Nové směry ve výzkumu obnovitelných zdrojů energie se zaměřením na travní biomasu

15. 12. 2024 Ing. Jan Frydrych a kol. Technologie pěstování Zobrazeno 361x

Využití obnovitelných zdrojů energie v současnosti nabývá na významu. Trávy představují významný zdroj biomasy v podmínkách České republiky ze zemědělských i nezemědělských ploch. Je možné pěstovat pro výrobu energie i na půdě dočasně vyřazené z produkce potravin s možností opětovného návratu bez rizika snížení půdní úrodnosti a kvality půdy.

Výzkum a využití trav pro energetické účely

Vymlácená sláma trav pěstovaných na semeno představuje významný zdroj biomasy využitelné pro energetické účely. Velký potenciál travní biomasy představuje produkce z trvalých travních porostů (TTP) a technických ploch v podmínkách naší republiky. Výsledky polních pokusů a laboratorních testů prokázaly, že trávy jsou využitelné jako energetické plodiny pro spalování i produkci bioplynu. Výzkumem a využitím trav pro energetické účely se zaměřením na spalování a výrobu bioplynu se zabývala OSEVA vývoj a výzkum s.r.o.  se sídlem v Zubří (OSEVA) ve spolupráci s Výzkumným ústavem zemědělské techniky Praha v.v.i a Vysokou školou báňskou - Technickou univerzitou v Ostravě (VŠB-TUO).

Nová technologická linka pro výrobu pelet

V průběhu výroby pelet vznikají problémy s přípravou směsí pro peletování. Důležitým faktorem je správná homogenizace směsi, množství vlhčiva a volba pojiva.

Cílem nového projektu VŠB-TUO a firmy OSEVA bude vývoj prototypu technologické linky pro urychlení možností využití obnovitelných přírodních zdrojů energie. Technologická linka se bude využívat k rychlému testování a posouzení míry/hranice vyrobitelnosti pelet z různorodých přírodních zdrojů, odpadní biomasy a různě namísených směsí. Jde o nové technologické řešení zrychlující výzkum využitelnosti rozdílných typů směsí přírodních zdrojů vedoucí ke snížení emisí skleníkových plynů, snížení závislosti na fosilních palivech a plynu a v neposlední řadě k posunu na vyšší stupeň v oběhovém hospodářství.

VŠB-TUO, CEET, Centrum ENET je přední výzkumné centrum v oblasti energetiky. Disponuje řadou plně vybavených laboratoří pro komplexní vývoj v oblasti obnovitelných zdrojů energie. Tyto laboratoře jsou kontinuálně dovybavovány tak, aby trvale dosahovaly vysoké úrovně a bylo v nich možné vyvíjet řešení odpovídající aktuálním světovým trendům. Centrum ENET zaměstnává řadu pracovníků na pozici výzkumník, konstruktér, vývojář aj., kteří disponují dostatkem zkušeností s celkovým vývojem, výrobou a provozem prototypů pro výzkumnou nebo aplikační sféru.

Firma OSEVA se zaměřuje na výzkum a vývoj v oblasti přírodních a technických věd. Zabývá se širokým spektrem pokusů, které produkují biomasu. Jedná se zejména o hmotu z pěstování trav na semeno, využití trav pro energetické účely, biodiverzitu travních porostů a výzkum genových zdrojů trav, trávníkářství a pokusů s travami pro pícní účely a jetelovinami. Tento materiál bude využíván pro experimentální činnost v projektu (obr. 1). Současně také pracoviště spolupracuje se zemědělskou praxí. Pracovníci provádějí každoroční poradenství přímo na porostech trav u zemědělců. I zde je možné čerpat travní biomasu jak z porostů trav pěstovaných na semeno, tak i TTP luk a pastvin pro experimentální účely projektu po dohodě s pěstiteli.

Výzkumem možností homogenizace různorodých vstupních komponent a jejich procesním zpracováním do formy pelet může dojít k efektivnímu využití různorodých materiálů. Využitím těchto obnovitelných přírodních zdrojů se sníží emise skleníkových plynů do ovzduší a vytvoří komodita užitečná ke snížení závislosti na ropných produktech a zemním plynu. Přispěje k lepší využitelnosti neosetých ploch (úhorů), podpoří diverzitu a zlepšení bilance CO₂.

