Energie z biomasy

Dominantním fenoménem života na Zemi je exponenciální růst populace. Ten je přirozeně doprovázen růstem civilizačních potřeb, mezi nimiž hraje prim potřeba energie. Říká se, že spolehlivá a dostupná energie je základem moderní společnosti. Spotřeba energie se proto vyvíjí velice progresivně, což vyvolává obavy z dalšího vývoje a z vyčerpání zdrojů. V takové situaci se zákonitě oprašují malthusiánské myšlenky [1] a zpracovávají katastrofi cké scénáře. V nich uváděná fakta a jejich souvislosti jsou tak jednoduché a přesvědčivé, že se tématu ujmou politici a zrodí se problém, v tomto případě globální. Během několika příštích desetiletí dojdou všechny zdroje fosilních paliv, které dnes zajišťují zhruba osmdesát procent spotřeby energie, a aby byl scénář ještě katastrofi čtější, zjistíme, že spalováním fosilních paliv vytváříme skleníkový efekt, který způsobí „přehřátí“ planety se samozřejmě katastrofi ckými důsledky.
Nelze říci, že situace není až tak kritická. Ona totiž není kritická vůbec. Do konce 20. století bylo vyčerpáno něco přes jedno procento světových geologických zásob fosilních paliv [2] a skleníkový efekt je přirozenou součástí planety a je dokonce podmínkou života na ní. Je přirozené, že další zásoby fosilních paliv budou obtížněji dostupné a že bude náročnější je těžit. Stejně tak je nepochybné, že jejich spalování obohacuje atmosféru o oxid uhličitý. Od prvního faktu je však daleko k vyčerpání zásob a druhý neznamená katastrofi ckou změnu klimatu. Naší povinností je zodpovědně a poctivě současný vývoj zkoumat, studovat a pochopit, a ne se pyšně považovat za vládce přírody [3].
Zodpovědné chování v energetice znamená především racionální a efektivní hospodaření s energií (tj. snižování energetické náročnosti, snižování měrné spotřeby, zvyšování účinnosti transformace energie, snižování produkce škodlivin atd.) a také efektivní využívání všech dostupných zdrojů. Odtud pak pramení zájem o využívání obnovitelných zdrojů, majících převážně lokální charakter, a proto posilujících energetickou nezávislost. V posledních zhruba dvaceti letech je zájem o využívání obnovitelných zdrojů energie umocňován nebývale rozsáhlou a intenzivní podporou jejich rozvoje v Evropě. Tato iniciativa v zemích Evropské unie je dána v prvé řadě rostoucím nedostatkem vlastních tradičních energetických surovin, a v důsledku toho rostoucí závislostí na jejich dovozu, která se odhaduje na sedmdesát procent v roce 2030.
Nejhlasitějším argumentem pro využívání obnovitelných zdrojů energie však není nedostatek vlastních zdrojů, ale intenzivní program snižování produkce skleníkových plynů, především oxidu uhličitého, pro oslabení skleníkového efektu planety. V konečném důsledku není až tak podstatné, který z argumentů je významnější, zda upřednostnit racionální úvahy o rostoucím nedostatku vlastních zdrojů energie v evropských zemích, anebo globální úsilí o ovládnutí přírody. Rozhodující je, zda vyvolané aktivity povedou k racionálnějšímu hospodaření s energií, jejímu efektivnějšímu využívání a k rozvoji využívání „nových“ zdrojů energie, včetně obnovitelných.

