Zemědělský odpad na energii a biouhel: od biomasy z vlastního podniku k energetické soběstačnosti

Úvod

V zemědělském podniku představuje odpadní biomasa, jako jsou prořezy, zbytky z výroby a dřevnaté pokosy, často provozní náklad: je třeba ji sbírat, zpracovávat, převážet nebo likvidovat, aniž by přinášela přímý ekonomický výnos. Přitom tatáž biomasa, je-li správně zhodnocena, se může stát surovinou pro řetězec schopný vyrábět elektrickou energii, tepelnou energii a biouhel.

Energetické a agronomické zhodnocení odpadu totiž umožňuje přeměnit zbytkový materiál na podnikový zdroj, snížit závislost na externích dodávkách energie a zvýšit hodnotu, kterou přináší běžné nakládání s biomasou. Z tohoto pohledu už biomasa není vedlejším produktem, který je třeba řešit, ale druhotnou surovinou zařazenou do výrobního cyklu, který vytváří energii a stabilní uhlík pro půdu.

Kromě energetických a agronomických přínosů může zhodnocení odpadu snížit náklady na nakládání s biomasou a nahradit část energie nakupované zvenčí, čímž se nákladová položka mění na produktivní zdroj.

Od odpadu k podnikovým peletám

Ne každá zemědělská biomasa je pro zplyňování stejně vhodná.

Lignocelulózová biomasa, jako jsou prořezy z vinic a sadů, lesní zbytky, větve, štěpka a dřevní zbytky z údržby zeleně, je s procesem obecně kompatibilní. Naproti tomu bylinná biomasa s vysokým obsahem křemíku, například obilná sláma, rýžové slupky nebo ozdobnice, může způsobovat větší provozní potíže a v mnoha případech se hodí spíše k jiným způsobům zhodnocení, například ke kompostování (viz oxid křemičitý a popel).

Aby bylo možné biomasu použít v BioGS-1.0, musí projít přípravnou fází, která zahrnuje:

• sběr a výběr materiálu;
• sušení na maximální vlhkost 10 %;
• mletí;
• peletizaci.

V praxi obvykle stačí předsušení na přibližně 14 %, protože peletizace dokončí snížení vlhkosti bez nutnosti dalších samostatných kroků.

Ne všechen zemědělský odpad vyžaduje peletizaci. Skořápky ořechů a pecky, jejichž velikost je již vhodná pro podávání do BioGS-1.0, lze v určitém množství přidávat přímo do směsi s peletami, aniž by bylo nutné je samostatně peletizovat.

Na rozdíl od pelet určených pro domácí vytápění nevyžaduje BioGS-1.0 pelety certifikované podle ENplus. Postačí pelety z vhodné rostlinné biomasy, které lze vyrábět i přímo v podniku pomocí peletovací linky dimenzované podle sklizňové kampaně, obvykle soustředěné mezi květnem a zářím.

V mnoha zemědělských podnicích lze palivo vyrábět přímo ze zbytků z vlastní produkce, čímž se snižuje závislost na nákupu komerčních pelet.

Termochemická přeměna biomasy: energie a biouhel z jediného procesu

Takto získané agropelety pohánějí BioGS-1.0 při skutečné spotřebě přibližně 2,4 kg/h na jednotku.

Uvnitř systému prochází peletizovaná biomasa procesem termochemické přeměny, který kombinuje pyrolýzu a zplyňování. Těkavá frakce biomasy se přeměňuje na syngas, který pak pohání patentovaný Stirlingův motor a současně vyrábí elektrickou energii a teplo. Porovnání s přímým spalováním najdete v FAQ proč přeměňovat odpad na agropelety místo jeho spalování.

Celková energetická účinnost systému přesahuje 94 %, díky integrovanému využití tepelné energie vznikající při procesu. Kromě elektrické a tepelné energie vzniká jako pevný zbytek biouhel: přibližně 11 až 12 % hmotnosti spotřebovaných pelet, s obsahem uhlíku blížícím se 96 %.