Z důvodu rostoucích cen tuhých, plynných a fosilních paliv lze také predikovat, že technologie výroby pelet z alternativních zdrojů bude aktivně poptávána i do budoucna a bude potřeba zefektivnit jejich výrobní proces. Proto lze počítat, že do budoucna budou firmy vyhledávat a řešit obdobný problém, jaký bude řešen v tomto projektu. Budou se snažit zdokonalit stávající technologie a zefektivnit tak výrobu různorodých směsí a pelet. Řešení proto bude koncipováno tak, aby využití technologické linky bylo multioborové.

Obr. 1: Ukázka vzorků trav pro následné zpracování do formy pelet

Úprava suroviny pro pelety

Výzkumem efektivního využití energetického potenciálu pelet z obnovitelných zdrojů se zabývá VŠB-TUO. Jedná se o výzkum procesu torefikace pelet. Se stále se zvyšující energetickou poptávkou je potřeba stávající energetické zdroje, především fosilní paliva, postupně nahrazovat. Jednou z možných variant je využití trav pro energetické účely. Při jejich spalování není porušena uhlíková rovnováha.

S cílem zvýšit energetické parametry pelet vyrobených z trav byl využit post-tratment torefikace. Jedná se o termické zpracování, při kterém se biomasa zahřívá v inertní atmosféře při teplotách 200–300 °C. Během torefikace se z biomasy uvolňuje voda a těkavé organické sloučeniny. Torefikace je účinná metoda (sterilizace) pro ochranu materiálu (Gilbert et al. 2009). Typický hmotnostní výstup materiálu po torefikaci je 70 %, energetický výstup je 90 %. Ztráta hmotnosti je tedy mnohem vyšší než ztráta energie, což vede k zvýšení celkové výhřevnosti torefikované biomasy ve srovnání s původní formou.

Další výhodou torefikace je snížení vlhkosti, hydrofobní charakter snížením počtu hydroxylových skupin a objemová hustota materiálu (Obernberger, Thek 2010; Cahyant et al. 2020, Pradhan 2018). Vzniklý biochar (pevný zbytek po torefikaci) lze použít také jako hnojiva k obohacení výživy půdy. Přídavkem biocharu byla zvýšena schopnost půdy zadržovat vlhkost a byla zlepšena její úrodnost (Verheijen 2010, Lu 2024).

Další výzkumnou oblastí je zhodnocení dopravy pelet z biomasy a vliv degradačních procesů. Výsledky ukazují, že změna tvaru pelet, která může během degradačních procesů nastat, dochází k změnám tření, resp. odporům a s tím související energetické náročnosti dopravy. Tvarově dokonalejší a lehčí pelety vykazují nižší tření, ale výraznější odskoky. Součástí studie je také simulace dopravy pomocí DEM (Discrete Element Method). Například testování pelet s ohledem na jejich dynamický úhel probíhá v rotujícím bubnu (obr. 2).

V neposlední řadě je pozornost věnována také vlivu mechanických vlastností pelet z kostřavy červené na tvorbu emisí při jejich spalování (obr. 3). Cílem je detailní vyhodnocení tuhých znečišťujících látek (TZL) manuální gravimetrickou metodou. Zájem je soustředěn také na stanovení hodnot tavitelnosti popela v poloredukční atmosféře v porovnání s peletami vyrobenými ze slámy nebo dřeva.

Obr. 2: Stanovení dynamického sypného úhlu pelet z biomasy s ukázkou simulace

Obr. 3: Kostřava červená a vyrobené pelety pro výzkum tuhých znečišťujících látek (TZL)

Inovace pěstitelských technologií

V současnosti probíhá výzkum inovací pěstitelských technologií v travách pěstovaných na semeno v OSEVĚ. Je snaha o udržení současné vysoké úrovně a cíl ověřit nové prvky této pěstitelské technologie. Inovace pěstitelských technologií v travách pěstovaných na semeno a nové poznatky ve výzkumu výrazně ovlivňují ekonomiku pěstování trav se zaměřením na zvýšení výnosu a kvality výsledného osiva trav.

Výsledky výzkumu jsou předávány prostřednictvím poradenství pěstitelům přímo v zemědělské praxi. OSEVA ve spolupráci s VÚRV a VŠB-TUO ověřila možnosti využití trav pro energetické účely se zaměřením na spalování a výrobu bioplynu. Tento výzkum v oblasti fytoenergetiky rozšiřuje současné možnosti širokého potenciálu využití trav v našich podmínkách České republiky o oblast obnovitelných zdrojů energie.

