Možnosti uplatnenia zdrojov tepla na biomasu pri obnove bytového fondu

Slovensko je chudobné na primárne energetické zdroje, a tak je odkázané na ich dovoz. Ten je v súčasnosti v rozsahu takmer 89 % a tvorí ho najmä dovoz z Ruska. Na úseku obnoviteľných zdrojov energie má najväčšiu perspektívu biomasa. Slovensko má takmer 40 % územia zalesneného, intenzívnejšie využívanie biomasy by preto malo prispieť k zníženiu závislosti od dovozu a zvýšeniu podielu využívania obnoviteľných zdrojov. Takto by sa zabezpečili potreby tepla a energie pre sústavy centralizovaného zásobovania teplom – najmä pre väčšie zdroje tepla, ako sú teplárne, výhrevne, príp. okrskové kotolne.

Biomasa je chemicky zakonzervovaná slnečná energia, ktorá predstavuje najuniverzálnejší a najrozšírenejší zdroj energie na Zemi. Poskytuje výživu, používa sa ako stavebný materiál, vyrába sa z nej papier, lieky alebo chemikálie a je výborným palivom. Jej výhodou je veľká rôznorodosť vstupných surovín a univerzálne využitie v energetike, keďže z nej možno v moderných spaľovacích zariadeniach vvrobiť teplo a elektrickú energiu. Kvapalné a plynné formy biomasy (etanol, metanol, drevný plyn, bioplyn) možno použiť aj na pohon motorových vozidiel. Dnes sa však často považuje za nízko kvalitné palivo a v mnohých krajinách sa v energetických štatistikách ani neobjavuje.

Energetická hodnota a potenciál biomasy
Vzhľadom na rôzne formy biomasy je aj energia v nich obsiahnutá rôzne. Energetický obsah suchých rastlín s obsahom vlhkosti 15 až 20 % sa pohybuje okolo 14 MJ/kg. Suchá biomasa sa môže z pohľadu energetického obsahu porovnávať s hnedým a čiernym uhlím. V čase zberu však biomasa obsahuje značné množstvo vody, ktoré sa pohybuje napr. pri slame od 8 do 20 % a pri dreve od 30 až do 60 %. Obsah vody v uhlí je na úrovni 2 až 12 %, preto je energia biomasy v čase zberu nižšia ako v uhlí. Biomasa je však v porovnaní s uhlím ekologickejšie palivo. Má nižší obsah síry a popola po spálení, ktorý neobsahuje toxické kovy ani kontaminanty. Energetický obsah jednotlivých palív je uvedený v tab.1.

Najväčší podiel (až 32 %) z celkového technicky využiteľného potenciálu (TVP) obnoviteľných zdrojov energie pripadá na biomasu. V podmienkach Slovenska je reálne možné na energetické účely používať lesnú biomasu vrátane energetických porastov, poľnohospodársku biomasu, odpady z drevospracujúceho a potravinárskeho priemyslu a odpadovú biomasu z priemyselnej a komunálnej sféry. V stanovenom TVP biomasy tvoria:

• odpady z drevospracujúceho priemyslu viac ako 37 %,
• lesná biomasa s energetickými porastmi takmer 37 %,
• poľnohospodárska biomasa 19,5 %.

Technicky využiteľný potenciál biomasy bol odvodený z energetickej hodnoty ročného využiteľného množstva jednotlivých druhov biomasy, ktorá je 38 872 TJ/r (10 798 GWh/r). Predstavuje reálny energetický výstup z využitia tohto množstva vo forme tepelnej a elektrickej energie s účinnosťou premeny zodpovedajúcou moderným pokrokovým metódam výroby energie, tak tepelnej ako aj elektrickej.

Tab. 1: Energetický obsah niektorých palív

Návrh zdroja tepla s kotlami na drevnú biomasu
Využívanie biomasy v jestvujúcich zdrojoch tepla – kotolniach, príp. výhrevniach, je žiaduce, nedarí sa však odstrániť problém fyzicky náročnej prípravy a manipulácie s palivom, ani zamedziť individuálnemu nezodpovednému spaľovaniu domových odpadov, často nebezpečných pre životné prostredie.
Pre využívanie netradičných a obnoviteľných energetických zdrojov poskytujú väčšie možnosti veľké sústavy centralizovaného zásobovania teplom (SCZT), resp. ich zdroje. V súčasnosti sa biomasa podieľa na celkovej potrebe prvotných energetických zdrojov v CZT 6 %. Celospoločenským záujmom je tento podiel zvýšiť minimálne na dvojnásobok.

