Biomasa, ako obnoviteľný zdroj energie, zohráva kľúčovú úlohu v prechode na udržateľnejšie vykurovanie. Vďaka slnečnej energii, ktorá sa v nej akumuluje, predstavuje biomasa efektívny spôsob dlhodobého skladovania energie. Hoci účinnosť premeny slnečného žiarenia na energiu v biomase je relatívne nízka, jej výhody v porovnaní s fosílnymi palivami a inými obnoviteľnými zdrojmi sú nesporné. V tomto článku sa pozrieme na rôzne druhy biomasy vhodné na energetické ohrevy a ich využitie na vykurovanie.
Výhody a Nevýhody Biomasy
Biomasa vzniká vďaka slnečnej energii a z energetického pohľadu slúži ako jej akumulátor. Výhodou biomasy je, že sa ňou dá pomerne jednoducho a dlhodobo energiu skladovať. Z hektára poľa sa dá za rok získať biomasa s energetickým obsahom 40 až 90 MWh, podľa typu plodiny. To je menej než 1 % slnečného žiarenia, ktoré na túto plochu za rok dopadne. Biomasa z pohľadu možného energetického využitia zahŕňa každý organický zdroj obsahujúci viazanú chemickú energiu.
Na rozdiel od fosílnych palív (uhlia, ropy a zemného plynu) je spaľovanie čerstvej biomasy z hľadiska emisií oxidu uhličitého (hlavného skleníkového plynu) takmer neutrálne. Množstvo uhlíka vo forme oxidu uhličitého, ktorý vzniká spaľovaním nefosílnej biomasy, sa totiž rovná množstvu uhlíka, ktoré rastliny počas svojho života "stiahli" z atmosféry prostredníctvom fotosyntézy. Túto neutrálnu uhlíkovú bilanciu však čiastočne negatívne ovplyvňuje množstvo energie spotrebovanej na ťažbu, dopravu a spracovávanie nefosílnej biomasy predtým, než sa spáli.
Biomasa má množstvo výhod nielen v porovnaní s konvenčnými energetickými zdrojmi, ale aj v porovnaní s inými obnoviteľnými zdrojmi energie. Je dlhodobo stabilný energetický zdroj s menšou závislosťou na krátkodobých výkyvoch počasia a sezónnej premenlivosti klímy a jej využívanie si vyžaduje relatívne nízke investičné náklady. Biomasa na jednej strane predstavuje dôležitý potenciál pre rozvoj regionálnej a lokálnej ekonomiky a poskytuje príležitosť pre oživenie poľnohospodárskej činnosti na vidieku. Na druhej strane, veľké centralizované energetické projekty na báze biomasy môžu znamenať pre vidiecke oblasti obrovské riziko najmä z hľadiska znehodnocovania životného prostredia.
Druhy Biomasy Vhodné na Vykurovanie
Uvedené spôsoby spracovania biomasy umožňujú vyrábať teplo a elektrinu alebo plynné a tekuté palivá pre dopravu. Medzi najbežnejšie druhy biomasy využívané na vykurovanie patria:
Prečítajte si tiež: Projektové energetické hodnotenie
Drevo
Drevo je najviac využívaným druhom biomasy na výrobu energie. Ako palivo sa najbežnejšie sa využíva vo forme kusového dreva. Pri dobrom uskladnení si uchováva svoj energetický obsah, ktorý sa dokonca v prvých dvoch až troch rokoch relatívne zvyšuje, pretože drevo vysychá. Výhrevnosť dreva je porovnateľná s hnedým uhlím. Pri rastlinných palivách však kolíše podľa druhu dreva a vlhkosti. Čerstvo vyťažené drevo ma relatívnu vlhkosť až 60 %. Na vzduchu prirodzene dobre preschnuté kusové drevo ma relatívnu vlhkosť asi 20 % (túto hodnotu dosiahne po asi dvojročnom skladovaní na prevetrávanom mieste). Pri takejto vlhkosti je spaľovanie kusového dreva efektívne.
