Karel Murtinger [karelmu@hbu.cas.cz]

Při využití biomasy se energie uvolňuje zpravidla ve formě tepla spalováním, t.j. oxidací vzdušným kyslíkem. Takto vzniklý oxid uhličitý pak opět může být rostlinami zachycen a celý cyklus se opakuje. Rostlinná biomasa je tvořena  řadou sloučenin;  jako zdroj energie mají největší význam celulóza, hemicelulózy, škrob, lignin, oleje a pryskyřice.

 Z hlediska způsobu využití lze biomasu rozdělit do dvou skupin:

biomasa suchá, s vlhkostí do 40%, kterou je možné po eventuálním vysušení spalovat (dřevo, obilní sláma, biomasa jiných energetických rostlin),.

biomasa vlhká, s vlhkostí  nad 40%, která se využívá zpravidla k výrobě bioplynu (kejda, hnůj, nebo kaly z čističek vod).

O výhodách biomasy není pochyb. Dobře se ukládá, má nízký obsah síry, a tedy i oxidu siřičitého ve spalinách; pouhý zlomek v porovnání například s hnědým uhlím. Biomasa je (na rozdíl od fosilních paliv) široce dostupná, není třeba ji dovážet na velké vzdálenosti, využití biomasy podporuje lokální ekonomiku a snižuje závislost státu na dovážených zdrojích energie. Patrně největší nevýhodou je nízká energetická účinnost vzniku biomasy. V relativně hustě zalidněné střední Evropě to znamená  že i v případě, kdy se bude biomasa cíleně a efektivně pěstovat, tak není k dispozici tolik volné půdy aby se mohla stát hlavním zdrojem energie a náhradou fosilních paliv. Je proto třeba používat biomasu především tam, kde je to nejvýhodnější.  Například náhrada kotlů na hnědé uhlí moderními kotli na pyrolýzní spalování dřeva může dramaticky zlepšit ovzduší v nějaké vesnici ležící v inverzní kotlině. Spálení téhož množství dřeva společně s uhlím ve velké, moderní, uhelné elektrárně žádný efekt na čistotu vzduchu nemá.

To, že je biomasa přírodní produkt a obnovitelný zdroj energie, ještě neznamená, že při jejím spalování nemůže dojít ke vzniku škodlivých emisí. Pokud spalujeme dřevo v běžných kachlových kamnech či krbech, pak je v kouři obsažena celá řada škodlivých látek (fenoly, polycyklické aromatické uhlovodíky), podobně jako při topení uhlím.

Výhřevnost biomasy

. Výhřevnost suché biomasy je zpravidla v rozmezí  15–19 MJ/kg; s rostoucím obsahem pryskyřic nebo olejů roste a naopak výrazně klesá s rostoucím  obsahem vody (viz graf)

Sušení biomasy

Vzhledem k výraznému vlivu vlhkosti na výhřevnost je nevyhnutelné biomasu před spalováním vysušit. Všeobecně se doporučuje snížit vlhkost pod 30% ; za optimální se považuje vlhkost do 20 % ; to lze ještě dosáhnout běžným sušením pod přístřeškem (kusové dřevo se obvykle nechává vyschnout 2 roky). Pro některé účely (například lisování briket nebo peletek) se musí materiál vysušit na podstatně nižší obsah vody, k tomu již nestačí běžné sušení na vzduchu a je nutné použít sušení při zvýšené teplotě..

