SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA

V NITRE

TECHNICKÁ FAKULTA1132721

NÁZOV FAKULTYNÁZOV VYSOKEJ ŠKOLY

VYUŽITIE FYZIKÁLNÝCH METÓD PRI HODNOTENÍ

KVALITY BIOPALÍV

2011 Ján Hnát

SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA

V NITRE

TECHNICKÁ FAKULTA

VYUŽITIE FYZIKÁLNÝCH METÓD PRI HODNOTENÍ

KVALITY BIOPALÍV.

BAKALÁRSKA PRÁCA

Študijný program: Prevádzková bezpečnosť techniky

Študijný odbor: 2386700 Kvalita produkcie

Školiace pracovisko: Katedra fyziky

Školiteľ: RNDr. Vlasta Vozárová, PhD.

Konzultant:

Nitra, 2011 Ján Hnát

Čestné vyhlásenie

Podpísaný Ján Hnát vyhlasujem, že som bakalársku prácu na tému „Využitie

fyzikálnych metód pri hodnotení kvality biopalív“ vypracoval samostatne s použitím

uvedenej literatúry .

Som si vedomý zákonných dôsledkov v prípade, ak hore uvedené údaje nie sú

pravdivé.

V Nitre 5. Mája 2011

Poďakovanie Touto cestou chcem poďakovať pani RNDr. Vlaste Vozárovej, PhD. Za odborné

vedenie, pomoc, pripomienky a cenné rady pri vypracovaní mojej bakalárskej práce.

ABSTRAKT

V posledných rokoch sa do popredia dostáva otázka využitia a hľadania nových

obnoviteľných zdrojov energie, vzhľadom na zvyšujúcu sa energetickú náročnosť

obyvateľstva.

Bakalárska práca obsahuje problematiku využitia fyzikálnych vlastnosti pri

hodnotení kvality biopalív. V prvej časti sú bližšie rozobrané jednotlivé obnoviteľné

zdroje energie so zameraním sa na definíciu biomasy a jej rozdelenie. V hlavnej časti sú

predstavené biopalivá, ich rozdelenie a najdôležitejšie zdroje. V neposlednom rade sú

rozpísané fyzikálne vlastnosti, ktorých znalosť je nevyhnutná na zistenie kvality

biopalív.

Kľúčové slová: biomasa, biopalivo, obnoviteľné zdroje, fyzikálne vlastnosti.

ABSTRACT

In recent years, the question of using and searching for new renewable energy sources

has been obtaining into public consideration by increasing energy demands of the

population.

Bachelor thesis deals with the issue of the use of physical method in assessing the

quality of liquids.

The first part discusses various renewable energy sources focusing on the definition of

biomass and its division. Biofuels, their classification and the most important resources

are presented in the main part of the thesis. Finally, physical method, mainly the

features, which knowledge is essential for obtaining high-quality biofuels are written in

detail.

Keywords: biomass, biofuel, physical properties, renewable resources

ZOZNAM POUŽITÝCH OZNAČENÍ

ETBE – etyl-tri-butyl-éter

MERO- metyl este repky olejnej

RME – metyl ester repkového semena

MTBE – metyl-tri-butyl-éter

DME- di metyl éter

OBSAH

ÚVOD ......................................................................................................................... 9

CIEĽ PRÁCE ......................................................................................................... 10

METODIKA PRÁCE.............................................................................................11

1 Obnoviteľné zdroje energie ........................................................................... 12

1.1 Geotermálna energia .......................................................................................... 12

1.2 Slnečná energia .................................................................................................. 12

1.3 Vodná energia .................................................................................................... 12

1.4 Veterná energia .................................................................................................. 13

1.5 Biomasa ............................................................................................................. 13

2 Biomasa ................................................................................................................. 14

2.1 Definícia biomasy .............................................................................................. 14

2.2 Delenie biomasy ................................................................................................. 14

2.3 Spracovanie biomasy .......................................................................................... 15

2.4 Výhody a nevýhody používaní biomasy pre energetické účely ...........................16

2.5 Metódy výroby energie z biomasy .......................................................................17

3 Biopalivá ................................................................................................................ 19

3.1 Definícia pojmov oblasti biopalív ...................................................................... 19

3.2 Kvapalné biopalivá ..............................................................................................21

3.2.1 Metanol – Metylalkohol ............................................................................. 22

3.2.1.1 Použitie metanolu v spaľovacích motoroch ............................................ 23

3.2.2 Etanol – Etylalkohol .................................................................................. 25

3.2.2.1 Použitie etanolu v spaľovacích motoroch ............................................... 26

3.2.3 Bionafta – rastlinné oleje ............................................................................ 28

3.3 Plynné biopalivá ................................................................................................. 31

3.3.1 Bioplyn ....................................................................................................... 31

3.3.1.1 Energetická bilancia bioplynu ................................................................. 34

3.3.2 Skládkový plyn ........................................................................................... 35

3.3.3 Drevoplyn ................................................................................................... 36

3.3.4 Plynné biopalivá v motorových vozidlách ................................................. 36

3.3.5 Používanie bioplynu v spaľovacích motoroch ........................................... 38

3.4.1 Pevné palivá ............................................................................................... 39

3.4.1.1 Drevo – výroba tepla ............................................................................... 40

3.4.1.2 Drevo ako palivo ..................................................................................... 41

3.4.1.2.1 Brikety .................................................................................................. 41

3.4.1.2.2 Štiepky .................................................................................................. 42

3.4.1.2.3 Pelety .................................................................................................... 43

3.4.1.3 Spotreba paliva ........................................................................................ 43

3.4.1.4 Slama ako palivo ......................................................................................43

3.4.1.5 Rýchlorastúce dreviny ..............................................................................44

4 Fyzikálne vlastnosti............................................................................................. 45

4.1 Vlhkosť, metódy merania .................................................................................... 46

4.2 Hustota ................................................................................................................. 49

4.3 Spalné teplo ..........................................................................................................49

4.4 Výhrevnosť............................................................................................................50

4.5 Viskozita .............................................................................................................. 50

5 Záver ....................................................................................................................... 52

6 Zoznam použitej literatúry .............................................................................. 53

ÚVOD

V uplynulom desaťročí stúpla energetická náročnosť života stoviek miliónov

ľudí v ekonomicky vyspelých krajinách a rast materiálneho bohatstva spotrebu energií

naďalej zvyšuje. Tento trend je zjavný aj v rozvojových krajinách. Globálny dopyt po

energiách bude v nadchádzajúcich rokoch a desaťročiach ovplyvňovať hospodársky

rast. V súčasnosti približne 40 % dopytu v kombinovanej výrobe energie a viac ako

70 % spotreby energie na dopravu pokrýva ropa. Podľa prognóz bude svetový dopyt po

energiách v najbližších desaťročiach stúpať, čo povedie k nárastu spotreby ropy a

zemného plynu a zvýšeniu emisií oxidu uhličitého.

Aj keď sú v súčasnosti svetové zásoby ropy relatívne veľké a náhly nedostatok

nehrozí ani v nadchádzajúcich desaťročiach, koniec ropnej éry je neodvratný. Preto je

potrebné pripravovať sa naň už teraz využívaním obnoviteľných zdrojov energie.