Štiepky
Ďalšou bežnou formou drevného paliva sú štiepky. Sú to 2 - 4 cm dlhé kúsky dreva, ktoré sa vyrábajú drvením drevných odpadov napr. tenčiny z prerieďovania porastov, konárov a kôry. Ich výhrevnosť je rovnaká ako výhrevnosť dreva, z ktorého sa pripravujú. Ich výhoda je rýchle schnutie a relatívne nízka cena. Optimálna vlhkosť pre spaľovanie štiepok je 30 - 35 %. Pri nižšej vlhkosti má horenie explozívny charakter a mnoho energie uniká s dymovými plynmi. Pri vyššej vlhkosti sa veľa energie spotrebuje na vyparenie vody a spaľovanie je nedokonalé.
Brikety
Brikety sú valcovité telesá s dĺžkou asi 15 - 25 cm vyrobené z odpadovej biomasy drvením, sušením a lisovaním bez chemických prísad. Veľká hustota (asi 1 200 kg/m3) a vysoká výhrevnosť brikiet (19 MJ/kg) znižuje potrebný objem paliva a zjednodušuje manipulácia s ním. Drevené brikety sa spaľujú rovnako ako uhlie, v porovnaní s uhlím však majú výrazne nižší podiel síry. Na rozdiel od kusového dreva vzniká pri vykurovaní briketami menej popola. Brikety majú vyššiu výhrevnosť a pri skladovaní potrebujú menej miesta.
Pelety
Pelety sú relatívne nová forma drevného paliva. Sú to granule s priemerom 6 - 8 mm a dĺžkou 10 - 30 mm. Vyrábajú sa z odpadového materiálu (napr. z pilín a hoblín) bez chemických prísad lisovaním pod vysokým tlakom. Majú malú vlhkosť (8 - 10 %), relatívne vysokú hustotu (min. 650 kg/m3) a vysokú energetickú hustotu (až 20 MJ/kg). Pelety sa považujú za veľmi perspektívne palivo, u nás sa ale ich používanie príliš nerozšírilo. Napríklad v Hornom Rakúsku pritom patria k najvyužívanejším druhom tuhého paliva.
Slama
Slama má vyššiu mernú výhrevnosť ako hnedé uhlie (4,9 kWh/kg suchej hmoty alebo 4,0 kWh/kg slamy s vlhkosťou 15 %). Ako palivo na vykurovanie sa využíva v mnohých krajinách, nielen z dôvodu ochrany životného prostredia, ale aj pre rentabilitu tohto druhu výroby tepla a preto, že poskytuje dodatočný zdroj príjmov pre poľnohospodárov. Účinnosť spaľovania slamy v kotloch je tiež relatívne vysoká (80 - 85 %). Nevýhoda slamy ako zdroja energie je jej nehomogénne zloženie a veľký objem. Plyny unikajúce počas zohrievania (tzv. prchavé zložky) tvoria až 70 % spáliteľných častí slamy, čo komplikuje primiešavanie správneho množstva vzduchu. Slama obsahuje niektoré chlórové zlúčeniny, ktoré môžu spôsobovať koróziu materiálov, hlavne pri vyšších teplotách. Preto sa slama spaľuje zvyčajne vo väčších kotolniach pripojených na centralizovaný systém zásobovania teplom alebo na poľnohospodárske podniky.
Prečítajte si tiež: Možnosti vykurovania olejom
Technológie Energetického Využitia Biomasy
Z energetického pohľadu možno energiu z biomasy získavať takmer výhradne spaľovaním. Jej výhrevnosť je daná množstvom tzv. horľaviny - zmesi horľavých uhľovodíkov bez vody a popoloviny, t.j. celulózy, hemicelulózy a lignínu. Tie druhy biomasy, ktoré sa nedajú spaľovať priamo, je možné energeticky využiť tak, že sa najprv biochemickými procesmi zmenia na kvapalné alebo plynné palivá. Medzi hlavné technológie patria:
Spaľovanie
Spaľovanie je chemický proces rýchlej oxidácie (reakcia horľavých zložiek paliva s kyslíkom), pri ktorom sa uvoľňuje teplo. Horľavé časti biomasy (celulóza, polyóza a lignín) oxidujú na oxid uhličitý a vodnú paru a slnečná energia, nahromadená v biomase počas fotosyntézy, sa pri horení mení na teplo. Spaľovanie je najstaršia známa forma premeny organických palív na tepelnú energiu. Najvýznamnejším a najviac využívaným palivom z kategórie biomasy je stále drevo.