V podmínkách Severní Moravy mají pěstitelé trav na semeno a zemědělci možnost po vymlácení porostů trav dodat přímo vymlácenou slámu firmě, která ji zpracuje na biopelety. Současně i seno z TTP pro alternativní využití (obr. 4). U trav pěstovaných na semeno ekonomický přínos v současnosti představuje zejména tržní zhodnocení travního semene a využití vymlácené slámy pro energetické účely (obr. 5). Rovněž byla ověřena možnost využití vymlácené slámy po sklizni trav pěstovaných na semeno pro výrobu energie v kotlích pro spalování obilní slámy.

Obr. 4: Produkci trvalých travních porostů je možné využít pro energetické účely spalováním i pro bioplyn - louka v katastru Velké Lhoty, okres Vsetín

Obr. 5: Porost kostřavy luční pěstované na semeno v Kelči, okres Vsetín - vymlácenou slámu kostřavy luční je možné využít pro alternativní účely

Závěr

Výroba energie z travní biomasy vytváří nové možnosti a rozšiřuje široký potenciál trav z hlediska jejich zemědělského i nezemědělského využití o oblast fytoenergetiky pro zemědělskou praxi. Travní biomasa má energetický potenciál a lze ji uplatnit jako udržitelný obnovitelný zdroj energie.

Praktické použití má však několik technických problémů jako například nerovnoměrná morfologická struktura, nižší obsah ligninu, nízká objemová hmotnost a průměrný obsah energie ve srovnání s jinými palivy. Výzkumné aktivity v této oblasti jsou značné. Je však zřejmá nutnost zvýšit dynamiku komerčního peletizačního procesu, s cílem využití různorodých vstupních kombinací.

Za tímto účelem byl podpořen projekt s názvem Výzkum procesů zahrnujících výrobu biopelet. Laboratorní technologická linka, která bude praktickým výstupem projektu, bude využita k posouzení míry snadnosti peletizace různých materiálů a směsí. Kvalita připravených palivových pelet z energeticky využitelných trav bude vzájemně porovnávána a vyhodnocována. Výroba a využití pelet z travní biomasy je technickou výzvou a otevírá příležitost k decentralizaci zdrojů.

Použitá literatura u autorů.

Ing. Jan Frydrych, Lenka Bradáčová; OSEVA vývoj a výzkum s.r.o., Zubří
Ing. Lucie Jezerská, Ph.D., Ing. Rostislav Prokeš, Ing. Veronika Sassmanová, Ph.D.; VŠB - Technická univerzita Ostrava, CEET, Centrum ENET
Ing. Simona Raab, Eva Chovančíková; OSEVA PRO s.r.o., Výzkumná stanice travinářská Zubří

Příspěvek vznikl na základě podpory projektu č. SS07020061 „Výzkum procesů zahrnujících výrobu biopelet“, který je spolufinancován se státní podporou Technologické agentury ČR v rámci Programu Prostředí pro život. Tento projekt je financován v rámci Národního plánu obnovy z evropského Nástroje pro oživení a odolnost.

Cahyanti, M. N., Tharaka, R. K., Doddapaneni, C., Kikas, T. (2020) Biomass torrefaction: An overview on process parameters, economic and environmental aspects and recent advancements. Bioresource Technology [online].[cit. 2023-03-15]. ISSN 09608524. Dostupné z www: doi:10.1016/j.biortech.2020.122737.

Gilbert, P., Ryu, C., Sharifi, V., Swithenbank, J. (2009) Effect of process parameters on pelletisation of herbaceous crop, 2009, Fuel, 88 (8): 1491–1497. doi.org/10.1016/j.fuel.2009.03.015.

Haiying Lu, Yawei Liu, Arunachalam Chinnathambi, Hesham S. Almoallim, G.K. Jhanani, Kathirvel Brindhadevi, P. Boomadevi, Changlei Xia (2024) Production and utilization of the Chlorella vulgaris microalgae biochar as the fuel pellets combined with mixed biomass, Fuel, Volume 355, 129395, ISSN 0016-2361, https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.129395

Obernberger, I., Thek, G. (2010) The pellet handbook: the production and thermal utilisation of pellets. Washington, DC: Earthscan. 592 p. ISBN 9781844076314.

Priyabrata Pradhan, Sanjay M. Mahajani, Amit Arora (2018) Production and utilization of fuel pellets from biomass: A review, Fuel Processing Technology, Volume 181, Pages 215–232, ISSN 0378-3820, https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2018.09.021.

Verheijen, F., et al. Biochar application to soils. (2010) A critical scientific review of effects on soil properties, processes, and functions. EUR, 24099.162: 2183–2207. Verheijen: Biochar application to soils - Google Scholar