Druhým dôvodom záujmu o obnoviteľné zdroje energie je nerovnomerné rozmiestnenie

zásob ropy a zemného plynu, keď sa veľká časť ložísk nachádza v geopoliticky

nestabilných oblastiach.

Ďalším nezanedbateľným dôvodom je skutočnosť, že využívanie fosílnych palív

ako zdroja energie má negatívny dopad na životné prostredie. Vďaka zvyšovaniu

kvality motorových palív klesol v ekonomicky vyspelých častiach sveta obsah síry,

olova a emisie nežiaducich oxidov takmer na nulu. Najväčším problémom zostala

nadmerná tvorba oxidu uhličitého spôsobujúca klimatické zmeny.

Zníženie oxidu uhličitého uvoľňovaného do atmosféry môžeme docieliť

redukciou spotreby fosílnych palív a širším využívaním zdrojov obnoviteľných energií,

ktoré nespôsobujú intenzívne hromadenie oxidu uhličitého v atmosfére Zeme. Opatrenia

na úsporu energií a nahradenie časti palív ropného pôvodu biopalivami rastlinného

pôvodu by mohli rast spotreby fosílnych palív spomaliť a znížiť produkciu emisií oxidu

uhličitého spôsobujúcich skleníkový efekt. Využívanie motorových palív s obsahom

zložiek rastlinného pôvodu má pre blízku budúcnosť kľúčový význam.

9

CIEĽ PRÁCE

Bakalárska práca sa zaoberá problematikou biopalív a možnosťami využitia

fyzikálnych metód pri hodnotení kvality biopalív. Obsah práce je zameraný na prehľad

obnoviteľných zdrojov energie, charakteristiku a rozdelenie biomasy so zameraním sa

na vlastnosti a možnosti využitia pevných, kvapalných a plynných biopalív. Cieľom

bakalárskej práce je spracovať prehľad o fyzikálnych vlastnostiach biopalív

relevantných z hľadiska technologického využitia. Podrobnejšie je v práci uvedený

prehľad metód merania vlhkosti.

10

METODIKA PRÁCE

Pre splnenie cieľov bakalárskej práce je navrhovaná rámcová metodika:

1. Spracovanie prehľadu o obnoviteľných zdrojoch energie so zameraním sa na

biomasu, resp. biopalivá.

2. Spracovanie prehľadu o fyzikálnych vlastnostiach biopalív so zameraním sa na

obsah vody v biopalivách.

3. Prehľad metód merania vlhkosti.

4. Predbežná formulácia obsahu a cieľov diplomovej práce.

11

1. OBNOVITEĽNÉ ZDROJE ENERGIE

1.1 Geotermálna energia

Geotermálna energia je taktiež zaradená medzi obnoviteľné zdroje, aj keď sa

v pravom zmysle slova nejedná o obnoviteľný zdroj. Potenciál geotermálnej energie

ukrytej 6 km pod zemskou kôrou je 50 000-násobok energie všetkých známych

svetových zdrojov ropy a zemného plynu. Jej povrchovými prejavmi sú erupcie sopiek

a gejzírov, horúcich prameňov či parných výronov, čiže geotermálne procesy. Pôvod

energie je v horúcom jadre Zeme, v teple uvoľňovanom pri rádioaktívnom rozpade

hornín a pri pohybe litosferických platní, pričom teplo je uvoľňované nepretržite

a na každom mieste (MAGA, 2010).

1.2. Slnečná energia

Slnečná, resp. solárna energia, ktorá sa skladá z tepelnej a svetelnej energie je

energia získaná zo Slnka. Slnečné žiarenie sa po dopade na zem premieňa na iné formy

energie: na tepelnú energiu, mechanickú energiu a na chemickú energiu. Slnečnú

energiu môžeme získať prostredníctvom aktívnych solárnych systémov, kam patria

ploché slnečné kolektory, koncentrické kolektory a slnečné fotovoltaické články,

a pasívnych solárnych systémov- ide o ohrev vnútorných priestorov budov pomocou

slnečných lúčov. Patria sem rôzne zimné záhrady, presklené strechy, atď.

(MAGA,2010).

1.3. Vodná energia

Vodné elektrárne využívajú tú skutočnosť , že voda je v neustálom pohybe-

voda z jazier, riek a morí sa vyparuje , vytvoria sa oblaky a voda sa dostáva na zemský

povrch vo forme zrážok. Kinetická energia vody sa považuje za environmentálne

prijateľnú, nakoľko pri výrobe elektrickej energie nevznikajú žiadne odpady a emisie.

Vodná energia je najvýznamnejším obnoviteľným zdrojom energie, v celosvetovom

meradle pokrýva viac ako 18% vyrobenej elektrickej energie, jej technológia využitia je

najrozvinutejšou medzi obnoviteľnými zdrojmi (MAGA, 2010).

12

1.4. Veterná energia

Veterná energia je v súčasnosti najrýchlejšie rastúcim zdrojom energie.

Najväčšou výhodou využitia je fakt, že neprodukuje žiadne odpady, neznečisťuje

ovzdušie a nemá negatívny vplyv na životné prostredie ľudí, resp. vietor ako primárny

zdroj energie je zadarmo. Ďalej má veľmi dobrú energetickú a environmentálnu

bilanciu. Moderné veterné turbíny produkujú minimum hluku (MAGA, 2010).

1.5. Biomasa

Na Obr.1a je percentuálne zobrazený súčasný stav využívania zdrojov energie na

Slovensku. V grafe na Obr.1b je vyobrazený technicky využiteľný potenciál zdrojov

energie.

Obr.č.1a. : Potenciál využívania zdrojov energie v SRZdroj: http://www.tzb-info.cz/3983-potencial-vyuzitia-biomasy-na-slovensku

Obr. č.1b.: Potenciál využiteľnosti zdrojov energie v SRZdroj: http://www.tzb-info.cz/3983-potencial-vyuzitia-biomasy-na-slovensku

13

2. BIOMASA

2.1. Definícia biomasy

Biomasa je významný palivový zdroj, ktorý už dnes zaisťuje jednu sedminu

spotrebovanej energie vo svete (MAGA, 2006). Pod pojmom biomasa sa rozumie

akýkoľvek organický materiál, rastlinného alebo živočíšneho pôvodu získaný

z poľnohospodárskej a lesníckej výroby a z vedľajších produktov, ako aj

z priemyselných a mestských odpadov, ktorý je využívaný ako surovina pre výrobu

bioenergie a biomateriálov (MAGA, 2010). Biomasa sa považuje za obnoviteľný zdroj

energie, pretože na regeneráciu využitých zásob je potrebná iba krátka doba.

Dominantným zdrojom bioenergie je v súčasnosti pevná biomasa a tento trend by sa

nemal v najbližšom desaťročí v Európe zmeniť(PISZCZALKA, 2006).

Organická hmota či už v takej či inej forme dokáže poskytnúť všetky užitočné

formy energie- teplo, elektrinu a tiež kvapalné palivá pre motorové vozidlá. Ak

hovoríme o rastlinách, používame pojem fytomasa. V tomto prípade ide

o zakonzervovanú slnečnú energiu, ktorú rastliny vďaka fotosyntéze premieňajú na

organickú hmotu. V prípade biomasy drevín pomenovanie je špecifické na dendromasa

(PISZCZALKA, 2006).