Pri zahrievaní dreva pri počiatočnej teplote do 150 °C sa najprv z neho odparuje voda. Potom sa dodávaným teplom pri teplote 150 - 600 °C z dreva uvoľňuje plyn. Práve drevo je špecifické tým, že medzi tuhými palivami obsahuje najvyšší podiel pyrolýzou uvoľňovaných plynných látok (75 - 85 %), ktoré nehoria na rošte, ale medzi roštom a komínom. Po dosiahnutí zápalnej teploty (do 1400 °C) a pri dostatočnom prísune kyslíka dochádza k vznieteniu tohto plynu (tzv. sekundárne spaľovanie) a následnému uvoľňovaniu tepla. Zvyšok dreva a najmä uhlík ostáva v pevnej forme na rošte, povrchovo sa okysličuje na oxid uhoľnatý (CO) a pri dodaní ďalšieho kyslíka oxiduje na oxid uhličitý (CO2), pričom ako odpad vzniká popol. Pri rovnomernom dodávaní paliva a dostatočnom prívode kyslíka prebiehajú všetky fázy spaľovacieho procesu súčasne a teplo sa vytvára rovnomerne. Aby bolo spaľovanie účinné, je potrebné zabezpečiť dostatočne vysokú teplotu, dostatočný prístup vzduchu a dostatok času na úplné spálenie paliva. Ak pri horení nie je zabezpečený prívod dostatočného množstva vzduchu, horenie je neúplné a vznikajúci dym je čierny, zápacha a obsahuje decht, ktorý sa usadzuje v komíne a môže sa vznietiť. Aj keď je priame spaľovanie je najrozšírenejšia forma využitia energie biomasy, nie vždy je to proces účinný. Návrh spaľovacieho zariadenia s dobrou účinnosťou si vyžaduje pochopenie celého spaľovacieho procesu.
Pyrolýza
Pyrolýza je starý a jednoduchý termochemický spôsob úpravy biomasy na palivo vyššej kvality, napríklad dreva na drevné uhlie. spočíva v zohrievaní biomasy (ktorá sa dodáva rozdrvená do reaktora) bez prítomnosti vzduchu na teplotu 300 až 500 °C, až kým z nej neuniknú všetky prchavé látky. Zvyšok (napr. drevné uhlie) je palivo s takmer dvojnásobnou energetickou hustotou v porovnaní so vstupnou surovinou, ktoré aj lepšie horí (pri vyššej teplote). Pyrolýza sa považuje za atraktívnu technológiu vďaka tomu, že sa uskutočňuje pri relatívne nízkych teplotách. Tým sa znižujú emisie škodlivín v porovnaní s úplným spaľovaním biomasy. Pyrolýza funguje aj v prítomnosti malého množstva vzduchu (splyňovanie), vody (parné splyňovanie) alebo vodíka (hydrogenácia). Okrem drevného uhlia majú veľký energetický význam aj ďalšie produkty pyrolýzy. Moderné pyrolytické systémy sú schopné zachytávať prchavé látky, ktoré počas pyrolýzy vznikajú. Jednou z nich je metán, vhodný na výrobu elektriny v plynových turbínach.
