Pevná biomasa a jej využitie na výrobu tepla

Jednou z najvýraznejších položiek, ktoré zaťažujú výrobné priemyselné podniky a domácnosti na Slovensku vo forme platieb za energie, sú náklady na vykurovanie. Neustále zvyšovanie cien ropy a zemného plynu na svetových trhoch núti výrobcov tepla hľadať vhodné úsporné opatrenia a nové efektívne riešenia, ktoré môžu stabilizovať, resp. znížiť cenu tepla pre konečných odberateľov.

Okrem narastajúcich cien primárnych zdrojov energie je aktuálnou témou aj zvyšovanie emisií CO₂ v atmosfére, ktoré majú negatívny vplyv na tvorbu ozónu. V súlade s Kjótskym protokolom, v ktorom sa Slovensko a ostatné štáty Európskej únie zaviazali zredukovať produkciu CO₂, prideľuje Ministerstvo životného prostredia SR slovenským firmám emisné kvóty. Pridelené kvóty predstavujú faktor, ktorý musia firmy podrobne zvažovať v kalkuláciách a podnikateľských plánoch na najbližšie obdobie. V prípade nadmernej produkcie emisií CO₂ a vyčerpania pridelených emisných kvót sú firmy nútené chýbajúce kvóty nakúpiť na trhu. Nákup emisných kvót však zvyšuje ich finančné zaťaženie a v konečnom dôsledku sa odrazí na náraste cien energií pre konečných spotrebiteľov.

Jedným z najvhodnejších riešení stabilizovania ceny tepla a zníženia produkcie škodlivých emisií CO₂ je investovanie do nových ekologickejších technológií využívajúcich pevnú biomasu na energetické účely. Prednosťou pevnej biomasy ako alternatívneho paliva v porovnaní s fosílnymi palivami (uhlie, ropa, zemný plyn) je produkcia minimálneho množstva emisií SO_x v spalinách a neutralita emisií CO₂, pretože pri spaľovaní biomasy sa uvoľní iba toľko CO₂, koľko rastlina počas svojho rastu prijala. Ekologickým prínosom pri spaľovaní dreva je malé množstvo ekologicky neškodného popola v porovnaní s uhlím (1 až 2 % popola v prípade spaľovania dreva).

Z pevnej biomasy má najväčší využiteľný potenciál drevná biomasa, pri ktorej sú významným zdrojom korunové časti stromov dlhovekých lesov, drevné odpady z drevárskeho priemyslu a komunálna biomasa zo zvyškov verejnej zelene zo záhrad a mestských parkov.

Perspektívnym zdrojom palivovej biomasy sú energetické porasty rýchlorastúcich drevín (topoľ, vŕba, agát, osika, jelša), jednoročných a viacročných energetických plodín. Energetické porasty možno zakladať na plochách nevhodných na klasickú poľnohospodársku a lesnícku produkciu, na pôdach dočasne vylúčených z poľnohospodárskej výroby, na kontaminovaných pôdach vhodných len na produkciu na nepotravinárske účely a tiež na zdevastovaných plochách v priemyselných aglomeráciách.

Ak zoberieme do úvahy všetky možné zdroje, celkový ročný potenciál drevnej biomasy na Slovensku je približne 4 milióny ton s energetickou hodnotou 34,9 PJ. Ako veľmi perspektívne sa na Slovensku javí energetické využitie poľnohospodárskej biomasy. Okrem toho, že pestovanie poľnohospodárskych plodín nevyžaduje vysoké investície súvisiace s nákupom špeciálnych technológií na výsadbu a zber, ich veľkou výhodou sú priaznivé ceny a výhodné energetické parametre. Výhodou poľnohospodárskej biomasy je aj jej nemenná ročná produkcia a po zbere okamžitá pripravenosť na spracovanie a využitie.

Z poľnohospodárskych plodín sa ako najperspektívnejšia na energetické využitie javí slama, ktorú možno na Slovensku získať z husto siatych obilnín, repky, kukurice a slnečnice. Výlisky alebo výpalky z repky olejnej, kukurice a slnečnice sú pri výrobe rastlinných olejov a bio­palív ďalším možným energetickým zdrojom.