Podskupinou biomasy, poľnohospodárska biomasa, je biomasa produkovaná

priamo poľnohospodárskymi aktivitami zahŕňajúce zrno obilnín, produkty z repy

a trstiny cukrovej, olejniny, ostatné orné plodiny a vedľajšie rastlinné produkty ako

napr. slama, trávy, dreviny, vedľajšie živočíšne produkty, napr. hnoj a živočíšne tuky.

2.2. Delenie biomasy

Podľa zdroja vzniku je možné biomasu rozdeliť na

• poľnohospodársku biomasu, kde patrí fytomasa (napr. obilná slama, obilie,

konope atď.) a živočíšna biomasa- zoomasa (napr. exkrementy, odpady atď.)

• lesnú biomasu- dendromasa- palivové drevo, konáre, pne, kôra, piliny

• priemyselné a komunálne odpady.

14

Pre energetické účely sa hlavne pestujú rýchlorastúce dreviny ako sú vŕba a

topoľ. Veľký potenciál v sebe ukrýva slama z obilnín a to hlavne z repky olejnej, keďže

samotná slama nemá následne využitie ako napríklad slama z obilnín, ktorá sa používa

ako podstielka v živočíšnej výrobe.

Z poľnohospodárskych plodín sa ako zdroje biomasy využíva triticale, kukurica

a ozdobnica čínská. Triticale je hybrid pšenice (Triticum) a raže (Secale) s relatívne

vysokou produkciou nadzemnej fytomasy, ozimného a jarného typu, vhodná pre menej

priaznivé podmienky.

Kukurica je jednoročná rastlina, vysoko náročná na agrotechniku a výživu.

Pestovanie a využitie produkčnej schopnosti kukurice , v priaznivých aj menej

priaznivých podmienkach, dáva široký výber vhodných hybridov.

Ozdobnica čínska je tráva vysokého vzrastu, dosahujúca za priaznivých

podmienok vysokých výnosov sušiny, ktorá dobre využíva slnečnú energiu, vodu,

živiny. Je odolná voči chorobám a škodcom. (PISZCZALKA, 2006).

2.3. Spracovanie biomasy

Rôzne formy biomasy podliehajú rôznemu spracovaniu. Spracovanie začína

zberom plodiny , pri ktorej sa využívajú špeciálne stroje na zber daného produktu, alebo

ťaženie dreviny, kam patrí aj manuálne vypílenie alebo opracovanie dreviny. Prvotný

produkt podlieha zväčša štiepkovaniu alebo drveniu, týmto sa zväčšuje merná hmotnosť

biomasy. Takto spracovaná biomasa sa ďalej filtruje. Významná operácia

v technologickom procese je sušenie, pretože od obsahu sušiny sa odvíja efektívnosť

využitia suroviny. Dosušenie sa zväčša deje pod hranicu 10 % vlhkosti suroviny. Takto

ošetrená biomasa je pripravená na spaľovanie.

Jednou z foriem dendromasy sú brikety, čiže biomasou z dreva. Sú vyrobené

z odpadu drevospracujúcich podnikov a píl. Nepoužívajú sa chemicky ošetrené alebo

inak upravené piliny z nábytkárskych spoločností. Takéto piliny sú za vysokej teploty a

tlaku vytvarované do požadovaného tvaru. Vysoká teplota je dôležitá pre jednak

dodatočné vysušenie a hlavne pre zatavenie samotnej brikety. (PISZCZALKA, 2006).

15

2.4. Výhody a nevýhody používania biomasy pre energetické účely

Výhody:

• v porovnaní s fosílnymi palivami je biomasa obnoviteľným a stabilným zdrojom

energie

• biomasa sa z hľadiska produkcie skleníkových plynov považuje za neutrálne palivo

(množstvo vznikajúceho CO2 pri spaľovaní biomasy je skoro rovnaké množstvu,

ktoré sa spotrebuje pri raste biomasy)

• biomasa je energetická surovina produkovaná na našom území každoročne

• nízky obsah síry

• zvyšuje nezávislosť na dovoze primárnych zdrojov energie

• z ekonomického hľadiska a z hľadiska odpadového hospodárstva je zväčša

druhotnou surovinou

• zlepšuje sociálne pomery z hľadiska zamestnanosti

• aktivuje rozvoj nových vedných odborov

• prispieva k ochrane životného prostredia a poľnohospodárskej pôdy

• umožňujú využiť plochy, ktoré nie sú vhodné na potravinársku výrobu

Nevýhody:

• vplyvom spracovania a dopravy niekedy cena biomasy prevyšuje cenu fosílnych

palív

• spoľahlivosť dodávky do energetickej výrobne môže byť nižšia v porovnaní s inými

druhmi palív

• sezónnosť pestovania energetických rastlín si vyžaduje skladovanie v pomerne

veľkom rozsahu

16

• menšia účinnosť a nižší výkon dostupných zariadení na energetické využitie

biomasy v porovnaní s fosílnymi palivami

• nebezpečenstvo úniku škodlivých látok pri niektorých technológiách (prach, NOx,

pevné a kvapalné odpady)

• potreba moderných technologických zariadení

• nižšia výhrevnosť

• špeciálna úprava základnej formy biomasy

• zložitá manipulácia s palivom

• dlhá návratnosť

2.5. Metódy výroby energie z biomasy

Medzi metódy výroby energie z biomasy patrí :

• priame spaľovanie, kam zahŕňame výrobu tepla na vykurovanie, ohrev teplej

úžitkovej vody a technologického tepla, sušenie produktov, výroba elektriny,

fytomasa rastlín (slama), dendromasa ( palivové štiepky , palivové drevo, odpady po

spracovaní dreva), energetické rastliny (ozdobnica čínska, cirok, štiav, konope,

topoľ, vŕba, agát).

• Termochemické spracovanie pyrolýza alebo splyňovanie- výroba bioplynu

s následnou kombinovanou výrobou tepla a elektriny kogeneráciou- exkrementy

hospodárskych zvierat, zelené rastliny, siláž, dendromasa.

• Biologické procesy anaeróbne hnitie alebo fermentácia – výrobu biopalív vo forme

metylesterov či etylesterov rastlinných olejov ako zložka do motorovej nafty- repka,

obilie, alebo vo forme bioalkoholu ako zložka do benzínov - kukurica, obilniny,

cukrová repa, zemiaky, a očakáva sa ich ohlásenie nových technológií

umožňujúcich rozklad dendromasy v smere získavania bioetanolu a nádejné sú

i nové technologické postupy umožňujúce rozklad celulózy a lignínov na

biobutanol.