Splyňovanie
Splyňovanie je jednoduchý termochemický proces výroby plynných palív z palív pevných. Princípy splyňovania biomasy sú známe od začiatku 19. storočia. Armády počas 2. svetovej vojny inštalovali do miliónov vojenských vozidiel splyňovacie agregáty, ktoré vyrábali drevoplyn, ktorý sa v motoroch spaľoval. Splyňovanie je proces, pri ktorom vznikajú horľavé plyny (vodík, oxid uhoľnatý, metán) a niektoré nehorľavé produkty. Celý proces sa uskutočňuje pri nedokonalom (čiastočnom) horení a ohrievaní biomasy teplom vznikajúcim pri horení. Vznikajúca zmes plynov má vysokú energetickú hodnotu a môže sa použiť ako palivo na výrobu tepla, elektriny alebo na pohon motorových vozidiel. Splyňovanie sa deje v kotli s obmedzeným prístupom vzduchu. Nedostatok kyslíka spôsobuje nedokonalé horenie. Pri úplnom horení uhľovodíkov (z ktorých sa skladá drevo) sa kyslík spája s uhlíkom, pričom vzniká CO2 a voda H2O. Obmedzený prístup vzduchu ešte stále umožňuje mierne horenie a vzniká CO, ale vodík sa nespája len s kyslíkom za vzniku molekuly vody, ale uvoľňuje sa ako čistý plyn - H2.
Prečítajte si tiež: Moderné vykurovacie riešenia pre kúpeľne
Splyňovacie kotly sú konštruované tak, aby sa pri horení dreva uskutočňovala pyrolytická destilácia, pri ktorej sa všetky spáliteľné zložky dreva splyňujú. Takto riadený systém spaľovania má vysokú účinnosť (do 90 %). Výkon kotla je plynulo regulovateľný od 40 do 100 %. Reguláciu kotla zabezpečuje elektronický regulátor podľa jeho prevádzkovej teploty a potrebnej teploty vo vykurovaných priestoroch. V splyňovacích kotloch je možné spaľovať drevo v rôznych formách (kusové drevo, drevná štiepka, drevené brikety alebo pelety).
Anaeróbna fermentácia
Anaeróbna fermentácia (anaeróbne vyhnívanie alebo metánové kvasenie) je biochemická premena biomasy, pri ktorej sa uvoľňuje bioplyn. Fermentácia sa uskutočňuje vo vzduchotesnej nádrži bioplynovej stanice (fermentore), kde sa biomasa zahrieva na prevádzkovú teplotu počas presne stanovenej doby zdržania (obyčajne experimentálne overenej). Pri fermentácii sa najčastejšie využíva mezofilné pásmo. Bioplyn je zmes plynov s obsahom metánu a oxidu uhličitého. Jeho hlavnou výhrevnou zložkou je metán (CH4), ktorý tvorí asi 55 - 70 % objemových percent bioplynu. Výroba energie: Vyrobený bioplyn sa môže použiť na výrobu tepla v teplovodných alebo parných kotloch alebo na kombinovanú výrobu tepla a elektriny v kogeneračných jednotkách.
Kotly na Biomasu
Pri výbere kotla na biomasu je dôležité zvážiť niekoľko faktorov, vrátane druhu biomasy, ktorú chcete spaľovať, výkon kotla a jeho účinnosť.
Kotly na kusové drevo
Teplovodné kotly v spojení s ústredným kúrením sú asi najbežnejším zdrojom tepla v rodinných domoch, najrozšírenejšou biomasou, ktorá sa pritom využíva, je kusové drevo. Pri nízkom výkone kotla by sa totiž pyrolytický proces zastavil a kotol by produkoval veľké množstvo škodlivín. To môže byť problémom pri dobre zaizolovaných nízkoenergetických domoch, ktoré nepotrebujú toľko tepla. Riešením je akumulačná nádrž, ktorá odoberá prebytočný výkon a akumuluje teplo na neskoršie použitie - keď sa naakumuluje dostatok tepla, regulačný systém kotol odstaví a teplo sa odoberá z nádrže. Do akumulačnej nádrže možno tiež namontovať napríklad výmenník tepla pre solárne kolektory a výmenník na ohrev vody na priamu spotrebu.