Spalování biomasy

Při zahřátí na teplotu přes 200 °C dochází k rozkladu a tvorbě hořlavých plynů. Biomasa hoří dlouhým plamenem, což  vyžaduje vhodnou konstrukci topeniště. Do plamene se totiž musí přivést dostatečné množství vzduchu a musí dojít k jeho promíšení, aby mohly všechny těkavé složky dokonale vyhořet. K tomu je třeba dostatečná teplota (plamen se nesmí příliš ochladit).  V topeništi dochází napřed k odpařování vody, která je vždy v určité míře přítomna. Voda má vysoké výparné teplo, takže její odpařování palivo ochlazuje. Teprve po odpaření vody vzroste teplota a začne docházet k uvolňování  prchavých látek (např. terpenů) a k tepelnému rozkladu (pyrolýze) jednotlivých sloučenin v biomase obsažených. Vzniká směs hořlavých plynů a na roštu zbývá dřevěné uhlí. Uvádí se, že uvolněná prchavá hořlavina  v sobě nese přes polovinu energie ve dřevě obsažené . Hořlavé plyny hoří s primárním vzduchem přiváděným pod rošt dlouhým plamenem (primární spalování). Nedojde ale ke spálení všech spalitelných složek, protože k tomu zpravidla není dostatek kyslíku nebo dostatečně vysoká teplota.  Pokud je pod rošt přiváděn nadbytek vzduchu, tak se plamen příliš ochladí a část hořlaviny se vyloučí ve formě sazí (uhlík). Když je vzduchu  málo, tak zase nemůže dojít k úplnému spálení (oxidaci až na oxid uhličitý). V každém případě to znamená, že ztratíme část energie v palivu obsažené. Je tedy třeba zajistit aby spalovací komora v níž hoření probíhá měla dostatečně vysokou teplotu a malé tepelné ztráty a do plamene se v určité vzdálenosti nad roštem musí přimíchávat sekundární vzduch, který umožní dohoření nespálených plynů. Tím se uvolní i zbylá energie v palivu obsažená a do komína pak odchází jen oxid uhličitý, vodní pára a dusík.  Vzdušný dusík se spalování prakticky neúčastní; pokud je ovšem teplota plamene dostatečně vysoká dochází v určité míře k reakci dusíku a kyslíku za vzniku směsi oxidů dusíku; tato reakce je z hlediska energetického nevýznamná, nicméně velmi zásadní je z hlediska emisí (oxidy dusíku jsou považovány za škodlivé emise).

Kotle na topení kusovým dřevem

Jsou účinné a pohodlné a dokáží pracovat až  na principu takzvaného „pyrolýzního“ spalování, které umožňuje dosáhnout dobré účinnosti a  minimální produkci škodlivých emisí.V těchto kotlích je  proces hoření rozdělen do dvou oddělených komor. V první části dochází za omezeného přístupu primárního  vzduchu k vysušení dřeva a jeho postupné pyrolýze (tepelný rozklad) a doutnání při němž vzniká reakcí oxidu uhličitého s rozžhaveným dřevěným uhlím oxid uhelnatý (dřevoplyn). V první komoře vzniklá směs plynů obsahuje především oxid uhelnatý, dále pak různé uhlovodíky, určité množství vodíku a mnoho dalších látek. Tento proces pochopitelně vyžaduje dodání tepla; to je zajištěno tím, že menší část dřeva zde shoří až na oxid uhličitý a poskytne tak potřebné teplo. Horké plyny jsou pak vedeny do druhé komory (spodní část kotle) a zde po smíšení se sekundárním vzduchem shoří až na oxid uhličitý a vodu. Díky vysoké teplotě plamene dojde k dokonalému spálení všech organických látek a je tedy možné dosáhnout jak dobré účinnosti tak i nízkého obsahu škodlivin ve spalinách. 

Výkon se reguluje množstvím primárního vzduchu. Pokud chceme snížit výkon kotle, ubereme primární vzduch a sníží se rychlost pyrolýzy a tvorba hořlavých plynů. Výkon lze regulovat jen v určitém rozmezí; zpravidla  40-100% jmenovitého výkonu. Souvisí s tím, že ne všechno teplo vzniklé v první komoře se využije na pyrolýzu a tvorbu oxidu uhelnatého (dřevoplyn). Část se spotřebuje na ohřátí a vysušení dřeva a část jej také unikne do okolí. Pokud snížíme přívod primárního vzduchu pod určitou úroveň, teplota v komoře příliš poklesne, nedochází již ke vzniku dostatečného množství hořlavých plynů, plamen zhasne a účinnost kotle dramaticky poklesne a emise škodlivin silně vzrostou. 