17

Obr. 2: Biomasa ako zdroj energie

Zdroj: www.peletky-brikety.sk/ biomasa_formy.php

Využitie biomasy a zhodnotenie ekonomických prínosov jej vyššieho

využívania je náročná úloha interdisciplinárneho charakteru. Jeden z hlavných

parametrov biomasy je funkcia energonosiča, v ktorej prostredníctvom fotosyntetických

reakcií dochádza ku konzervovaniu primárnej slnečnej energie. Z uvedeného dôvodu

bude posudzovanie biomasy z hľadiska energetického obsahu a využitia procesov

premeny energií do foriem lepšie využiteľných človekom nosnou úlohou. Biomasa

svojou podstatou umožňuje premenu jej energetického obsahu najmä na:

produkciu tepla

produkciu tepla a elektrickej energie

produkcie tepla, chladu a elektrickej energie

produkciu ušľachtilejších foriem pohonných hmôt a biogénnych palív resp. ich

kombináciu

Podľa Združenia pre poľnohospodársku biomasu, 1m3 zemného plynu možno nahradiť

2,5 kg biomasy. Pri využití 2,5 milióna ton biomasy by sme teda vedeli nahradiť až

800 miliónov m3 zemného plynu. Ak by sme na Slovensku nahradili zemný plyn

biomasou, Slovensko by ročne ušetrilo 199,16 milióna euro (MAGA, 2010).

18

3. BIOPALIVÁ

Palivo je horľavina rastlinného alebo nerastného pôvodu, pri spaľovaní ktorého

vzniká teplo. Palivá môžeme rozdeľovať na

1. Primárne – neobnoviteľné zdroje. Sú získané z nerastného bohatstva a hovorí sa im

fosílne palivá. Tvoria ich ropa, uhlie, zemný plyn, bután, antracit a iné. Nevýhodou je,

že ich zdroje sú limitované, pričom práve v dnešnej dobe sú rozhodujúcimi surovinami

pre chemický priemysel.

2. Druhotné – alternatívne zdroje energie. Sú to obnoviteľné zdroje energie, ktoré zatiaľ

využívame v malej miere. Dokážu nahradiť primárne zdroje a majú veľké ekologické

výhody.

Pod pojmom biopalivá sa ukrýva veľký počet zdrojov energie organického pôvodu od

dreva až po organický materiál na skládkach komunálneho odpadu. Biopalivá sú

v podstate všetky tuhé, kvapalné a plynné palivá vyrobené z organických látok buď

priamo z rastlín alebo nepriamo z priemyselných, poľnohospodárskych alebo domácich

odpadov(MAGA, 2010).

3.1. Definícia pojmov v oblasti biopalív

Smernica 2003/30/ES používa následné definície, ktoré je potrebné používať vo

všetkých textoch:

1. ,, biopalivá ‘‘ sú kvapalné alebo plynné motorové palivá pre dopravu, vyrobené

z biomasy.

2. ,, biomasa “ je biologicky degradovateľná frakcia produktov, odpadov a zvyškov

z poľnohospodárskej produkcie (vrátane rastlinných a živočíšnych látok), lesníctva

a príbuzných odvetví, ako aj biologicky degradovateľná frakcia priemyselného

a komunálneho odpadu.

3. „ ostatné obnoviteľné zdroje“ sú obnoviteľné zdroje, iné ako sú biopalivá, ktoré

pochádzajú z obnoviteľných energetických zdrojov v zmysle smernice 2001/77/ES a sú

využívané ako motorové palivá v doprave.

4. ,, energetický obsah “ znamená dolnú hodnotu výhrevnosti paliva.

19

Za biopalivá sa považujú minimálne tieto výrobky:

1. „ bioetanol“ – etanol vyrobený z biomasy, alebo biologicky odbúrateľného podielu

odpadu, využívaný ako biopalivo.

2. ,, biodiesel (bionafta)“ metylester vyrobený z rastlinného, alebo živočíšneho oleja,

kvality dieslu, ktorý sa používa ako biopalivo

3. ,, bioplyn“ palivový plyn vyrobený z biomasy, alebo z biologicky odbúrateľného

podielu odpadu, ktorý môže čistením dosiahnuť kvalitu zemného plynu, využívaného

ako biopalivo alebo drevný plyn.

4. ,, biometanol“ metanol vyrobený z biomasy a využívaný ako biopalivo.

5. ,, biodimetyléter“ dimetyléter vyrobený z biomasy a využívaný ako biopalivo.

6. ,,bio-ETBE (etyl-tri-butyl-éter)“ - ETBE vyrobený na báze bioetanolu. Percentuálny

objemový zlomok bio-ETBE, ktorý je považovaný za biopalivo je 47%.

7. ,,bio-MTBE (metyl-tri-butyl-éter)“ – MTBE, ktorý je považovaný za palivo, je 36%.

8. ,,syntetické biopalivá“ sú syntetické uhľovodíky, alebo ich zmesi, vyrobené

z biomasy.

9. ,,biovodík“ je vodík vyrobený z biomasy, alebo biologicky odbúrateľného podielu

odpadu, využívaného ako biopalivo.

10. ,,čistý rastlinný olej“ olej vyrobený z olejnatých rastlín lisovaním, extrakciou alebo

podobnými postupmi, surový alebo rafinovaný, ale chemicky nemodifikovaný ak je

jeho využitie vhodné v príslušnom type motora a zároveň zodpovedá emisným

požiadavkám (TKÁČ a spol., 2008).

20

3. 2. Kvapalné biopalivá

Výroba alkoholu z biomasy pre technické účely je známa už od 30-tych rokov

20 - teho storočia. V súčasnosti sú najdôležitejšími kvapalnými palivami vyrábanými

z biomasy metanol , etanol a bionafta. Do úzadia ustúpilo využívanie bioplynu

a drevného plynu, ktoré boli populárne v období 2.svetovej vojny. Na rozdiel od tuhých

a plynných biopalív sa kvapalné biopalivá využívajú predovšetkým na pohon

motorových vozidiel. Bionafta, vyrábaná z repky olejnatej je jediným kvapalným

biopalivom, ktoré sa využíva aj u nás. Výhodou alkoholových biopalív je, že pri ich

spaľovaní sa tvorí menej škodlivín ako pri spaľovaní ropných palív.

Alkoholové palivá (etanol a metanol) sa vo svete vyrábajú hlavne z obilia,

kukurice a cukrovej trstiny. Ich výhodou je, že sa môžu dopestovať a pri ich spaľovaní

sa tvorí menej škodlivín. Tieto palivá majú jednoduchšiu štruktúru ako benzín, alebo

nafta, lepšie horia a celý proces vedie k menšej tvorbe nespálených zvyškov. Z tohto

pohľadu je metanol lepším palivom ako etanol. Vlastnosti etanolu a metanolu

v porovnaní s benzínom a naftou sú v tab. č. 1

Etanol Metanol Benzín NaftaEnergetická hodnota (MJ.kg-1)

26,9 21,3 43,7 42,7

Bod varu ( ̊C ) 78,3 64,5 99,2 140-360Oktánové číslo 106 105 79-98 -

Tab. č. 1.:Parametre niektorých druhov palív

Zdroj: http://www.inforse.dk/europe/fae/OEZ/biomasa/biomasa.html#kvapalné palivá

V súčasnosti existuje niekoľko závažných dôvodov pre využitie kvapalných

biopalív ako alternatívnych pohonných hmôt. Predpokladaný rast cien fosílnych

kvapalných palív v blízkej budúcnosti, súvisiaci s postupným vyčerpávaním ropných

zdrojov a zvyšovaním technickej náročnosti ťažby z nových nálezísk v budúcich

rokoch. Nadprodukcia poľnohospodárskych produktov najmä vo vyspelých krajinách a

ponuka využiť nadbytočnú pôdu na výrobu produktov pre technické účely. Rovnako

možno využiť aj devastované pôdy, vylúčené z produkcie potravín.

