Biomasa

Biomasa je v podstatě organický material, který pochází z živých organismů, a proto jako každý živý organismus na Zemi, obsahuje kyslík, uhlík, vodík, dusík a mnoho dalších prvků v menších množstvích. Obsah jednotlivých složek závisí na původu biomasy a stanoví možnost přímého využití pro energetické účely a potřeby k dalšímu zpracování. Nicméně, fosilní paliva se také skládají z organických látek a jejich energetická hustota je vyšší a jejich zpracování na kapalná nebo plynná paliva je jednodušší, než pro zpracování biomasy.

Proč používat biomasu?

Výhody využití biomasy pro energetické účely ve srovnání s fosilními palivy lze rozdělit do tří hlavních skupin:

Přínosy pro životní prostředí

Používání fosilních paliv způsobuje znovuzavedením uhlíku a jiných zbavených nečistot před miliony let zpět do atmosféry. Uhlík se zavádí do atmosféry při spalování biomasy nebo energií z biomasy, který byl nedávno přijat rostoucími rostlinami. Takže užíváním biomasy můžeme dosáhnout “CO2 neutrální spalování", ale pouze tehdy, když rust biomasy se používá pro energetické účely. (Sklízení lesů se neuplatňuje). Dalším způsobem vzniku biomasy je využití organických odpadů, jež jsou následně transformavány do využitelného paliva.

Energetická nezávislost

Zdroje fosilních paliv (zejména ropy a zemního plynu) jsou nerovnoměrně distribuovány po celém světě a jejich rezervy se tenčí. Stále rostoucí poptávka po energii zvyšuje ceny pohonných hmot a může vést k nedostatku dodávek paliva pro jednotlivé země. Výroba a využívání biomasy je možné téměř kdekoli na světě, a proto její použití může přispět k větší energetické nezávislosti jednotlivých zemí.

Ekonomické přínosy

V regionech nebo zemích používajících vlastní biomasu místo dovážených fosilních palivech zůstávají peníze v rámci svých vlastních rozpočtů. Použití biomasy jako zdroje energie může být velkým přínosem pro zemědělce a zemědělské odvětví.

Biomasa pro energetické účely

V závislosti na regionu je možné využít velké množství různých zdrojů biomasy a široké škály způsobů její přeměny na energii. Zdroje biomasy lze rozdělit do tří hlavních skupin:

  • Energetické plodiny
    • Rychle rostoucí dřeviny (tj. vrby, topoly);
    • Traviny a materiály, kromě dřeva, tj. energetické plodiny (Miscanthus);
    • Nepotravinářské zemědělské plodiny pro výrobu biopaliv, (tj. řepka, kukuřice).
  • Odpady a zbytky
    • Suché zemědělské zbytky (sláma, kukuřice, drůbeží trus);
    • Mokré zemědělské zbytky (kejda a chlévská mrva, silážní tráva);
    • Odpady (průmyslové odpady, kaly, potravinářské odpady, odpadní rostlinný olej).
  • Lesní produkty
    • Dřevo získané z lesnické práce.

Metody přeměny biomasy na energii nebo paliva

Tepelný převod

Tepelnými přeměnami biomasy můžeme produkovat teplo, elektrickou energie nebo syntetická paliva. Běžně používané technologie pro tyto účely jsou přímé spalování, termální zplyňování a pyrolýzy.

Přímé spalování biomasy je nejstarší známá metoda pro výrobu tepla. Lidstvo má za sebou dlouhou cestu od objevu ohně do dnešní doby a má technologii, která umožňuje mnohem pohodlnější a efektivnější metody získávání tepla než jednoduchý oheň u táboráku. Pro vytápění domácností, veřejných budov či větších oblastí biomasou, je nejlepší způsob použít kamna nebo kotle s omezeným prouděním vzduchu, které umožňují efektivní a komfortní tvorbu tepla. Pro výrobu elektrické energie existuje kombinace s výrobou tepla (kogenerace, CHP) v elektrárně. Malovýroba elektrické energie je obecně neefektivní, neboť produkuje značného množství tepla, jenž není dále využito.

