Trendy v bioenergetických technologiích v USA

V posledních dvaceti letech narůstá také aktivita veřejnosti v ochraně životního prostředí, jež započala v organizaci Pacifik Nordwest. Prvním výsledkem této činnosti však bylo, že se podstatně snížila těžba dřeva ve federálních lesích. Omezení lesní těžby způsobilo výpadky výroby v dřevozpracujícím průmyslu a využití odpadů z tohoto průmyslu.

Zájem o využívání bioenergie neustále roste. Vedle extenzivního využívání lesů se zaměřuje pozornost na oblast zemědělství ve snaze zajistit cestou využíváním bioenergie a bioproduktů růst farmářské ekonomiky. V produkci a využívání bioenergie vedou zejména jižní státy (Georgia, Alabama, Mississipi, Louisiana a Severní Karolina). Výrazem státního zájmu o využívání bioenergií a na biomase založených produktech bylo založení mezistátní instituce (Aliance Jižních Států pro Biomasu -Southern States Bio-Based Alliance), jež se od roku 2000 o tuto oblast stará a soustřeďuje zainteresované zákonodárce a vedoucí úředníky podléhající přímo guvernérům.

Zdroje biomasy

Rychle se rozvíjí zpracování (recyklace) odpadového dřeva a dalších substrátů dříve skládkovaných, nyní většinou spalovaných. Někdy se však do pojmu recyklace nezahrnuje následné spalování, což se považuje za legislativní překážku rozvoje.

Stoupá zájem o energetické využívání chlévské mrvy a kejdy, protože se zpřísňují předpisy na ochranu před znečištěním. Problém je aktuální zejména na jihu, kam se soustředilo až 75 % výroby drůbežího a 50 % vepřového masa. Řada oblasti na jihu trpí nadbytkem zvířecích exkrementů aplikovaných na povrch relativně malých ploch, které jsou tak živinami přesycovány.

Zájem o bioenergetické, termochemické procesy začal narůstat když se ukázalo, že procesy zplyňování a spalování mohou snížit náklady na odstranění odpadů a ještě dodat energii. Spalovací procesy biomasy mohou koncentrovat část živin do formy popele, který je již mnohem lépe dopravitelný do oblastí, kde je jich skutečně zapotřebí.

DOE (Department of Energy -"ministerstvo pro energetiku") nastartoval program používání vřeten kukuřičných palic (zbytků klasů po odtrhnutí semen) k výrobě etanolu na celulózové bázi. Vzhledem na ohromný rozsah pěstování kukuřice v USA jsou vřetena kukuřičných klasů potenciálně nejvýznamnějším bioenergetickým zdrojem v Americe. Zůstává však otázka, jak velká část organické hmoty může být z polí odebrána, aniž by byla ohrožena budoucí úrodnost půdy.

Je efektivita iluzorní?

Efektivní produktivita nákladově náročných energetických plodin se jeví zatím jako iluzorní. Extenzivní výzkum byl zatím prováděn u rákosovitého prosa zvaného také indiánská tráva (switchgrass) a rychle rostoucích dřevin, jako je hybridní topol, vrba a další plodiny (sweetgum, sycamore), které jsou víceleté a obrůstají znovu po sklizni.

Největšího pokroku a úspěchu bylo dosaženo v jižních státech v subtropickém pásmu na Floridě, ale jen v některých případech. Například eucalyptus a leuceanea pěstované na Floridě na malých hnojených a zavlažovaných pozemcích dávaly výnos 20 až 30 tun suché hmoty na akr (0,4 ha) a rok. Ostatní plodiny, pěstované v jiných oblastech USA, zůstávaly na 6 tunách suché hmoty z akru za rok, ovšem na velkých plantážích.

Vzhledem k víceletosti dřevin, a z toho plynoucímu zablokování finančních zdrojů, je zřízení plantáží a jejich osázení poměrně nákladné Proto byly ověřovány různé podpůrné programy, jako je Conservation Reserve Program (CRP). V jeho rámci platí federální vláda farmářům udržovací náklady farmářské půdy na příštích 10 až 15 let. Po tuto dobu nesmí být na těchto pozemcích pěstovány obvyklé plodiny. V rámci podpůrného programu CRP bude v roce 2002 federální vláda platit 355 910 farmářům v průměru 4307 USD na jednu farmu nebo 45 USD na 1 akr pozemku. Program tedy zajišťuje farmářům určitý příjem po dobu zásadních změn výroby, zejména při pěstování a sklízení energetických (nepotravinářských) plodin.

Komerčně se používá nová metoda odstraňování vody z dřevin s využitím syté páry, čímž se nahrazuje méně výkonné sušení vzduchem. Některé podniky však naopak začínají využívat nové metody s tlakovým vibrujícím vzduchem pro zmenšování částic biomasy (až do formy prachu), často spojené se současným sušením.