Celkový využiteľný potenciál poľnohospodárskej biomasy na energetické účely je na Slovensku približne 2 milióny ton s energetickou hodnotou 28,26 PJ. Pre veľký využiteľný potenciál, veľmi priaznivé ceny a výborné energetické parametre má tento typ paliva perspektívu a do budúcnosti by sa mu mal prikladať čoraz väčší význam.

Energetické parametre biomasy

Výhrevnosť pevnej biomasy ovplyvňuje obsah vody (vlhkosť paliva), ktorý sa uvádza v percentách. Podľa obsahu vody rozlišujeme dva typy pevnej biomasy:

• suché typy (pelety, brikety, slama, suchý ekologický drevný odpad, suchá drevná štiepka),
• mokré typy (lesná drevná štiepka, mokrý ekologický odpad, piliny, kôra).

Suché typy vo všeobecnosti obsahujú 0 až 30 % vody z celkovej hmotnosti a mokré typy obsahujú 30 až 60 % vody z celkovej hmotnosti. V biomasových kotlových zariadeniach možno spaľovať palivo s obsahom vody približne od 7 do 60 % z celkovej hmotnosti.

Výroba tepla v biomasových kotlových systémoch

V súčasnosti rozvíja svoje aktivity na slovenskom trhu niekoľko dodávateľov, ktorí ponúkajú biomasové technológie na výrobu tepla z pevnej biomasy od rôznych výrobcov.

Technológia na spaľovanie biomasy sa v princípe skladá z dvoch hlavných častí: z vlastného kotlového zariadenia, v ktorom sa palivo spaľuje, a zo systému dopravníkov, ktoré dopravujú palivo do kotla a odoberajú z neho nespálené zvyšky (popol). Vo vnútornom priestore kotla sa nachádza stupňovitý rošt, na ktorom sa palivo vysúša a dochádza k jeho splyňovaniu a horeniu. Nezhorené časti sa vo forme popola odvádzajú zo spodnej časti roštu dopravnými systémami do popolového kontajnera, ktorý sa odváža nákladnými autami. Na prívod vzduchu na optimálne spaľovanie slúžia primárne a sekundárne prieduchové systémy umiestnené v kotlovom zariadení.

Súčasťou kotlových zariadení sú výmurovky a výmenníky tepla s rúrkovnicami uloženými v horizontálnom alebo vertikálnom smere. Biomasové technológie sa navrhujú a dimenzujú buď na palivo s nižším alebo vyšším obsahom vody a v závislosti od teploty bodu tavenia popola. Ak porovnáme dva najrozšírenejšie zdroje pevnej biomasy na výrobu tepla – slamu a štiepku, pri drevnej štiepke je bod tavenia popola vyšší ako 1 000 °C, pri slame je bod tavenia popola nižší a začína sa od 820 °C. Aj masívnosť výmurovky vnútri spaľovacej komory kotlového zariadenia sa navrhuje v závislosti od percentuálneho obsahu vody a bodu tavenia popola. Čím vlhkejšie palivo sa spaľuje, tým je výmurovka masívnejšia. Pri technológii s masívnou výmurovkou nemožno pri spaľovaní meniť napr. vlhký drevný odpad na suchý drevný odpad alebo slamu, pretože by došlo k poškodeniu výmurovky a celého kotlového zariadenia a k produkcii nežiaducich emisných častíc. Zákazník sa tak stáva závislým od jedného druhu paliva.

Výnimkou v tomto smere je dánska technológia JUSTSEN, ktorej výhodou je vysoká variabilita. Použitím stien chladených vodou v spaľovacej komore, stupňovitého, vodou chladeného roštu a optimálne navrhnutej plochy výmurovky možno tým istým kotlovým zariadením spaľovať mokrú drevnú štiepku, suchú štiepku alebo slamu bez vplyvu na zvýšenie emisií a bez zvýšeného zaťaženia kotla, resp. jeho poškodenia. Výmurovka v spaľovacej komore nie je masívna, ale skladá sa z ľahko odnímateľných šamotových dosiek. Zmena paliva z vlhkého typu na suchý typ biomasy si preto vyžaduje len krátkodobé úpravy.

Variabilita tejto technológie spočíva aj v možnosti navrhnutia rôznych dopravných systémov na transport paliva v závislosti od jeho kvality, obsahu vody a veľkosti. Používajú sa závitovkové dopravníky, reťazové dopravníky a v prípade spaľovania paliva s väčšími rozmermi aj hydraulické plniace systémy. Obdobne sa navrhujú aj transportné systémy na odvod popola z kotla do popolového kontajnera.