Vyrobenou energii lze využít přímo k pokrytí části potřeb podniku, například pro:

• zavlažovací systémy;
• chladírny;
• osvětlení;
• dílny a laboratoře;
• větrací systémy;
• sušení biomasy a zemědělských produktů;
• pomocné provozní služby.

Podniková biomasa se tak zhodnocuje nejen jako palivo, ale jako energetický nosič, který přispívá k soběstačnosti a odolnosti zemědělského podniku.

Další informace o fungování technologie najdete v článcích věnovaných tématům Zplyňování biomasy: termochemické srdce BioGS-1.0 a Stirlingův motor: princip fungování a proč je ideální pro mikrokogeneraci na biomasu.

Biouhel a carbon farming: agronomické využití a ukládání uhlíku

Na rozdíl od konvenčního spalování biomasy, při kterém se téměř všechen uhlík oxiduje a rychle se vrací do atmosféry ve formě CO₂, pyrolytické zplyňování zadržuje část uhlíku v pevné uhlíkaté matrici. Biouhel z BioGS-1.0 má obsah uhlíku blížící se 96 % a nízký poměr H/C, což jsou vlastnosti obecně spojované s vysokou stabilitou v půdě.

Po zapravení do zemědělské půdy může přispět ke zlepšení:

• zadržování vody;
• kationtové výměnné kapacity;
• struktury půdy;
• mikrobiální aktivity;
• odolnosti plodin v obdobích vodního stresu.

Kromě agronomické funkce tvoří biouhel potenciálně stabilní zásobu uhlíku po desítky až stovky let a přispívá k odnímání uhlíku z rychlého biogenního cyklu.

Tento přístup spadá mezi postupy obecně spojované s carbon farmingem, tedy souborem zemědělských činností zaměřených na zvyšování a udržování zásob uhlíku v půdě a v biomase.

Pro zemědělský podnik to znamená, že se odpad nepřeměňuje pouze na energii, ale také na agronomický a environmentální zdroj, který dlouhodobě přináší užitek.

Další informace k těmto tématům najdete v článcích:

• Půdní kondicionéry: definice, výhody, použití;
• Sekvestrace uhlíku v půdě: stabilita biouhlu a poměr H/C.

Řetězec biomasa-agropelety-biouhel: model územního oběhového hospodářství

Ne každý zemědělský podnik má k dispozici stejné množství biomasy. Některé produkují množství zbytků nedostatečné k pokrytí celé energetické potřeby vlastního BioGS-1.0; jiné naopak disponují významnými přebytky lignocelulózové biomasy.

Řetězec BioGS-1.0 umožňuje geograficky oddělit místo produkce biomasy od místa energetické přeměny, přičemž cyklus uhlíku a živin zůstává v rámci téhož území.

Zemědělské podniky s přebytky biomasy je mohou přeměnit na agropelety procesem sušení, mletí a peletizace. Získané palivo lze využít interně, nebo distribuovat uživatelům BioGS v regionu.

Po energetické přeměně lze vyrobený biouhel vrátit producentům biomasy k agronomickému využití na podnikových pozemcích.

V tomto uspořádání se biomasa zhodnocuje dvakrát:

1. jako energetický nosič;
2. jako nosič stabilního uhlíku pro půdu.

Náklady na nakládání s odpadem se tak mění na místní řetězec, který vytváří energetickou, agronomickou i environmentální hodnotu. Přínosy se rozdělují po celém řetězci:

• uživatelé BioGS získávají místní palivo, potenciálně konkurenceschopnější než komerční certifikované pelety;
• zemědělské podniky zhodnocují biomasu, která by jinak představovala náklad;
• biouhel se vrací na pozemky a uzavírá cyklus uhlíku;
• region těží z distribuovaného energetického řetězce založeného na místních zbytkových zdrojích.