Vytápění budov

Zákony na ochranu životního prostředí, zejména ovzduší, zasáhly i do oblasti vytápění objektů dřevem. Počet výrobců kotlů a topenišť na dřevo starších typů (krbového provedení) poklesl z původních 300 na pouhých 30 a ve výrobě zůstala jen zařízení, která vyhovují požadavkům na dokonalé spalování a katalytické ošetření emisí.

Ve stejné době vzrostla výroba topenišť na pelety. Jen v roce 2000 bylo vyrobeno a prodáno asi 47 000 těchto zařízení s převahou odbytu spíše v severní polovině země, kde je nedostatek zemního plynu a topného oleje a nejvyšší ceny.

Původní kotle na pelety vyžadovaly palivo vyrobené z naprosto čistého dřeva -bez kůry, s malým obsahem popele. Dnes se naopak prosazují topeniště schopná spalovat pelety s vyšším obsahem popele, jako jsou pelety ze stébelnin, zejména z původní americké "indiánské trávy", které dříve narůstala na prériích USA ohromná množství a nyní se znovu vysévá.

Anaerobní fermentační technologie

Přes zvyšující se zájem o anaerobní fermentaci zvířecích exkrementů nejsou stále dostupné cenově přijatelné bioplynové stanice pro běžnou farmu. Proto se výkaly zvířat obvykle skladují v aerobních lagunách. Systém zakrytých lagun, schopných zajistit anaerobní fermentaci, se zdál být teoreticky slibný s ohledem na jednoduchost a nižší náklady. Ovšem prakticky se zakrývání lagun s nezbytnou tepelnou izolací ukázalo jako neproveditelné. Zájem se pak obrátil k fermentorům tankového -nádržového typu. Pod názvem MSW se nyní v Ontariu ověřuje fermentační systém pro slaměný, kašovitý substrát (mrva z chovu skotu) využívaný také v Evropě.

Obnovitelné "bionaftové" technologie

Bionafta se vyrábí z rostlinných olejů, odpadových tuků a mazadel a živočišných tuků. Poté, co US EPA zaregistrovala bionaftu jako legální motorové palivo, stoupl počet výrobců na pět a vzrostlo množství produkovaného kombinovaného paliva s 20 % bionafty a 80 % motorové nafty z ropy, označovaného kódem B 20.

Bionafta může být bez problémů využívána ve všech stávajících dieselových (vznětových) motorech, aniž by bylo nutno měnit cokoliv na motorech nebo systému distribuce. V přírodě je rychle a plně odbouratelná a snižuje emise ve výfukových plynech motorů. V posledních pěti letech byly také vyvinuty technologie přimíchávání čistého etanolu nebo je modifikací do paliv pro dieselové motory až do podílu 15 %.

Termochemické technologie

V posledních dvaceti letech bylo dosaženo významného pokroku i v termochemických technologiích. Několik podniků ověřovalo míchání a společné spalování uhlí s dřívím. Zcela nová koncepce byla ověřována v Horním Středozápadě. Spočívá v těžbě celých kmenů stromů, jejich dopravě až do zpracovatelského podniku s kotelnou, jejich usušení odpadovým teplem -horkým vzduchem ve zvláštních komorách na poloviční obsah vody (kolem 25 %). Dřevo se potom spaluje, resp. zplynuje v poměrně velkých kusech. Zplyňování dřeva probíhá bez přístupu vzduchu (kyslíku) na dřevní plyn s vyšší výhřevností (450 až 500 Btu/sf). Pozn.: (1 Btu = 1,05435 kJ, 1 scf = 0,02831685 m³⁾. Tato metoda se nyní uplatňuje ve dvou velkých podnicích.

Pokroku bylo také dosaženo v malých modulárních elektrických generátorech, využívajících biopaliva, náklady jsou však zatím vysoké. Zato byly úspěšně ověřeny palivové články na výrobu elektřiny s využitím bioplynu z čistíren odpadových vod a skládek odpadků. Kromě toho se zde používají běžné plynové motory v agregátech na výrobu elektřiny, neboť tato technika je dostatečně vyspělá.

Některé společnosti dodávají na trh malé termochemické agregáty na využívání zplynované práškové biomasy s výkonem 12 až 400 kW, určené především pro rozvojové země. Několik výrobců dodává malé spalovací turbíny s výkony o rozsahu 30 až 75 kW. Tyto "mikroturbíny" jsou miniaturními spalovacími trubinami, jejichž rychloběžná rotační součást -vlastní turbína se ve vysokých otáčkách pohybuje na "vzduchových" ložiskách.

Technologie, které na základě "rychlé" pyrolýzy vyrábějí vysoce kvalitní pyrolýzní olej (většinou z dřevních pilin), se už dostaly v posledních letech na komerční úroveň. Ačkoliv hlavní upotřebení kvalitního dřevního oleje je v oblasti biochemie, vyskytující se případy výzkumu jeho užití i jako náhradního paliva, například po úpravě pro pohon pomaloběžných lodních a podobných (velkoobsahových) dieselových motorů nebo spalovacích turbín.