OBNOVITELNÉ ZDROJE V ČESKÉ REPUBLICE
Praotec Čech se kdysi rozhodl usadit se v příjemném prostředí, v pěkné krajině, na obnovitelné zdroje energie však příliš nemyslel. Nemůžeme zde proto počítat s významnějším příspěvkem energie větru ani slunce a rovněž vodní toky nenabízí takové energetické možnosti, jaké bychom si přáli. Největší očekávání se proto soustřeďuje na biomasu. Ta je defi nována jako „substance biologického původu, zahrnující rostlinnou biomasu pěstovanou v půdě a ve vodě, živočišnou biomasu, produkci organického původu a organické odpady“ [4]. Společným původcem všech obnovitelných energetických zdrojů je sluneční záření a zhruba jedna desetina procenta z něj se transformuje v chemickou energii rostlin. Tuto skutečnost výstižně popsal R. P. Feynman v jedné ze svých přednášek: „Stromy vznikly převážně ze vzduchu. Když je spálíme, vrátí se zpátky do vzduchu, přičemž se uvolní sálavé teplo, což je sálavé teplo Slunce, které bylo třeba, aby se vzduch přeměnil v dřevo stromu. Trocha popela je pozůstatek té části stromu, která neměla původ ve vzduchu, ale v zemi.“ [5].
Rozvoj využívání obnovitelných zdrojů energie má přispět k posílení spolehlivosti dodávek energie, tedy ke snížení dovozové závislosti. Zelená kniha EU jednoznačně uvádí tři hlavní cíle rozvoje „zelené“ energetiky: udržitelnost, konkurenceschopnost a zabezpečení dodávek [6].
Budoucí míra příspěvku obnovitelných zdrojů do energetického mixu je nejasná. Určují ji reálné možnosti, dané geografi ckou polohou, klimatickými podmínkami, úrovní technického rozvoje atd., a státní administrativa zase ukazuje žádoucí trend rozvoje stanovením tzv. indikativních cílů (indikátor = ukazatel). V České republice by se podle nich mělo v roce 2010 vyrobit osm procent spotřebované elektřiny z obnovitelných zdrojů a v roce 2020 by měl činit podíl obnovitelných zdrojů včetně biopaliv přidávaných do pohonných hmot třináct procent spotřeby primárních energetických zdrojů [7]. V roce 2006 přispěly obnovitelné zdroje do hrubé spotřeby elektřiny necelými pěti procenty [8] a je zřejmé, že potenciál jejich rozvoje byl dosti nadhodnocen. Nemalé státní dotace výroby „zelené“ elektřiny mají podpořit rozvoj využívání obnovitelných zdrojů, které by mělo být v nanejvýš možné míře efektivní. Často však tomu tak není a dotační prostředky pak slouží k naplňování politických cílů, bez ohledu na racionalitu a efektivitu.
Se současným politicky i ekonomicky podporovaným rozvojem využívání obnovitelných zdrojů energie úzce souvisí již zveřejněné obavy [9] o další vývoj energetiky v Evropě. Evidentní přecenění možností obnovitelných zdrojů vedlo v posledních letech k opomenutí významu zdrojů klasických, a tak již dnes zaznamenáváme rostoucí nedostatek výrobních kapacit a také, což může být později ještě závažnější, rostoucí nedostatek kvalitně vzdělaných odborníků z oblasti klasické energetiky. Zájem o studium problematiky obnovitelných zdrojů na českých technických univerzitách (podle jejich podílu na celkové produkci elektřiny lze hovořit o studiu „čtyřprocentní energetiky“) vysoce převyšuje zájem o studium „velké“, nebo také „devadesátišestiprocentní“ energetiky. Taková situace je přinejmenším znepokojivá a k jejímu zlepšení bude zapotřebí prohloubit součinnost vysokých škol a energetických podniků.

BIOMASA JAKO ZDROJ ENERGIE
Biomasa je nepochybně naším nejperspektivnějším obnovitelným zdrojem energie. V současné době se na celkové produkci „zelené“ elektřiny podílí dvaceti šesti procenty (společně s bioplynem a skládkovým plynem), což je velmi vysoký podíl, vezmeme-li na vědomí, že sedmdesát tři procenta „zelené“ elektřiny vyrábí vodní elektrárny [8]. Biomasa má navíc ve srovnání s dalšími dnes rozvíjenými obnovitelnými zdroji jednu velikou energetickou přednost: zcela přirozeně umožňuje akumulaci energie, tzn. lze ji použít tehdy, kdy je to zapotřebí. V této souvislosti je vhodné připomenout, že znalost, jak akumulovat energii, by významně zvýšila celkovou efektivitu každého energetického systému.
Úvahy o rozvoji bioenergetiky vyvolávají řadu otázek, souvisejících s trvalou udržitelností produkce biomasy [10]:

• Jaká bude celková efektivita systémů energetického využívání biomasy?
• Jak velká rozloha půdy bude zapotřebí pro produkci potřebného množství paliva?
• Jak ovlivní tato činnost přírodní prostředí a biodiverzitu?
• Jaké bude reálné snížení produkce skleníkových plynů?