Skúsenosti s prevádzkovaním variabilných biomasových kotlových systémov

Skúsenosti s prevádzkovaním variabilných bio­masových kotlových systémov získali výrobcovia tepla už vo viacerých mestách a obciach na Slovensku. Spoločnosť DATATHERM, spol. s r. o., od roku 2004 dodala a nainštalovala na Slovensku už 24 variabilných biomasových kotlových systémov s celkovým inštalovaným výkonom 55,7 MW.

Nová Dubnica

Prvým a doteraz najväčším zrealizovaným projektom na výrobu tepla z pevnej biomasy pre komunálnu sféru v rámci Slovenska je projekt rekonštrukcie centralizovaného zásobovania teplom (CZT) v meste Nová Dubnica. Ide o projekt s celkovým inštalovaným výkonom biomasových kotlov 16 MW na spaľovanie mokrej a suchej drevnej štiepky.

Najvýznamnejším výrobcom a dodávateľom tepla v meste Nová Dubnica je spoločnosť Termonova, a. s., ktorá vlastní centralizovaný zdroj tepla. Tento zásobuje v meste vyše 3 000 domácností s ročným objemom výroby tepla 220 000 GJ.

S realizáciou projektu zmeny palivovej základne zo zemného plynu na biomasu v CZT sa začalo v roku 2003 po prvom výraznom zvýšení ceny zemného plynu, keď prebiehala rekonštrukcia tepelného hospodárstva v meste. Projekt sa realizoval vo viacerých etapách a dosiahol vytýčený cieľ. Cena tepla pre odberateľov v meste Nová Dubnica sa stabilizovala a takisto sa pokračuje v začatej rekonštrukcii rozvodov a OST.

Dnes majú obyvatelia Novej Dubnice jednu z najnižších cien tepla na Slovensku, a to aj napriek tomu, že 80 % investície sa realizovalo bankovým úverom a len 20 % nenávratnými finančnými prostriedkami z EÚ.
Ekonomické výhody sa prejavujú v podobe nižších nákladov za nákup paliva. Pri aktuálnej cenovej úrovni je cena paliva potrebného na výrobu 1 GJ tepla zo zemného plynu 380 Sk bez DPH, z mokrej lesnej štiepky 170 Sk bez DPH. V prípade, že by sa nepristúpilo k zmene palivovej základne, cena tepla by bola vyššia o viac ako 200 Sk/GJ.

Inštalácia biomasovej technológie v CZT v Novej Dubnici má tiež veľmi priaznivý vplyv na životné prostredie. Počas dvojročnej prevádzky tejto technológie sa podarilo ušetriť viac ako 25 000 ton emisií CO₂.

Ako palivo sa v CZT využíva prevažne mokrá lesná štiepka. Ročne Termonova, a. s., spotrebuje v biomasových kotlových systémoch na výrobu tepla zhruba 28 000 ton drevnej štiepky. Donedávna firma nakupovala prevažnú časť drevnej štiepky od Lesov SR, š. p. V súčasnosti zabezpečuje dodávku paliva do CZT firma Biopalivo, a. s. Firma nakupuje drevnú hmotu a odrezky od drevárskych píl a spracovávateľov dreva z okolia a vlastným mobilným štiepkovačom vyrába drevnú štiepku v požadovanej veľkosti a kvalite. Mobilný štiepkovač s hydraulickou rukou a kvalifikovanou obsluhou dokáže spracovať až 20 ton drevnej hmoty za 1 hodinu.

Vďaka variabilite biomasových kotlových zariadení a navrhnutých transportných systémov sa okrem drevnej štiepky spaľuje v CZT aj energetická slama (obilná, repková), ktorá je doplnkovým palivom.