Technologie etanolu a jeho trhy

Technologie výroby etanolu vyzrála natolik, že se stala velice efektivní i z hlediska státu. Například Sdružení New Generation Cooperatives v Minnesotě zahrnuje 15 velkých výroben etanolu s výrobní kapacitou 57 milionů litrů. Z toho 13 výroben je majetkem farmářských družstev. Stát Minnesota podporuje výrobu technického lihu až 20 centy na vyrobený galon.

Organizace New Generation Cooperatives umožňuje farmářům uplatnit svou produkci kukuřičného zrna v některé výrobně etanolu, a tak se dostat přímo k finančním prostředkům. Farmář je zavázán dodat do lihovaru smluvní množství, další nadprodukci může libovolně prodat, zejména jsou-li ceny na volném trhu vyšší. Pokud jsou ale ceny na trhu nižší, může farmář dodat kukuřici do lihovaru i nad smluvní množství, a to za cenu uvedenou ve smlouvě. Tak jsou farmáři chráněni před negativními výkyvy cen na volném trhu.

Mokré výpalky z výroby lihu z kukuřice se používají ke krmení skotu (25 000 krav), aniž by se sušily, jak bylo dříve obvyklé -skotu to údajně vyhovuje.

Odpady ze živočišné výroby se předávají do bioplynové stanice a vyrobený bioplyn slouží k energetickým účelům v lihovaru. Kapalná frakce odpadu z bioplynové stanice se zapravuje jako hnojivo na kukuřičné pole. Obdobně se používá tuhá frakce výstupů z bioplynové stanice. Tím je okruh uzavřen na výjimečně vysoké ekologické a ekonomické bezodpadové úrovni.

Trhy pro odbyt etanolu neustále rostou vzhledem ke snahám o snížení nepříznivých emisí ve výfukových plynech motorů a nahrazení určitého podílu benzinu domácím etanolem. Už se vyrábějí pohonné směsi s přídavkem 10 až 85 % etanolu pod označením E 10 až E 85. Jsou vyráběna tzv. "pružná vozidla" (FFVs), jejichž motory jsou vyvinuty tak, že pracují na 100% benzin, nebo směsi s podílem až 85 % etanolu. Jejich ceny jsou srovnatelné s cenami standardních vozidel a některé se již prodávají. Díky tomuto vývoji a růstu odbytu pracovalo v roce 2000 v USA již 58 velkých lihovarů s celkovou výrobní kapacitou 6,8 miliard litrů ročně a plánuje se otevření dalších 13 lihovarů (většinou na zpracování kukuřice).

Technologie výroby etanolu z celulózy mají řadu variant přes tradičné roztokové procesy a procesy využívající kyseliny k procesům enzymatickým. Další procesy jsou založeny na termochemickém zplynování a katalytické konverzi vzniklého plynu na etanol. Zcela nové jsou procesy, při kterých z biomasy vyrobený plyn prochází ("probublává") biofermentorem, kde speciální mikroorganismy využívají plyn k produkci etanolu.

Biorafinerie a integrovaný systém

Nové druhy zpracování biomasy se realizují v tzv. "biorafineriích". Nejlepším příkladem jsou mlýny vlhkého kukuřičného zrna pro potřeby lihovarů. Jedná se o kombinovanou výrobu založenou na zpracování vlhkého zrna, při které se oddělují klíčky, olej a další produkty a získává se kukuřičný fruktózový sirup pro výrobce cukrovinek nebo výrobce etanolu, podle potřeb a podmínek na trhu.

Biorafinerie se vyznačují tím, že celý proces výroby je soustředěn "pod jednou střechou" a pod jedním vlastníkem. Tak může být zpracování vedeno k velmi vysoké úrovni kvality výrobků, s minimalizovanými odpady (prakticky bezodpadově) a s maximálně možnými zisky.

Ostatní faktory

Převážná část nových biotechnologií byla vyvinuta ve státních laboratořích a výzkumných ústavech nebo v menších soukromých vývojových společnostech. Vývoj systémů pro využívání biomasy je dominantní v dřevozpracujícím průmyslu.

Fosilní paliva zatím dominují na trhu energií, přesto podíl bioenergie neustále stoupá. Obnovitelné zdroje energie se podílejí 7 % na celkovém krytí energetických potřeb USA, z toho vodní energie kryje 45 % a biomasa také 45 %.

Biomasa může konkurovat trhu fosilních paliv, jen pokud dosáhne stejné nákladovosti. Největšími překážkami rychlejšího rozvoje jsou však netechnické bariery. Zastaralá politická a veřejná stanoviska mohou udolat i perfektní technologie.

Phil Badger,

prezident General Bioenergy Inc.

(Článek byl uveřejněn v časopise BIO CYCLE č. 12 z roku 2001, str. 36-41. Přeložil Ing. Václav Sladký, CSc., Poradenské a konzultační středisko VÚZT Praha 6)

(Redakčně kráceno)