Biomasa - obnovitelný zdroj energie

Obnovitelné zdroje energií se stávají stále žádanějšími. Naléhání vědeckých kruhů upozorňujících na nebezpečí, která plynou z narušování ekologického systému, je stále silnější. Nedávno zveřejněná apokalyptická vize dramatických změn klimatu na Zemi v horizontu deseti let jako důsledek nezodpovědného energetického chování je varujícím podnětem nejen k zamyšlení.

Spalování biomasy se, díky moderním technologiím, které ji umožňují spalovat s vysokou účinností, stalo jednou z možností, jak přispět k řešení energetických i ekologických problémů. Prakticky každý má zkušenost s otevřeným ohništěm, ať již jako s malým ohníčkem či velkým táborákem. Tak však biomasu spalovat nelze. Paliva na této bázi musí mít takové vlastnosti, které zajistí vysokou energetickou účinnost spalování s minimem škodlivých emisí.

Kamna a kotle

Současná spalovací zařízení na biomasu (polenové dřevo nebo brikety), určená jako hlavní zdroj vytápění, zajišťují svou racionální konstrukcí dokonalé spalování paliva v biotopeništi bez kovových součástí. Akumulace tepla v keramickém modulárním systému (KMS) při minimální provozní obsluze umožňuje udržet aktuální spalovací výkon na úrovni zajišťující dostatečně vysokou teplotu plamene, podmiňující dokonalé vyhoření prchavé hořlaviny a oxidu uhličitého. Kamna jsou složena ze spalovací komory, keramického akumulačního modulárního systému a výměníkového systému (hypokaustu) předávajícího teplo do vytápěného prostoru. Dochází tak k oddělení spalovacího procesu od akumulačního a výměníkového procesu.

Spalovací komora (biotopeniště) svými tepelně izolačními vlastnostmi umožňuje udržení vysoké spalovací teploty plamene, zajištěné předehříváním primárního i sekundárního vzduchu v kanálcích vyzdívky dna a bočních stěn biotopeniště. Svislý odtahový tah (pád) zařazený za spalovací komorou zabezpečí vztlakové rozvrstvení spalin, čímž jsou udržovány ve spalovací komoře maximální teploty a odtahovány jsou relativně chladnější spaliny do keramického modulárního systému. KMS je vyroben z mullitového zdiva s vysokou hustotou (2800 kg.m-3) ve tvaru kubických prvků jednotného modulu, zajišťujícího snadné a provozně spolehlivé sestavení. Zaručí akumulaci tepla získaného spalováním v přibližně dvouhodinovém časovém úseku s následným desetihodinovým předáváním tepla přes výměníkový systém (hypokaust) do vytápěného prostoru. Z KMS jsou spaliny odváděny do komínu.

Účinnost spalování

Experimenty, zaměřené na ověření teplotních a koncentračních podmínek při spalování dřevěných briket s vlhkostí 9,8 %, přinesly zajímavé výsledky. Pomocí termočlánků byly měřeny teploty primárního a sekundárního vzduchu před vstupem do spalovací komory, teploty spalin při výstupu ze spalovací komory, při vstupu do KMS a vstupu do komína. Průběžně byla vyhodnocována analýza spalin (O2, CO, NOx, NO2, CxHy) a stanoven obsah CO2. Analýza spalin se prováděla analyzátorem TESTO 350 M/XL umožňujícím analýzu nespálených uhlovodíků CxHy. Z naměřených veličin byl stanoven aktuální přebytek spalovacího vzduchu a nepřímou metodou byla stanovena účinnost, která se, v závislosti na jednotlivých fázích hoření prchavé látky s dlouhým a svítivým plamenem nebo dohořívání tuhého zbytku s krátkým a nesvítivým plamenem, pohybovala v intervalu 83 až 91 %.

Komín dotváří systém

V souvislosti s využitím biomasy jako paliva je však třeba zmínit i to, že vedle vyspělého spalovacího zařízení je nutné, aby součástí byl i komín, odpovídající svými parametry technické úrovni paliva i spalovacího zařízení (kamen). Komín už dávno není, tak jak byl dříve mnohdy pojímán, jen vertikálním otvorem ve zdivu. Moderní systémově řešené komíny, zajišťující dosažení vysoké účinnosti spalování a tím i vysoké úrovně vytápění, tvoří ucelený konstrukční celek navazující na spalovací zařízení, s nímž vytvářejí komplexní systém.

Poučení u sousedů

Přestože se biomasa stává stále žádanějším palivem, je to spíš z důvodů ekonomických než jako výsledek pochopení širších ekologicko-ekonomických aspektů. Proto je dobré připomenout příklad sousedního Rakouska, kde energetická politika státu i jednotlivých spolkových zemí výrazně podporuje obnovitelné zdroje energie, v nichž dominuje vedle vodní energie (Alpy) právě biomasa.

Kamna nebo kotle na biomasu pro individuální vytápění jsou dnes v Rakousku výrazně orientovány na použití pelet s výhodou možnosti programového nebo dálkového startu a časově rovnoměrného průběhu spalování s regulací výkonu řízením přiváděného množství paliva, a to již v páté konstrukční generaci kotlů využívajících například kondenzační provozní režim pro předehřev spalovacího vzduchu.

Centrální či individuální vytápění?

U spalovacích zařízení středních (nad 200 kW) nebo velkých výkonů není problém dokonalého spalování tak problematický, neboť vysoká teplota v topeništi zajistí vysokou rychlost reakce a dokonalé vyhoření uhlovodíků prchavé hořlaviny nebo oxidu uhelnatého z tuhého zbytku paliva. Z důvodů investiční náročnosti na rozvody tepla (65 %) a náročnosti z hlediska provozních nákladů (cirkulace a tepelné ztráty) jsou tyto tepelné zdroje využívající biomasu výhodné především jako centrální zdroje tepla (CZT) a jsou proto doporučovány zejména pro hustou zástavbu center obcí. U rozptýlené zástavby vesnic není již CZT z důvodu velikosti sítě rozvodu tak výhodný a je nutné jej posoudit individuálně.

U rozptýlené zástavby obcí je ve většině případů vhodnější zajistit centrální výrobu upravených paliv (pelety, štěpky, brikety nebo kusové dřevo) a vlastní vytápění jednotlivých objektů řešit individuálně. Tento systém umožňuje respektovat jak využívání obnovitelných zdrojů, tak především individuální nároky uživatelů na podmínky vytápění.

Spolehlivost provozu, vysoká účinnost běžně přesahující 80 % (špičkově přes 90 %), nezávislost na vnějších energetických sítích (elektřina), dokonalé spalování s minimem škodlivých emisí, obslužně nenáročný provoz s dvanáctihodinovým intervalem přikládání tyto zdroje jednoznačně pro budoucnost předurčuje.

Je zřejmé, že je nezbytná podpora jejich využívání. Avšak tuto podporu nelze omezit pouze na propagaci využívání těchto spalovacích zařízení. Je nezbytné uvést do života i systém zajištění, distribuce a používání upravených paliv jako základní podmínku pro dosažení požadovaných výkonových i kvalitativních parametrů.

Při přípravě článku byly použity informace obsažené v referátu Doc. Ing. Zdeňka Tomana, CSc., VŠB -TU Ostrava, předneseného na konferenci Zvyšování podílu obnovitelných zdrojů energie při zajišťování tepla.