Hlavnými druhmi využívaných netradičných a obnoviteľných energetických zdrojov sú:

• spaľovanie priemyselnej biomasy, najmä odpadového dreva z výrobných závodov,
• spaľovanie komunálneho odpadu vo veľkých mestách alebo v blízkosti veľkých aglomerácií,
• využívanie odpadového tepla z technologických procesov.

V budúcnosti možno očakávať okrem ďalšieho rozvoja využívania už spomínaných druhov netradičných energetických zdrojov zvýšené využívanie:

• prírodnej biomasy, hlavne lesných drevín a poľnohospodárskych produktov,
• bezpečných priemyslových odpadov, napr. z potravinárskeho priemyslu.

Všetky druhy netradičných a obnoviteľných energetických zdrojov možno rozdeliť na skupinu dlhodobo skladovateľných a na skupinu dlhodobo neskladovateľných. Medzi dlhodobo skladovateľné patrí najmä biomasa, ktorou sa na zimné obdobie možno predzásobiť (v mieste spaľovania alebo v mieste výskytu). Z hľadiska optimalizácie skladovacích a prepravných kapacít sa zdroje využívajúce biomasu nezvyknú dimenzovať na celkové špičkové výkony SCZT, ale skôr na čiastočné výkony, pričom na zabezpečenie odberových špičiek sa využíva samostatný špičkový kotol na iný druh paliva, ktorý po zvyšok roka slúži ako záložný zdroj.

Spôsoby spaľovania biomasy
Podľa spôsobu spaľovania biomasy rozlišujeme:

• spaľovanie na rošte (vo vrstve),
• práškové spaľovanie (za letu),
• cyklónové spaľovanie,
• fluidné spaľovanie (v kypriacej vrstve).

Spaľovanie na rošte
Spaľovanie na rošte je určené na spaľovanie drveného paliva s vlhkosťou 60 % a viac. Palivo leží na rošte vo vrstve. Hrúbka vrstvy paliva závisí od tepelného výkonu spaľovacieho zariadenia a od prievzdušnosti tejto vrstvy spaľovacím vzduchom. Vzhľadom na vysoký obsah vody v palive sa vyžaduje značná dĺžka roštu s cieľom dosiahnutia vyššej účinnosti spaľovania. Táto podmienka sa zabezpečuje predsušovaním paliva mimo spaľovacieho zariadenia – napr. v šachte nad násypkou paliva alebo vháňaním horúcejšieho vzduchu.

Najznámejšie typy roštových systémov sú:

• šikmý rošt,
• kaskádový rošt,
• pevný rošt,
• stupňovitý rošt,
• rošt s rozsypným prikladaním.

Spaľovanie prebieha vo vrstve paliva na rošte a nad vrstvou paliva. Horenie nad vrstvou paliva je tým väčšie, čím je vyšší obsah prchavej horľaviny v palive. Palivo dopadá na vrchnú časť roštu, kde sa suší a uvoľňuje sa z neho povrchová a hygroskopická voda. Rošt tvoria jednotlivé roštnice a ich veľkosť závisí od funkcie roštu a zrnitosti paliva. Medzerami medzi roštnicami a palivom na rošte prúdi spaľovací vzduch, ktorý sa privádza pod rošt a zaisťuje, aby horenie prebehlo pri optimálnom nadbytku vzduchu. Relatívna rýchlosť vzduchu v porovnaní s palivom musí byť taká, aby nevznikol úlet paliva do komína. Prchavé zložky obsiahnuté v palive sa oddeľujú a postupne spaľujú. Rošt zároveň zaisťuje zhromažďovanie a odvod tuhých zvyškov po zhorení paliva z ohniska. Umožňuje reguláciu výkonu spaľovacej komory, a tým aj celého zariadenia.