Hmotnostní a energetická bilance: případ simulovaný pomocí kalkulačky

Podnik v Savignano sul Rubicone se skladem o ploše 200 m², vytápěným skleníkem o ploše 200 m² (dvojitá fólie, 15 °C), spotřebou elektřiny 4 000 kWh/rok, fotovoltaikou 8 kWp orientovanou na jih a 20 t/rok větví o vlhkosti 30 %. Z 20 t větví se získá:

V posuzovaném případě je hlavním faktorem dimenzování tepelná potřeba skleníku. Vyrobená elektrická energie je totiž téměř dostatečná již s jednou jednotkou, zatímco zvyšování počtu systémů je řízeno především požadavkem na teplo.

Jak se počítají pelety

Pelety = Sušina biomasy ÷ 0,90 × 0,95

Pelety mají konečnou vlhkost 10 %, takže každá tuna obsahuje 0,90 t sušiny: proto se sušina biomasy dělí 0,90. Mletí a peletizace způsobují hmotnostní ztrátu přibližně 5 %: proto se násobí 0,95.

Hodnoty jsou zaokrouhlené. Faktor 44/12 je poměr molární hmotnosti CO₂ a uhlíku. Jde o orientační odhad sekvestračního účinku, nikoli o certifikovaný uhlíkový kredit.

Kolik jednotek je potřeba

Tepelná potřeba skleníku (přibližně 27 600 kWh/rok) určuje dimenzování: s menším počtem jednotek pokrytí tepla klesá.

Odhad je předběžný a s nízkou spolehlivostí: závisí na předpokladech o izolaci skladu (střední, 12 °C) a typu skleníku, na vlhkosti biomasy a na skutečných provozních hodinách.

Související otázky: kolik biomasy je potřeba k vytápění skleníku; co dělat s přebytkem pelet a biouhlu.

Kde je model obzvlášť zajímavý

Řetězec BioGS-1.0 je obzvlášť zajímavý v prostředích s trvalou přítomností lignocelulózových zbytků, mezi něž patří:

• vinařské podniky;
• olivové háje;
• sady;
• školky;
• lesnické podniky;
• firmy zajišťující údržbu zeleně;
• agroturistika s dostupnou dřevní biomasou.

Ve všech těchto provozech představuje odpad již dnes materiálový tok, který je třeba řešit. Možnost přeměnit jej na energii a biouhel umožňuje zvýšit hodnotu získanou z téhož zdroje, aniž by se změnila hlavní zemědělská činnost.

Co je potřeba k zavedení řetězce v podniku

K zavedení řetězce biomasa-agropelety-biouhel je obecně zapotřebí:

1. plocha určená ke sběru a skladování biomasy před zpracováním;
2. mlecí a peletovací systém dimenzovaný podle ročních dostupných objemů;
3. plocha pro přirozené sušení nebo sušení podporované využitím tepla vyráběného BioGS-1.0;
4. prostor pro skladování hotových pelet;
5. prostor určený ke skladování biouhlu;
6. pravidelné vyprazdňování biouhlu, orientačně každých 60 provozních hodin.

Závěr

Z energetického, agronomického i environmentálního hlediska umožňuje BioGS-1.0 spojit v jediný řetězec nakládání s lignocelulózovým odpadem, distribuovanou výrobu energie a tvorbu biouhlu.

Biomasa už není považována za zbytek k likvidaci, ale za druhotnou surovinu, kterou lze zhodnotit v řetězci vyrábějícím současně elektrickou energii, tepelnou energii a uhlíkatý materiál s vysokou agronomickou hodnotou.

Pro zemědělské podniky, které mají k dispozici prořezy, dřevní zbytky nebo lesní vedlejší produkty, umožňuje Kalkulačka BioGS-1.0 odhadnout energetický potenciál dostupné biomasy, očekávanou produkci biouhlu a z toho vyplývající orientační uhlíkovou bilanci. Data, vzorce a zdroje výpočtu: metodika. Další odpovědi najdete na stránce FAQ.