21

Ochrana životného prostredia.

Obsah škodlivých emisií vo výfukových plynoch je v porovnaní s tradičnými

palivami výrazne redukovaný. Biopalivá sú netoxické a úplne biologicky odbúrateľné.

Obsah síry je v nich zanedbateľný a bezpečnosť pri manipulácii je vyššia. Pri spaľovaní

fosílnych palív sa v atmosfére hromadí oxid uhličitý, ktorý je potenciálnym zdrojom

drastických zmien klimatických podmienok na Zemi (PISZCZALKA, 2006).

3.2.1. Metanol- Metylalkohol

Výroba metanolu (metylalkoholu) z dreva je vo svete známa už veľmi dlho.

Metanol tu však často vystupoval len ako vedľajší produkt pri výrobe drevného uhlia.

Takáto výroba sa však vyznačovala veľmi malým výťažkom. Dnes je situácia iná.

Drevné uhlie postupne stratilo na význame a metanol sa stal dôležitým palivom

pre motorové vozidlá. Metanol je pre človeka jedovatá látka. Je to čistá kvapalina bez

zápachu, ktorá sa v prírode vyskytuje len sporadicky. Energetická hodnota jedného litra

metanolu je 18 MJ, avšak účinnosť motora na takéto palivo je vyššia ako v prípade

benzínu (asi o 20%), čo v podstate zvyšuje energetickú hodnotu litra metanolu na

22,5 MJ.

Metanol sa navyše vyznačuje veľkou univerzálnosťou, a tiež sa používa ako

východisková surovina v mnohých chemických procesoch. Metanol je možné vyrobiť

nielen z biomasy, ale aj z niektorých fosílnych palív ako napr. zo zemného plynu alebo

z uhlia. Nevýhodou výroby metanolu z biomasy je, že jeho cena je asi dvojnásobná

v porovnaní so syntetickým metanolom vyrobeným zo zemného plynu. Zaujímavosťou

tiež je, že z metanolu je možné vyrobiť aj benzín, avšak celý proces výroby prebieha

s energetickou stratou, a preto sa nevyužíva. V niektorých prípadoch však takáto výroba

benzínu môže byť výhodná. Inou skutočnosťou je, že metanol je možné previesť na

vysoko oktánové palivo pri relatívne nízkych nákladoch. Výhodou je, že takéto palivo

neobsahuje síru a znečistenie z jeho spaľovania je veľmi nízke.

Pre výrobu metanolu sú dôležité dve otázky: aké množstvo biomasy je potrebné

na výrobu a aký je pomer získanej a vloženej energie z takejto výroby. Zo skúseností

vyplýva, že z jednej tony suchej biomasy je možné vyrobiť asi 700 litrov metanolu. Na

druhú otázku je možné odpovedať, že pomer získanej energie (metanol) a vloženej

22

energie na jeho produkciu je závislý hlavne na spôsobe výroby. Pri výrobe metanolu

z obnoviteľných zdrojov je tento pomer vysoko pozitívny (PISZCZALKA, 2006).

3. 2.1.1.Použitie metanolu v spaľovacích motoroch

Vozidlá jazdiace na metanol sa z hľadiska výkonu a iných charakteristík

(dojazd) , podobajú vozidlám na benzín alebo naftu. Metanol je možné použiť ako

palivo v čistej forme alebo ako zmes. Motor si však vyžaduje istú úpravu. V prípade

naftových motorov je potrebné vozidlá vybaviť pomocným zapaľovacím systémom,

nakoľko cetánové číslo metanolu je nízke. Tieto motory môžu spaľovať tiež zmes

metanolu a nafty. Už pri obsahu niekoľko percent nafty v takejto zmesi nie je potrebné

použiť zapaľovaciu sviečku.

Metanol má vysoký pomer vodíkových atómov a oveľa vyššiu energetickú

hustotu ako skvapalnený vodík. Z tohto dôvodu sa skúma aj jeho použitie v palivových

článkoch, ktoré sú veľmi perspektívnym zdrojom energie pre motorové vozidlá. Emisie

vozidiel na metanol závisia od vstupného materiálu, z ktorého bol vyrobený. Metanol

vyrobený z dreva a použitý ako náhrada za benzín sa vyznačuje nižšími emisiami

všetkých škodlivín (v priemere o 20% až 70 %). Nahradenie nafty za metanol

v naftových motoroch znamená podstatné zníženie emisií tuhých častíc (dymu).

Ekologické prednosti metanolu použitého v nákladnom vozidle

v porovnaní s naftou sú dokumentované v nasledujúcej tabuľke

Zníženie emisííNOx -65%CO -95%

Uhľovodíky -95%Dym -100%

Tab.2.: Prednosti metanolu v porovnaní s naftou

Zdroj : http://www.inforse.dk/europe/fae/OEZ/biomasa/biomasa.html

Metanol má v porovnaní s klasickými palivami niekoľko výhod a nevýhod.

Výhodou je, že výrobné technológie sú v praxi odskúšané, spoľahlivé a široko 23

využívané (výroba alkoholu !?). Výhodou metanolu v porovnaní s etanolom je, že pre

jeho výrobu existuje širší potenciál vstupných surovín.

Metanol má v porovnaní s benzínom výhodu aj v tom, že má vyššie oktánové

číslo približne 105. Benzín má oktánové číslo medzi 92 a 98. Vyššie oktánové číslo

umožňuje vyššiu kompresiu a následne lepšiu účinnosť motora. Výhodou tiež je, že

metanol má vysokú kalorickú hodnotu, umožňuje vyššiu účinnosť spaľovania v motore,

má nižšiu teplotu horenia, produkuje menej škodlivín a vo všeobecnosti predstavuje

menšie riziko. Navyše v porovnaní s etanolom je metanol lacnejší. S metanolom sa tiež

ľahšie zaobchádza ako s benzínom, pretože je menej prchavý, je bezpečnejší pri

dopravných nehodách a prípadný požiar sa dá uhasiť aj vodou, pretože metanol je

rozpustný vo vode. Požiar je možné veľmi jednoducho zlikvidovať aj na malú

vzdialenosť od ohňa, čo je dôsledok nízkej teploty plameňa.

Nevýhodou metanolu je, že spôsobuje rýchlejšiu koróziu kovových materiálov,

má detergentný účinok (odstraňuje oleje z miest, kde sú potrebné) a negatívne vplýva na

plastické materiály. Tieto nevýhody je možné zmierniť použitím odolnejších materiálov

vo vozidlách napr. ocele. Inou nevýhodou je, že metanol má neviditeľný plameň.

Pridaním asi 15% benzínu do metanolu sa však plameň stáva viditeľným.

Nevýhodou je tiež toxicita metanolu tak pri vdýchnutí ako aj pri pôsobení na

kožu (riziko pri čerpaní paliva). V benzínových motoroch metanol spôsobuje väčšie

problémy pri štartovaní pri teplote pod bodom mrazu. Predhriatie paliva podobne ako

v prípade nafty tento problém pomáha vyriešiť.