Dolný Kubín

V Dolnom Kubíne prebehla rekonštrukcia kotolne Bysterec zmenou a doplnením palivovej základne zo zemného plynu na drevnú štiepku. Dolnokubínska firma Tehos, s. r. o., spustila do prevádzky variabilné biomasové kotlové systémy s celkovým inštalovaným výkonom 12 MW začiatkom septembra 2006. Pred rekonštrukciou kotolňa spotrebovala 4,2 milióna m³ plynu. Od spustenia kotlových systémov sa vyrobilo do leta 2007 až 80 000 GJ tepla, pričom spotreba drevnej štiepky bola asi 10 000 ton a spotreba plynu bola nulová. Cena tepla sa vďaka lacnejšiemu palivu znížila približne o 80 až 100 Sk za GJ a došlo k výraznému zredukovaniu emisií CO₂. Okrem rekonštrukcie kotolne prebehla aj rekonštrukcia rozvodov a merania a regulácie. Spoločnosť získala na pokrytie investičných nákladov aj finančné zdroje zo štrukturálnych fondov. Firma plánuje v budúcnosti pripojiť variabilný biomasový kotlový systém na parnú turbínu na výrobu elektrickej energie.

Kysucké Nové Mesto

V Kysuckom Novom Meste sa zrealizoval projekt rekonštrukcie mestskej kotolne so zmenou pali­vovej základne z uhlia na drevnú štiepku, pričom sa tu nainštaloval kotlový systém s menovitým výkonom 7,0 MW. Mestskú kotolňu prevádzkuje teplárenská firma Kysuca, s. r. o. Biomasový kotlo­vý systém sa spustil do prevádzky v januári 2006. Za vykurovacie obdobie sa z celkového vyrobeného tepla 207 000 GJ vyrobilo 119 000 GJ tepla z drevnej štiepky, čo predstavuje asi 57 %. Ročne sa spotrebuje okolo 16 000 ton drevnej štiepky, ktorú firma nakupuje od Lesov SR, š. p. Prevádzkovaním biomasového kotlového systému sa znížila cena tepla o približne 90 Sk za GJ a predpokladá sa redukcia znečisťujúcich emisií CO₂ okolo 8 000 ton/rok.

Trenčín

V Trenčíne firma Služby pre bývanie, s. r. o., pre nezávislosť od druhu paliva stavila na variabilnú kotlovú technológiu. Variabilné biomasové kotlové systémy s celkovým inštalovaným výkonom 2 × 4,0 MW sú nadimenzované na spaľovanie slamy (obilnej, repkovej) a drevnej štiepky pri dodržaní stanovených emisných limitov. Vďa­ka výhodným cenám a dostupnosti paliva zač­nú v Trenčíne s výrobou tepla z energetickej slamy. Použitá najmodernejšia variabilná technológia a navrhnuté dopravné systémy však poskytujú investorovi možnosti prispôsobiť sa v budúcnosti práve takému druhu paliva, ktoré bude na trhu najdostupnejšie a za najvýhodnejšiu cenu. V súčasnosti je cena paliva na výrobu 1 GJ tepla z mokrej drevnej štiepky 170 Sk bez DPH a zo slamy 125 Sk bez DPH. Vďaka päťkomorovému výmenníku s núteným odsávaním spalín budú biomasové kotlové zariadenia pri spaľovaní slamy dosahovať účinnosť až 89 %.

Zhrnutie

Optimálny menovitý výkon a veľkosť variabilných biomasových kotlových systémov JUSTSEN možno navrhnúť podľa stavebných, technických a priestorových požiadaviek konkrétneho zákaz­níka. Sériová výroba kotlov pokrýva tepelný výkon v rozsahu od 0,2 do 15 MW. Pri kontinuálnom riadení výkonu v rozsahu od 20 do 100 % meno­vitého výkonu je účinnosť biomasových kotlov viac ako 85 %. Riadenie tejto technológie je plne au­tomatizované, takže umožňuje prevádzkovanie tepelného zdroja len s občasným dohľadom.

Aj pri ostatných nainštalovaných variabilných bio­masových kotlových systémoch na výrobu tepla z drevných peliet alebo suchého drevného odpadu skúsenosti poukazujú na bezporuchovú prevádzku kotlových zariadení a dopravných ciest. Okrem nižších variabilných nákladov na palivo (v porovnaní so zemným plynom) sa pri spaľovaní pevnej biomasy vo variabilných kotlových systémoch uvoľňujú emisné znečisťujúce látky hlboko pod limitmi stanovenými súčasnou legislatívou.

Ing. Radovan Kňazúr
Recenzoval: doc. Peter Horbaj, PhD.
Foto: archív autora

Autor pôsobí v spoločnosti DATATHERM, spol. s r. o., ktorá poskytuje komplexné služby a systémové technologické riešenia v oblasti biomasových kotlových systémov, riadiacich systémov a v oblasti merania a regulácie.