Tepelné zplyňování je v podstatě dílčí spalování, kde tepelný rozklad biomasy probíhá za přítomnosti malého množství kyslíku nebo vzduchu. Hlavním cílem tohoto procesu je výroba plynu obsahující značné množství hořlavých plynů (metan, uhlovodíky, vodík). Vytvořený plyn může být buď vypálený v kotlích na výrobu tepla nebo se dále čistí a používá ve spalovacích turbínách k výrobě elektřiny či jako pohon v dopravě. Pro jednotlivé druhy biomasy by to mohlo být nejekonomičtější a nejefektivnější způsob získávání energie.

Pyrolýza je proces tepelného rozkladu biomasy za nepřítomnosti kyslíku, je to endotermní chemický proces a vyžaduje externí zdroj tepla. V závislosti na podmínkách je hlavním produktem buď topný plyn nebo kapalná paliva (rychlé pyrolýzy). Závěrečné aplikace jsou podobné těm zplyňovacím..

Produkce bioplynu

Bioplyn se vyrábí anaerobní digescí v zařízeních na výrobu bioplynu (anaerobní vařák). Během tohoto procesu bakterie rozkládají na organické látky za nepřítomnosti vzduchu, čímž dochází k produkci bioplynu s obsahem metanu. V závislosti na podmínkách (typy používaných bakterií, anaerobní vyhnívací a biomasy) produkovaný bioplyn může obsahovat až 75% metanu. Navíc, pevný zbytek podobný kompostu a tekutému likéru může být použit dale jako hnojivo.

Výroba biopaliv

Bionafta se vyrábí transesterifikační reakcí mastných kyselin (z rostlinných olejů nebo živočišných tuků) s alkoholem za přítomnosti katalyzátoru. Po reakci a oddělení od glycerolu (vedlejším produktem) lze biopalivo dát přímo do nádrže automobilu nebo ve směsi s běžnou naftou. Bionafta je chemická směs mono-alkyl-esteru mastných kyselin s dlouhým řetězcem. Nejběžnější způsob výroby je dávkové zpracování působící v nízkých teplotách a atmosférickém tlaku s použitím nejlevnějšího alkoholu a methanolu (v některých případech se používá etanol a vyšší alkoholy) a základním katalyzátorem. Nadkritický proces je alternativní metoda, která vyžaduje vysokou teplotu a tlak, ale výrobní náklady jsou stejné nebo nižší než pro procesy využívající katalytické skupiny. Existují i další neobvyklé metody výroby bionafty pomocí ultrazvukových a mikrovlných vln nebo enzymů.

Bioetanol se vyrábí alkoholovým kvašením, ve stejném procesu, který se používá v pivovarnictví, vinařství nebo při výrobě lihovin. V konvenční fermentaci kvasinky přímo přeměňují na škrob a cukr bohaté biomasy na etanol. Další možností je využít kyseliny nebo enzymatické hydrolýzy celulózy a hemicelulózy (k dispozici mnohem větší podíl biomasy) a docílit tak přeměny na zkvasitelné cukry. Po destilaci bioethanolu mohou být přidány přímo do konvenční ropy v koncentraci do 10%. Rostoucí koncentrace lze dosáhnout úpravou vozidel nebo transformací na bioetanol (tj. biobutanol).

biomass3 new2

Potenciální překážky

Hlavní nevýhodou tepelné přeměněné biomasy je nízká úroveň získané energie. Mimo to, mnoho druhů biomasy má vysoký obsah vlhkosti a jsou velmi hydrofilní. Jsou proto zapotřebí speciální pece, velké úložné prostory nebo časté dodávky biomasy.

Zdroj biomasy by měl být umístěn blízko využívajícího zařízení (např. elektrárny), aby náklady na dopravu byly ekonomicky odůvodněné.

Zemědělské využití biomasy zahrnuje rizika, jako je vliv povětrnostních podmínek na množství výrobků, kvalita a cena, podobně jako pro výrobu potravinářských plodin.

Hlavní riziko biomasy vyrobené z energetických plodin a lesnictví je vyčerpávání a odlesňování půdy.