Kapacita roštových spaľovacích zariadení môže byť až do tepelného výkonu 100 MW, obvykle sa však využívajú v rozsahu 0,1 až 50 MW. Charakteristické je rozdelenie spaľovania do viacerých stupňov s cieľom dosiahnuť čo najdokonalejšie spálenie paliva. Vzduch sa privádza vo dvoch až troch stupňoch.
Primárne sa vzduch privádza cez rošt tak, aby nedochádzalo k prehrievaniu a zaistilo sa horenie na rošte. Sekundárny prívod vzduchu slúži na podporu horenia prchavých látok nad roštom. Reguláciou prívodu vzduchu v jednotlivých dýzach možno dosiahnuť zónové spaľovanie s minimálnym nadbytkom vzduchu.

Práškové spaľovanie
Podstata spaľovania v práškových kotloch spočíva v tom, že biomasa, ktorú tvorí drvený materiál, sa zmieša so vzduchom a dopravuje sa do spaľovacej komory, kde zhorí. Veľkosť spaľovaného paliva je do 3 cm a maximálne prípustná vlhkosť je 15 %. To znamená, že palivo si pred spaľovaním vyžaduje úpravu – drvenie a sušenie, ktorou sa dosiahne v kúrenisku rýchle spálenie Na dosiahnutie vysokej účinnosti musí byť čas potrebný na dokonalé spálenie paliva kratší ako čas zotrvania čiastočky v kúrenisku. Výhodou práškových kúrenísk je možnosť úplnej mechanizácie spaľovacieho procesu, sú vhodné pre vyššie výkony, na ktoré už rošt, obmedzený svojimi rozmermi, nestačí.

Cyklónové spaľovanie
Horizontálne a vertikálne cyklónové kúreniská spaľujú odpadové drevo a rastlinné zvyšky vo forme drviny, t. j. vo forme drobných, rovnomerných tvarov a s nízkou vlhkosťou. Spaľovacia komora má valcový tvar a vzduch sa do nej vháňa v tangenciálnom smere. Cyklónové prúdenie vzduchu vedie k veľmi dobrému premiešaniu biomasy a spaľovacieho vzduchu, čo pomáha účinnému spaľovaniu. Horúce spaliny sa odvádzajú do spalinového výmenníka tepla, kde sa uskutočňuje proces odovzdávania tepla teplonosnej látke – teplej vode. Výhody cyklónového spaľovania sú: malý súčiniteľ nadbytku vzduchu, intenzívne spaľovanie, a tým zmenšenie aktívneho spaľovacieho priestoru. Nevýhodou je malý regulačný rozsah, erózia výhrevných plôch, a tým aj menšia životnosť spaľovacieho zariadenia.

Fluidné spaľovanie
Čiastočky paliva sa nadnášajú prúdom vzduchu a spalín prúdiacich smerom hore. Vírenie čiastok paliva charakterizuje veľký tepelný a látkový prenos. Teplota v spaľovacom priestore s fluidným lôžkom piesku alebo iným nehorľavým materiálom sa pohybuje medzi 700 až 950 °C. Fluidné systémy vháňajú vzduch pri vysokých rýchlostiach, čím dochádza k lepšiemu spaľovaniu a rýchlejšiemu prenosu tepla v lôžku, a tým ku kontrolovateľnému spaľovaniu. Umožňujú spaľovať biomasu premenlivejšej kvality ako ostatné systémy.

Systém je zložený zo spaľovacej komory s pieskovým lôžkom, ktoré pracuje ako teplonosné médium, je predhriate a čerí ho vzduch vháňaný cez perforované dno. Pieskové lôžko sa udržiava na optimálnej teplote (700 až 950 °C) pomocou výmenníkov zabudovaných vo fluidnej vrstve. Biomasa vo forme drobných čiastočiek sa kontinuálne vháňa do pieskového lôžka, kde dochádza k spaľovaniu. Spaliny sa čistia od popola a odvádzajú sa do komína.

Výhody fluidných systémov sú nasledovné:

• vďaka intenzívnemu miešaniu a vysokým teplotám je spaľovanie rýchle, čo umožňuje kompaktnejší dizajn celého zariadenia,
• sú schopné spaľovať relatívne mokrý materiál,
• môžu spaľovať palivo relatívne nerovnomerného zloženia a tvarov, aj zmes dreva a iných materiálov.