Situace je podstatně horší, pokud je dřevo vlhké. Obsah vlhkosti má, jak bylo ukázáno výše, významně výhřevnost a současně odpařování vody spotřebuje více tepla. Při použití vlhkého dřeva se proto paradoxně musí kotel provozovat s větším výkonem, aby nedošlo ke zhroucení procesu zplynování. Uhlí může při skladování zmoknout, aniž by došlo k nějakému významnému snížení jeho výhřevnosti a zhoršení funkce kotle na uhlí; spalováním dřeva  v mokrém stavu  ztratíme mnoho tepla, které z něho můžeme získat a navíc se ještě výrazně zhorší účinnost kotle.

Kotle na dřevo se dělají pro výkony nad přibližně 18kW, což je pro  prakticky všechny moderní domy příliš vysoká hodnota. Přizpůsobení výkonu kotle ke spotřebě vytápěného objektu se řeší pomocí zařazení takzvané pufrační (vyrovnávací, akumulační) nádrže. Kotel potom topí na optimální výkon a přebytečné teplo je ukládáno do vody v nádrži. Když je nádrž natopena na maximální teplotu, v kotli se přestane topit a po zbytek času se teplo pro vytápění bere z nádrže podle potřeby vytápěcího systému.

Krby a krbové vložky

Krb je nejstarší, nicméně stále oblíbené zařízení na topení dřevem. Bohužel jde také o zařízení nejméně účinné. Hlavní nevýhodou krbu je to, že hořící dřevo je příliš ochlazováno a není dost dobře možné řídit množství vzduchu pro spalování. Krb nasává příliš mnoho vzduchu a ten s sebou do komína odnáší mnoho tepla. Výsledkem je  nízká účinnost, zpravidla méně než 20%). Moderní uzavřené krbové vložky umožní lépe regulovat přívod vzduchu, ten se často přivádí zvenku zvláštním kanálem aby se místnost neochlazovala a zpravidla se také odebírá část tepla z kouřových plynů pomocí zvláštního výměníku (teplovzdušný nebo teplovodní). Lze tak dosáhnout účinnost přes 70%, což je oproti klasickému krbu značný pokrok. Krb má v dnešní době význam hlavně tam, kde je požadován „živý“ oheň a kde je výhodný sálavý přenos tepla.

Kachlová kamna

 Jsou také starý vynález (přibližně z 15. století). Oproti krbu mají četné výhody; vyšší účinnost (u moderních kamen dosahuje až 80%) a schopnost akumulace tepla, což umožní rovnoměrnější vytápění a menší nároky na obsluhu (neplatí to u všech jejich typů).

Kamna na pelety

Jejich základní výhodou je velký rozsah výkonů;  u malých topidel zhruba od 1kW, což umožňuje jejich použití v moderních nízkoenergetických a pasivních domech. V těchto domech je zpravidla použito rekuperační větrání tj. Je tedy vytvořen rozvod vzduchu a není proto problém rovnoměrně rozdělit teplo do celého domu; tím se eliminuje hlavní nevýhoda kamen (lokální topidlo) vůči teplovodním kotlům (ústřední vytápění).

  Významnou výhodou topidel na pelety je dobrá regulovatelnost  a dlouhá doba hoření při automatickém dávkování pelet ze zásobníku do hořáku. Dražší typy jsou vybaveny poměrně sofistikovanou elektronikou, která umožňuje naprogramovat kdy mají začít topit (pelety se zapalují elektrickým odporovým tělískem) a jaký má být časový průběh teploty (noční útlum a pod). V tom se blíží topidlům na plyn nebo topný olej. Mnoho typů je provedeno jako „krbová kamna“ t.j. tak, aby by viditelný hořící oheň  a aby se předávala část tepla sáláním.

Výhřevnost různých druhů dřeva 

(www.energetika.cz

 Zdroj: Alternativní energie - www.alen.cz