Nevýhodou metanolu je aj formaldehydový zápach vznikajúci pri studených

štartoch a zahrievaní vozidla. Dobu, počas ktorej tento zápach vzniká, sa podarilo

skrátiť používaním okysličovacích katalyzátorov na dve minúty. Definitívne

odstránenie týchto emisií by malo priniesť zavedenie systému zohrievania zmesi pred

vstupom do katalyzátora.

Energetická hodnota metanolu je asi o polovicu nižšia ako nafty, preto vozidlá

na metanol potrebujú zhruba dvakrát toľko paliva na dosiahnutie toho istého dojazdu.

Podľa analýzy uskutočnenej v Japonsku zahrňujúcej 32 nákladných a

dodávkových vozidiel s hmotnosťou 2 tony jazdiacich na metanol po cestách Tokya

bola priemerná spotreba metanolu 50 litrov na 100 km. Porovnateľné naftové vozidlá

24

mali spotrebu 21 l/100 km. Nevýhodou metanolu je, že je takmer dvojnásobne drahší

ako benzín (PISZCZALKA, 2006).

3.2.2. Etanol- Etylakohol

Etanol je látka, ktorá sa v prírode vyskytuje len sporadicky a jej požívanie

(v malom množstve) na rozdiel od metanolu, nie je pre človeka toxické. Etanol sa dnes

bežne využíva ako náhrada za benzín v spaľovacích motoroch, pričom je to jedno

z najstarších palív. Na toto palivo jazdilo veľké množstvo vozidiel už v 90-tych rokov

19. storočia. Etanol sa však využíva aj na iné účely ako len v doprave. Veľmi dôležité je

jeho uplatnenie v potravinárskom priemysle, a práve táto univerzálnosť je jednou z jeho

hlavných výhod.

Istou nevýhodou výroby etanolu z poľnohospodárskych produktov je

skutočnosť, že v prípade snahy o nahradenie väčšieho množstva klasických palív, by

takáto veľkovýroba v celosvetovom meradle predstavovala konkurenciu k produkcii

potravín. V čase, kedy mnoho ľudí vo svete hladuje, by takáto snaha bola asi sotva

ospravedlniteľná. Navyše pestovaním monokultúr, ktoré by takúto stratégiu

sprevádzalo, by mohli vzniknúť problémy

s biodiverzitou. Pri dnešnom charaktere poľnohospodárskej výroby je tiež na

dopestovanie východiskovej suroviny nevyhnutné používanie veľkého množstva hnojív

a to so sebou prináša ďalšie nevýhody v podobe znečistenie životného prostredia.

Uvedené nevýhody sa však netýkajú výroby etanolu z drevnej biomasy, ktorá sa

ukazuje ako veľmi perspektívna. Podobne to platí aj pri výrobe etanolu z odpadovej

biomasy z poľnohospodárskej produkcie. Problémom výroby etanolu fermentáciou

z celulózy je, že celý proces vedie k malému výťažku pri relatívne vysokých nákladoch.

V súčasnosti je zrejmé, že etanol pravdepodobne nemôže úplne nahradiť klasické

palivá. Pri jeho rozumnej produkcii a použití môže však prispieť k nahradeniu časti ropy

a ozdraveniu životného prostredia , hlavne v mestách.

Hoci energetická bilancia pri výrobe etanolu (podiel získanej a vloženej energie)

je približne polovičná v porovnaní s bionaftou (MERO) výhodou etanolu je, že

z jedného hektára je možné získať viac litrov paliva (4755 litrov) ako v prípade MERO

(asi 1400 litrov). Bilancia výroby etanolu prepočítaná na kg vstupnej suroviny vychádza

25

lepšie, keď sa použije obilie. Na výrobu jedného litra etanolu je potrebných asi 2,8 kg

obilia. V prípade cukrovej repy je to približne 10 kg.

Výrobná cena etanolu spolu s jeho destiláciou sa vo svete pohybuje na úrovni

0,6 USD/l (asi 30 Sk/l). Cena etanolu je dvojnásobná v porovnaní s metanolom, čo platí

aj v prípade jeho syntetickej výroby. Pri tejto cene je jeho využívanie ako paliva v

doprave problematické. (PISZCZALKA, 2006).

3.2.2.1 Použitie etanolu v spaľovacích motoroch

Etanol vyrobený fermentáciou z biomasy je možné použiť buď ako palivo pre

špeciálne skonštruované motory, alebo ako prísadu do benzínov v zastúpení 3 až 15%.

Chemicky zmenený etanol na etylterbutylén (EBTE) sa vo svete postupne stáva

dôležitou prísadou do bezolovnatých benzínov. Zvyšuje oktánové číslo a zlepšuje

kvalitu horenia paliva v motore. Motor na etanol sa v princípe vyznačuje asi 300

odlišnosťami od klasického benzínového motora. Najdôležitejšie rozdiely spočívajú

v tom, že :

motor má vyšší kompresný pomer,

má odlišné valce a tvar spaľovacej komory,

palivová nádrž býva zvyčajne pocínovaná,

palivové čerpadlo, karburátor a palivové potrubie sú vyhotovené

z nehrdzavejúcich materiálov.

Etanol má v porovnaní s inými palivami niekoľko výhod a nevýhod. Výhodou

je, že z hľadiska snahy o nahradenie klasických palív vo svete existujú dostatočné

výrobné kapacity s overenou technológiou výroby. Z hľadiska činnosti motora je

dôležité, že etanol má vyššie oktánové číslo ako benzín - približne 106. Benzín má toto

číslo 91 až 98. Vyššie oktánové číslo umožňuje vyššiu kompresiu a následne lepšiu

účinnosť motora. Pre naftové motory je rozhodujúce cetánové číslo paliva. Čím nižšie

cetánové číslo, tým dlhší čas je potrebný pre kompresné zapálenie zmesi. Alkohol

(metanol aj etanol) má nižšie cetánové číslo ako nafta.

Výhody používania etanolu v motorových vozidlách je možné zhrnúť nasledovne:

26

• etanol je dokonalejšie spaľovaný v motore,

• zaručuje vyšší výkon a otáčky motora,

vykazuje nižšie emisie v spalinách.

V sociálnej a ekonomickej oblasti výhody zahrňujú hlavne:

tvorbu pracovných príležitostí v poľnohospodárstve pri pestovaní vstupnej

suroviny,

zlepšenie príjmov ekonomicky slabších vrstiev obyvateľstva podieľajúcich sa

na pestovaní,

zníženie závislosti na dovoze ropy.

Nevýhodou etanolu je, že spôsobuje rýchlejšiu koróziu kovových materiálov, má

detergentný účinok (odstraňuje oleje) a napadá plastické hmoty. Navyše nevýhodou je,

že výpary majú negatívny účinok na ľudský organizmus a ovplyvňujú vodičovu

schopnosť viesť motorové vozidlo. Tieto výpary môžu byť problémom hlavne pri

čerpaní pohonných hmôt. Etanol sa taktiež vyznačuje horším štartovaním motora pri

nízkych okolitých teplotách.

Iné nevýhody použitia etanolu spočívajú v tom, že v dôsledku nižšej

energetickej hustoty v jednom kilograme paliva majú vozidlá vyššiu spotrebu. Navyše

pri spaľovaní dochádza k vyššej tvorbe aldehydov vo výfukových plynoch. V USA sa

na odstránenie týchto škodlivín používajú vo vozidlách katalyzátory, ktoré znižujú tieto

emisie o 80%.