Na žádnou z těchto otázek dnes neexistuje jednoznačná odpověď a teprve další vývoj umožní tyto odpovědi hledat. Při úvahách nad první otázkou je nutno vzít na vědomí, že svým složením je biomasa poměrně jednoduchým palivem s málo proměnlivým složením hořlaviny a velice proměnlivým obsahem vody. Že se jedná o palivo rozptýlené v krajině, vyžadující náročnou sklizeň (těžbu), úpravu pro spalování a transport na místo spotřeby. Toto vše ve svých důsledcích znamená, že celková efektivita systému energetického využívání biomasy bude poměrně nízká. V tom zahrnutá účinnost transformace energie paliva na produkovanou formu energie (tj. elektřinu a/nebo teplo) však ovlivňuje celkovou účinnost zásadně, a je samozřejmě velký rozdíl mezi výrobou elektřiny s účinností cca dvacet procent a tepla s účinností kolem osmdesáti procent. A podobný rozdíl je mezi snahou vyrábět co nejvíce elektřiny z biomasy, a naplňovat tak indikativní cíle, a racionálním a vysoce efektivním využíváním energie biomasy.
Racionálním a efektivním řešením je kogenerace z biomasy. Respektive byla by, kdyby produkce elektřiny byla jednoznačně vázána na produkci a využití tepla. Jenže dotace „zelené“ elektřiny zajišťuje dobrou ekonomiku provozu i bez využití tepla a tento podivný stav je garantován po celou dobu životnosti zdroje. Taková legislativní jistota je jistě úspěchem výrobců „zelené“ elektřiny, vnucuje se však otázka, zda všechny vynaložené náklady mají smysl, když roční produkci „zelené“ elektřiny je schopen zajistit uhelný blok o výkonu necelých 30 MW a uhelné zásoby nám vystačí nejméně na dvě století.
Na poměrně strmém nárůstu výroby „zelené“ elektřiny se významně podílí technologie spoluspalování biomasy s uhlím v uhelných kotlích. V rozsahu uplatnění této technologie dali Češi lekci svým kolegům v ostatních evropských zemích. Účinnost transformace energie je sice nízká, jenže je obtížné zjistit, jak ji spoluspalování biomasy konkrétně ovlivňuje, a administrativní
vykazování „přínosů“ je natolik problematické, že Evropská komise vydala rozhodnutí [11], které má zajistit úplné, důsledné, transparentní a přesné monitorování emisí skleníkových plynů. (Jde o to, že oxid uhličitý ze spalování biomasy není považován za skleníkový plyn!) A v souvislosti s vydáním této směrnice se objevila nabídka metodiky ASTM-D6866, která s přesností ±3 % dokáže z analýzy spalin vzniklých při spoluspalování určit, jaká část oxidu uhličitého vznikla z fosilního paliva a jaká z biopaliva [12].
Biomasa je svým výskytem a specifi ckými potřebami předurčena stát se palivem pro decentralizovanou energetiku. V případě výroby tepla se již tak děje, rozvoj kogenerační výroby v malých výkonech je teprve na začátku. Velké očekávání provází vývoj technologie kogenerace se zplyňováním biomasy, široké komerční využití je však stále vzdálené.
Druhá otázka se týká potřebné rozlohy zemědělské půdy pro pěstování biomasy. Užitečnou představu o této problematice poskytuje studie [13], podle které by pro náhradu současné globální spotřeby primárních zdrojů bylo zapotřebí použít zhruba čtvrtinu veškeré rostlinné hmoty, která na Zemi během jednoho roku vyroste. Představuje to zhruba dvojnásobek současné zemědělské produkce. Podobný orientační údaj uvádí práce [10], ve které autor dochází k závěru, že pro zajištění soběstačnosti Evropské unie kapalnými palivy by bylo zapotřebí více než 200 milionů hektarů zemědělské půdy, což představuje více než polovinu rozlohy EU-25. Celková výměra půdy České republiky činí zhruba 4,5 milionu hektarů a potřeba pro zajištění výroby potravin představuje asi 2,5 milionu hektarů [7]. Jsou zde tedy k dispozici přibližně 2 miliony hektarů zemědělské půdy. Podle [4] je tuzemský využitelný potenciál energie v biomase odhadován na 280 PJ, což je zhruba dvacetinásobek současné produkce „zelené“ elektřiny. Využitelný potenciál zahrnuje využití dřevního odpadu z pěstování, těžby a zpracování dřeva, slámy obilnin a olejnin, cíleně pěstovaných energetických rostlin, včetně produkce pohonných hmot. Teprve další léta ukážou, jak reálné byly tyto první odhady.
Co se týče vlivu pěstování biomasy na přírodní prostředí, shodují se kompetentní odborníci, že přestože má evropský trh potenciál pro produkci surovin, bude do Evropy velké množství biomasy dováženo. Důvodů je více: přinejmenším pětinásobné výnosy biomasy v tropických oblastech ve srovnání s oblastmi mírného pásu, levná pracovní síla a vágní environmentální legislativa. Nicméně je představa stahektarových ploch v české krajině, porostlých schnoucím energetickým šťovíkem, děsivá.
Vliv pěstování biomasy na produkci skleníkových plynů je velkou neznámou. Některé studie dokládají pozitivní vliv, jiné negativní a zkušenosti říkají, že výsledek bude někde mezi tím.