Kotly na pelety
Peletové kotly môžu mať v porovnaní s kotlami na kusové drevo podstatne nižší výkon, vďaka čomu sú vhodné aj do nízkoenergetických domov. Ich nevýhodou je však vyššia cena. Horenie prebieha v pomerne prepracovanom v horáku (účinnosť spaľovania je asi 90 %). Peletové kotly majú vo svojom výrobnom programe zahrnuté nielen tradiční výrobcovia kotlov na tuhé palivá, ale aj niektoré firmy, ktoré sa tradične zaoberajú výrobou plynových kotlov. Ponúkajú dokonca aj kondenzačné kotly na pelety, ktorých účinnosť je vyššia vďaka využitiu kondenzačného tepla vodnej pary obsiahnutej v splodinách (táto technológia je dobre známa najmä v spojení s kotlami na plyn). Zaujímavé sú tiež kotly, v ktorých možno spaľovať okrem peliet aj iné palivo - dve oddelené komory umožňujú striedať dva typy paliva (napríklad pelety a zemný plyn).
Kotly so splyňovaním dreva
V kotloch na splyňovanie dreva prichádza k spaľovaniu dreva bez prebytku vzduchu a následne k spaľovaniu vytvoreného drevoplynu, čo má zásadný vplyv na lepšiu využiteľnosť paliva. Oproti klasickým roštovým kotlom na spaľovanie dreva zostávajú v kotloch na splyňovanie dreva minimálne tuhé zvyšky. Pri kotloch na splyňovanie je nevyhnutným príslušenstvom tzv. odťahový ventilátor zabraňujúci dymeniu kotla do miestnosti pri prikladaní paliva. Kotly sú vybavené aj dýzou na splyňovanie a roštom, ktorý umožňuje optimálne vyhorenie paliva a odpopolnenie paliva počas prevádzky kotla. Na podporu horenia sa do spaľovacej komory vháňa vzduch. Výrobcovia kotlov na splyňovanie dreva odporúčajú na optimálne využitie inštalovaného výkonu zapojenie kotla s akumulačnou nádržou.
Akumulačné Nádrže
Aby sa zvýšila efektívnosť používaného kotla a neznižovala životnosť kotla, odporúča sa dokúpiť aj akumulačnú nádrž. Akumulačné pece produkujú sálavé teplo. Pec tvoria šamotové tehly, ktoré akumulujú teplo, to sa postupne uvoľňuje sálaním do okolia. Výhodou je menšie vírenie a vysušovanie vzduchu. Pri umiestňovaní treba rátať s pomerne veľkým priestorom. Na vyhriatie domu je potrebný dlhší čas. Účinnosť akumulačnej pece je možné zvýšiť systémom s dvojitým spaľovaním, kedy dochádza aj k spaľovaniu plynov vznikajúcich pri horení.
Dotácie a Legislatíva
Rodinné a bytové domy sa môžu uchádzať o podporu formou poukážky na inštaláciu kotla na biomasu vďaka národnému projektu Slovenskej inovačnej a energetickej agentúry s názvom Zelená domácnostiam. Podmienkou pre získanie podpory je nahradenie zdroja na fosílne palivá. Projekt je financovaný z prostriedkov Európskeho fondu regionálneho rozvoja a štátneho rozpočtu Slovenskej republiky prostredníctvom Operačného programu Kvalita životného prostredia. Legislatíva Európskej únie podporuje využívanie obnoviteľných zdrojov energie, teda aj biomasy, rôznymi dotáciami či daňovými úľavami, ktoré sa využívajú v rôznych členských krajinách viac alebo menej.
Energetická hospodárnosť budov sa hodnotí v zmysle zákona č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov a vyhlášky MVRR SR č. 311/2009 Z. z. o podrobnostiach výpočtu energetickej hospodárnosti budov a obsahu energetického certifikátu. Systém výroby tepla na vykurovanie budov a ohrev teplej vody sa z hľadiska energetickej hospodárnosti zdrojov tepla hodnotí podľa metodík odporučených v STN EN 15316-4-1 až 4-7 podľa druhu spaľovacích zariadení. Pravidelnú kontrolu kotlov a prevádzkové hodnotenie zdrojov tepla nariaďuje zákon č. 17/2007 Z. z. z 13.
tags: #energeticke #ohrevy #biomasy #na #vykurovanie