme o anaerobní fermentaci. Navíc, oproti alkoholové fermentaci, je nutné udržovat teplotu kolem 35 °C.

Složení bioplynu odpovídá převažující sloučeninové transformaci při anaerobní fermentaci C₆H₁₂O₆→3CH₄ + 3CO₂. Typicky bioplyn obsahuje 55 až 60 % CH₄, 40 až 45 % CO₂ a jiné plyny (1 % sirovodík...) [6]. Problémem při této transformaci je velké množství uvolněné vody a čpavku, což může způsobovat korozi zařízení.

Při zahřívání dřeva do 110 °C se z něho uvolňuje vlhkost (vázaná voda), při vyšších teplotách dochází k pomalému rozkladu, který je provázen uvolňováním tepla. Při těchto teplotách se také uvolňuje CH₄ a další uhlíkové řetězce ve formě plynu. Z těchto plynů jen asi 5 až 6 % okamžitě oxiduje. Při teplotách, které odpovídají maximálním výtěžkům plynných produktů (280 až 300 °C) je množství tepla, které se uvolní při rozkladu (oxidace plynů) tak velké, že dřevo je schopné samozahřívání.

Při 290 až 300 °C dochází k největšímu výtěžku plynných produktů, ale na povrchu už se vytváří zuhelnatělná vrstva – pevný uhlík (dřevěné uhlí), a vznik plynných produktů se postupně zastavuje. Teplota uhlí v tomto okamžiku postupně dosahuje 400 až 500 °C. V závislosti na zahřátí horní vrstvy dřeva a jeho přeměny na dřevěné uhlí probíhá zahřátí níže ležící vrstvy dřeva na 300 °C a dochází k jejímu rozkladu. Postupné zvětšování vrstvy uhlíku je provázeno zvyšováním jeho teploty na 700 °C a zmenšováním množství tepla odevzdaného rozkládající se vrstvou dřeva. V důsledku toho se výtěžek plynných produktů zmenšuje a plamen se nevytváří nad celým povrchem hořícího dřeva, ale jen nad trhlinami v povrchu pokrytém uhlíkem. V této fázi je vrstva uhlíku silná 1,5 až 2 cm. Zápalná teplota uhlíku je 690 °C, methanu již 597 °C (vodík snižuje zápalnou teplotu uhlíku), proto dřevo zcela neshoří, dokud teplota dřeva nedosáhne zápalné teploty uhlíku. Například při požáru řídkých dřevěných konstrukcí nemusí být vývin tepla takový, aby shořela celá konstrukce. Z mohutných dřevěných trámů se pouze stanou ohořelé pahýly s vrstvou dřevěného uhlí, ale s relativně nepoškozeným jádrem viz Obrázek 246d a konstrukce se nemusí zřítit.

Výpočet hoření biomasy

Pro konstrukční návrh spalovacího zařízení je nutné znát množství uvolněné energie, množství spáleného kyslíku, respektive vzduchu, výsledné složení spalin a teplotu nechlazeného plamene označovanou t_u (tzv. teplota adiabatického hoření – je to maximální teplota spalin, jestliže žádné teplo při hoření není odváděno do okolí).

Množství uvolněné energie spálením 1 kg biomasy se vypočítá z prvkového složení paliva a příslušných chemických reakcí. Například bude-li palivo obsahovat hmotnostně 90 % uhlíku 5 % vodíku a 5 % vody připadají v úvahu chemické reakce, při kterých reaguje uhlík s kyslíkem a vodík s kyslíkem, viz Rovnice 234, s. 10. Jestliže od entalpie, která se při těchto reakcí uvolní odečteme slučovací entalpii původních sloučenin, pak získáme spalné teplo. Takový výpočet je komplikovaný a náročný na rozbor složení biomasy, takže mnohem jednoduší je stanovit spalné teplo a výhřevnost pomocí jednoduchého kalorimetrického experimentu. Navíc prakticky pro většinu známých druhů fytomasy jsou tyto parametry již změřeny, viz Tabulka 242. V mnoha případech je množství uvolněné energie změřeno experimentálně, a spalné teplo či výhřevnost se u jednotlivých paliv většinou už počítat nemusí.

a závislost celkové entalpie spalin na teplotě, respektive funkci i_sp=f(t), viz Obrázek 700.

V ideálním případě (dokonalé spalovaní) zvýšení entalpie spalin v důsledku hoření odpovídá výhřevnosti paliva. To znamená, že při hoření se transformuje energie spojená se slučováním molekul pouze na vnitřní tepelnou energii spalin a tlakovou energii. Při spalování paliva ve volném plynném prostředí musí totiž zvětšující se objem spalin vykonat i práci – při svém vzniku spaliny vytlačují okolní plynné prostředí [8, s. 36] (velikost této práce vzhledem k uvolněné energii není velká a ve výpočtu se vynechává).