ZÁVĚR
Vědomí rostoucí závislosti na dovozu energetických surovin vede evropské představitele k prosazování racionálních opatření ke zmírnění rostoucího napětí mezi produkcí a spotřebou energie. Cíle jsou srozumitelné: racionální hospodaření s energií a efektivní využívání všech dostupných zdrojů energie, včetně a zejména obnovitelných. V zemích střední Evropy má největší potenciál rozvoje energetické využívání biomasy, které se již rozšířilo v pozoruhodném měřítku. Je to však stále ještě začínající oblast energetiky, a má proto ještě celou řadu dětských nemocí. K těm nejvážnějším patří nízká efektivita, k jejímuž zlepšení je zapotřebí vývoje dokonalejších technologií, a rovněž dosud nejsou známy skutečné produkční možnosti, lze hovořit o trvale udržitelné produkci biomasy. Podpora rozvoje bioenergetiky a soustavný tlak na zvyšování efektivity systému může v následujících letech přinést své ovoce. Současně však hrozí, že kvůli mohutné podpoře využívání obnovitelných zdrojů energie bude zaostávat klasická a ještě dlouho dominantní velká energetika, postavená na fosilních palivech a jaderných zdrojích. 
 

LITERATURA:
[1] Hampl, M.: Vyčerpání zdrojů – skvěle prodejný mýtus, CEP, Praha 2004
[2] IPCC, Climat Change 2001: Mitigation, Cambridge University Press, 2001
[3] Iljin, M., Segal, E.: Jak se stal člověk vládcem přírody, Mladá fronta, Praha 1950
[4] Ochodek, T., Koloničný, J., Janásek, P.: Potenciál biomasy, druhy, bilance a vlastnosti paliv z biomasy, VŠB-TU Ostrava, Výzkumné energetické centrum, Ostrava 2006
[5] Feynman, R.P.: Radost z poznání: Co jsou přírodní vědy, Aurora, Praha 2003
[6] Zelená kniha EU. COM (2006) 105
[7] Hanzlíček, J.: Dárek světovému ovzduší, EURO č. 6/2008
[8] Fiřt, J.: Decentrální kogenerace, podpora výroby elektřiny z OZE, KVET a DZ v ČR, konference COGEN CZ, Průhonice 2007
[9] Lambertz, J., Krahl, M.: Generator Market in Europe, Perspektives and Challenges.VGB Power Tech, 1, 2/2007
[10] Cameron, A.: Green or Grey? Renewable Energy World, March – April, 2006
[11] Rozhodnutí evropské komise (2007/589/ES), Úřední věstník EU, 2007
[12] Report of Biomass CO₂ Content Analysis using ASTM-D6866, Beta Analytic Inc., Florida 2006
[13] Dukes, J.S.: Burning buried sunshine: human consumption of ancient solar energy, Climatic Change, G1 (1–2): 31–44, 2003
[14] Johnson, F.X.: Comparative advantage in the production of biofuels, Renewable Energy partnerships for Poverty Eradication and sustainable Development debate, 2005

Autoři

• (red)
• Prof. ing. Noskievič Pavel CSc.