Emisie motorových vozidiel spaľujúcich etanol závisia na vstupnej surovine,

z ktorej bol etanol vyrobený. Vo všeobecnosti platí, že emisie zo spaľovania etanolu sú

nižšie ako v prípade benzínu, pričom emisie CO, tuhých častíc a organických látok sú

približne o polovicu nižšie a emisie N2O asi o jednu štvrtinu nižšie ako emisie z

benzínových motorov.

Problémom sú však už vyššie uvedené emisie aldehydov.

Pozitívny prínos pre životné prostredie má aj používanie zmesi napr. 10% etanolu a

90% benzínu. Takéto palivo používané hlavne v USA znižuje tvorbu CO o viac ako

25% v porovnaní s akýmkoľvek iným benzínom. Etanol je málo reaktívny s vysokým

27

oxidačným účinkom (obsah kyslíka), čím sa podieľa aj na znižovaní tvorby ozónu.

Etanol je tiež bezpečnou náhradou za toxické prísady na zvyšovanie oktánového čísla

benzínu ako sú benzén, toluén a xylén. Navyše etanol, tým že je vyrábaný z biomasy,

znižuje tvorbu kysličníka uhličitého - najdôležitejšieho skleníkového plynu

(PISZCZALKA, 2006).

3. 2.3. Bionafta - rastlinné oleje

Rastlinný olej je možné získať z viac ako 300 druhov rôznych rastlín, medzi

ktorými je napr. repka olejnatá, slnečnica, oliva, sója, kokosový orech a i. Olej sa v nich

nachádza v semenách alebo plodoch. Napriek tomu, že medzi takýmito olejmi existujú

značné rozdiely vo viskozite, všetky je možné použiť v naftových motoroch ako

náhradu za naftu. O tom, že R. Diesel, konštruktér naftového motora, sa vážne zaoberal

rastlinnými olejmi svedčí aj fakt, že už v roku 1900 predstavil na svetovej výstave

v Paríži motor, ktorý bežal na olej z búrskych orieškov. V roku 1912 Diesel napísal, že

"hoci je použitie rastlinných olejov v súčasnosti bezvýznamné, v budúcnosti budú tieto

oleje tak isto dôležité, ako sú petrolej alebo uhlie". Tieto slová sa však doteraz

nenaplnili, pretože benzín a nafta svojimi vlastnosťami predstihli oleje, a preto ich

z trhu automobilových palív veľmi skoro vytlačili. Po vypuknutí prvej ropnej krízy

v roku 1973 sa problematikou využitia bionafty začali konštruktéri znovu zaoberať.

Navyše v dôsledku intenzívneho rastu produkcie poľnohospodárskej výroby a

nadprodukcie potravín vlády vyspelých krajín začali podporovať poľnohospodárov

v prechode na pestovanie technických plodín, kam patrí aj bionafta - najčastejšie

využívaná forma rastlinných olejov v doprave.

Význam bionafty je hlavne v tom, že takmer každý naftový motor je v princípe

možné upraviť na spaľovanie bionafty. Pokiaľ sa zoberie do úvahy skutočnosť, že až

90% prepravy tovarov a osôb sa v súčasnosti vykonáva dopravnými prostriedkami

spaľujúcimi naftu (nákladné vozidlá, autobusy, lokomotívy, lode, traktory atď.),

predstavuje to obrovský potenciál. Navyše existuje veľký počet osobných motorových

vozidiel s naftovými motormi, ktoré by taktiež mohli využívať bionaftu. V krajinách EÚ

sa ich podiel na celkovom počte vozidiel pohybuje od 15-40%.

Použitie čistého rastlinného oleja v motoroch však prináša viacero ťažkostí, a

preto sa tento olej upravuje esterifikáciou na metylester u nás označovaný ako MERO,

28

v zahraničí sa používa termín RME (rape seed metyl ester - metyl ester repkového

semena). Esterifikácia znižuje viskozitu rastlinného oleja a prináša mnoho výhod. Chod

motora, výroba paliva, doprava a jeho skladovanie nie sú po esterifikácii problémom.

Takýto olej je potom možné bez problémov primiešavať do nafty, čo sa na chode

motora nijako negatívne neprejaví. Má to však pozitívny vplyv na zníženie emisií pri

spaľovaní. Na rozdiel od rastlinných olejov však MERO obsahuje niektoré

rakovinotvorné látky a je rovnako toxický ako nafta.

Niektoré vlastnosti MERO a čistého rastlinného oleja a ich porovnanie s naftou

sú uvedené v nasledujúcej tabuľke:

Nafta s nízkym obsahom síry

Bionafta ( MERO )

Čistý repkový olej

Cetánové číslo 46 61,2 42,6Bod varu ̊C 191 347 311Obsah síry (% váh. )

0,036 0,012 0,022

Teplo pri spaľovaní (kJ.kg-1 )

46,42 40,6 40,4

Hustota 0,8495 0,8802 0,906

Tab. č.3.: Porovnanie niektorých vlastností MERO, čistého rastlinného oleja a nafty.

Zdroj: http://www.inforse.dk/europe/fae/OEZ/biomasa/biomasa.html

Bionafta, pod ktorou sa rozumie čistý rastlinný olej alebo MERO, sa z hľadiska

energie obsiahnutej v jednom litri paliva približuje kvalite nafty, pričom táto hodnota je

vyššia ako energetická hustota iných alternatívnych palív, čo dokumentuje aj

nasledujúca tabuľka.

Palivo Energia v MJ.l-1

Nafta 35,1Rastlinný olej 34,3MERO ( bionafta ) 33,1Etanol 21,1Metanol 18,0Vodík ( kvapalný pri – 256 ̊C )

8,5

Elektrina z batérie 0,36 Tab. č. 4.: Energia obsiahnutá v jednom litri paliva

Zdroj: http://www.inforse.dk/europe/fae/OEZ/biomasa/biomasa.html

29

Výroba bionafty pozostáva z lisovania repky, filtrovania a následného delenia

oleja (esterifikácia) na metylester (MERO - bionafta) a glycerol. Glycerol ako vedľajší

produkt je vhodný pre chemický priemysel a výlisky sú cennou krmovinovou zmesou.

MERO je ekologicky čisté palivo a v porovnaní s naftou pri spaľovaní vykazuje 3 až

40-krát nižší obsah uhľovodíkov vo výfukových plynoch. Má zníženú dymivosť, plyny

obsahujú menej tuhých častíc a iných nebezpečných látok. Použitie MERO si však

vyžaduje malú úpravu motora, pričom sa zníži jeho výkon aj spotreba paliva asi o 5 %.

Obr. č.3.: Technologický postup výroby bionafty z repkového semena( MERO od repkového oleja sa

odlišuje o. i. svetlejším zafarbením)

Zdroj: http://www.inforse.dk/europe/fae/OEZ/biomasa/biomasa.html

30

3.3. Plynné biopalivá

3.3.1.Bioplyn

Bioplyn je prirodzený produkt rozkladu, ktorý vzniká pri fermentácii

organických látok. Výroba energie z bioplynu je mimoriadne šetrná voči životnému

prostrediu, pretože nevytvára žiadne dodatočné emisie skleníkového plynu CO2. Každá

organická hmota po odumretí podlieha rozkladu, pri ktorom sa uvoľňuje bioplyn.