Nevýhody fluidných systémov sú:

• vyššie investičné náklady,
• nutnosť skúsenej obsluhy,
• spotreba elektrickej energie na pohon ventilátorov,
• citlivá regulácia.

Obr. 2: Podiel dodávky tepla v diagrame trvania potrieb tepla

Záver
Využívanie biomasy poskytuje nielen energetické krytie, ale aj ďalšie ekologické výhody. Medzi najdôležitejšie patrí zlepšenie kvality lesov, vôd alebo zamedzenie erózii pôdy. Nevýhodou biomasy ako paliva je, že všetky druhy surovej biomasy podliehajú v normálnych podmienkach rýchlemu rozkladu. Z tohto dôvodu len menej z nich je vhodných na dlhodobé skladovanie a pre ich relatívne nízky energetický obsah sa zvyšujú náklady na dopravu.

Z pohľadu znižovania emisií skleníkových vplyvov a klimatických zmien majú všetky biotechnológie mimoriadny význam: rastliny, ktoré počas svojho rastu absorbujú z atmosféry CO₂, ale aj využívanie bioplynu pozostávajúceho hlavne z metánu (CH₄), zo skládok odpadu alebo hnojovice, významne prispievajú k znižovaniu emisií. Metán má v atmosfére až 20-násobne vyšší účinok na uvedený jav ako CO₂.

Z hľadiska znižovania emisií síry a obmedzovania kyslého imisného spádu má využívanie biomasy veľký význam, lebo obsah síry v nej je podstatne nižší ako v uhlí alebo rope. Okrem toho biomasu možno primiešavať do uhlia, a tak ďalej znižovať emisie síry v klasických teplárňach, výhrevniach alebo okrskových kotolniach.

Pre menšie objekty typu rodinných domov sú vhodné kotly s pevným roštom, prípadne stupňovitým. Ako palivo sa využíva drevo, drevné štiepky alebo pelety. Náročnosť palivového hospodárstva súvisí s použitým druhom paliva. Do tepelného výkonu 150 kW sa nepoužívajú cyklónové odlučovače popolčeka.

Pre objekty s väčšou potrebou tepla nad 150 kW sú vhodnejšie zložitejšie spaľovacie zariadenia, kde sa aplikujú šikmé, kaskádové rošty, príp. rošt s rozsypným prikladaním. Ako palivo sa využívajú drevné štiepky alebo pelety. Náročnosť palivového hospodárstva súvisí s použitým druhom paliva. Tieto spaľovacie zariadenia vyžadujú cyklónový odlučovač popolčeka.

V drevárskych a nábytkárskych závodoch sa s obľubou využívajú spaľovacie zariadenia s práškovým, príp. cyklónovým spaľovaním, kde sa palivo pred spaľovaním upravuje do podoby prášku.

Najdokonalejšie energetické využitie biomasy sa dosahuje vo veľkých kotloch s tzv. fluidným spaľovaním, ktoré prebieha pri vysokých rýchlostiach a teplotách okolo 950 °C a minimálnej tvorbe emisií dusíka. Fluidné spaľovanie sa v technickej praxi využíva pre väčšie zdroje tepla v teplárenských sústavách, ktoré zásobujú teplom väčšie obytné a občianske súbory.

doc. Ing. Ján Takács, PhD.

Autor pôsobí na Katedre technických zariadení budov Stavebnej fakulty STU v Bratislave.
Recenzovala: doc. Ing. Otília Lulkovičová, PhD.
Obrázky: archív autora

Tento príspevok vznikol v rámci riešenia projektu VEGA 1/0734/08.

Literatúra
1. Bédi, E.: Obnoviteľné zdroje energie. Fond pre alternatívne energie, Bratislava, SZOPK 2001.
2. Kadrnožka J. – Ochrana, L.: Teplárenství. Akademické nakladatelství CERM Brno, 2001, 177 str.
3. Pastorek, Z. – Kára, J. – Jevič, P.: Biomasa – obnovitelný zdroj energie. Praha, FCC PUBLIC s. r. o., 2004.
4. Lulkovičová, O. a kol.: Zdroje tepla a domové kotolne. JAGA GROUP, Bratislava, 2004.
5. Jandačka, J. –  Malcho, M.: Biomasa ako zdroj energie. Žilina, Vydavateľstvo Juraj Štefun – GEORG, 2007.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK 6/2008.