Vzhľadom na to, že bioplyn neustále vzniká pri hnití, jeho využitie pre energetické

účely predstavuje jeden z najekonomickejších spôsobov ekologického zneškodňovania

odpadov. Bioplyn sa v súčasnosti účelovo získava hlavne zo skládok komunálneho a

poľnohospodárskeho odpadu ( http://www.inforse.dk).

Reakciu vzniku bioplynu je možné zapísať nasledovne :

BIOMASA + BAKTÉRIE = BIOPLYN (CH4, CO2 ..) + ŽIVINY (N, P, K, S,...)

Zloženie bioplynu závisí od vstupných surovín a podmienok jeho výroby, vo väčšine

prípadov je však nasledovné:

Metán ( CH4 ) 55-70 %Oxid uhličitý ( CO2 ) 30-45 %Sírovodík ( H2S ) 1-2 %Dusík (N2 ) 0-1 %Vodík ( H2 ) 0-1 %Oxid uhoľnatý ( CO ) StopyKyslík ( O2 ) Stopy

Tab. č.5.: Zloženie bioplynu

Zdroj: http://www.inforse.dk/europe/fae/OEZ/biomasa/biomasa.html

31

Obrázok č.4.: Schéma malého zariadenia na výrobu bioplynu

Zdroj: Odborná agentúra obnovoiteľných surovín (CNR)

Bioplyn predstavuje hodnotné palivo a energia v ňom obsiahnutá je len asi

o tretinu nižšia ako v zemnom plyne. Z tohto dôvodu je dnes cielene vyrábaný,

32

v špeciálne vybudovaných zariadeniach, vo viacerých krajinách sveta (vrátane

Slovenska). Vstupnú surovinu tvorí zväčša hnojovica alebo organické kaly, z ktorých sa

bioplyn vyrába v digestoroch. Objem digestorov sa pohybuje od jedného metra

kubického (domáci digestor) až do niekoľko tisíc m3 (veľké farmy). Vstupná surovina

v digestore vyhníva od 10 dní do niekoľko týždňov v závislosti od zloženia a okolitej

teploty. Hoci baktérie pri rozklade organickej látky samotné vytvárajú teplo, v našich

klimatických podmienkach v zimnom období toto teplo nie je dostatočné, a preto je

potrebné digestor ohrievať vonkajším zdrojom - zvyčajne spaľovaním časti

vznikajúceho bioplynu. Teplota, pri ktorej vyhnívanie v digestore prebieha optimálne,

by nemala klesnúť pod 35 ˚C. Bioplyn je z digestorov odčerpávaný, skladovaný a

následne spaľovaný zvyčajne v plynovej turbíne.

Spaľovaním bioplynu je možné získať tak elektrinu ako aj teplo. Takáto výroba

prebieha najčastejšie v tzv. kogeneračnej jednotke, pričom výroba elektriny predstavuje

asi 30-40% a tepla 40-50 % energie obsiahnutej v bioplyne. Zvyšok predstavuje tepelná

energia potrebná na udržanie optimálnej prevádzkovej teploty. Uvedený proces je

perspektívny hlavne pre poľnohospodárske družstvá, čističky odpadových vôd alebo

skládky komunálneho odpadu, kde vzniká tzv. kalový plyn. Proces anerobického

vyhnívania organických zvyškov prebieha v digestoroch bez prístupu vzduchu a okrem

bioplynu tu vzniká aj tuhý odpad, ktorý je vhodným hnojivom pre poľnohospodárske

účely. (PISZCZALKA, 2006).

33

3.3.1.1. Energetická bilancia bioplynu

Bioplyn sa väčšinou vyrába z odpadu zo živočíšnej výroby (hnoj). V takomto

prípade je energetická bilancia vysoko pozitívna, pretože predstavuje vlastne likvidáciu

odpadu. Výroba bioplynu s pozitívnou energetickou bilanciou je však možná aj

z rastlinných odpadov ako je siláž alebo niektoré druhy tráv. Pre silážnu trávu osobitne

pestovanú pre tento účel vychádza nasledujúca energetická bilancia. Z jedného hektára

je možné získať až 50 ton tejto suroviny, čo predstavuje asi 10 ton suchej hmoty alebo

170 GJ energie. Získaná energia je uvoľnená vo forme bioplynu, vznikajúceho tepla a

hnojiva. Samotná energetická hodnota bioplynu získaná z jedného hektára je 62,3 GJ/ha

a celá energetická bilancia je uvedená v nasledujúcej tabuľke:

Tab.č.6.: Energetická bilancia bioplynu

Zdroj: http://www.inforse.dk/europe/fae/OEZ/biomasa/biomasa.html

Ekonomika výroby bioplynu, ktorý má skutočne široké použitie, závisí na

možnosti jeho využitia hlavne v poľnohospodárskych podnikoch, kde sa jeho výroba

ukazuje ako najvýhodnejšia. Z hľadiska použitia je najjednoduchšie spaľovanie

bioplynu s následným získavaním tepla na vykurovanie alebo ohrev vody. V lete však

vzniká problém s nadbytkom tepla, a preto je vhodné využiť bioplyn na iné účely. Do

úvahy prichádza hlavne spaľovanie bioplynu v plynovom motore s následnou výrobou

34

GJ.ha-1

Sadenie a žatva 6,1

Doprava 2,7

Hnojivo 16,5

Stroje a výrobné zariadenia 2,1

Anarobické vyhnívanie (ohrev) 2,4

Spotreba spolu 29,8

Zisk ( Bioplyny ) 62,3

Bilancia zisk / spotreba 2,1

elektriny, ktorej využitie je všestranné. Inou možnosťou je vyrábať bioplyn, stláčať ho a

použiť ho v motorových vozidlách napr. ako palivo v traktoroch.

Výroba energie z bioplynu má značné ekologické výhody. Tým, že toto palivo

nahrádza fosílne zdroje, znižuje emisie skleníkových plynov a iných škodlivín do

atmosféry. Navyše v poľnohospodárskych podnikoch znižuje zápach pri skladovaní

hnojovice, tiež znižuje nároky na ochranu spodných vôd pred kontamináciou

hnojovicou.( http://www.inforse.dk)

3.3.2. Skládkový plyn

Veľká časť bežného domáceho odpadu končí na komunálnych skládkach

odpadov. Keďže tieto odpady sa skladajú prevažne z organických látok a na skládkach

sú vhodné podmienky pre hnitie, sú tieto miesta zdrojom bioplynu. Na rozdiel od

procesu hnitia, ktorý prebieha v digestoroch, sú podmienky na skládkach odlišné. Nie je

tu ani dostatočná teplota ani vlhkosť, čo celý proces hnitia spomaľuje a tvorba bioplynu

prebieha po rokoch a nie po týždňoch. Výsledný produkt - skládkový plyn - je tiež

zmesou metánu a oxidu uhličitého, podobne ako bioplyn. Zo skúseností vyplýva, že

počas životnosti skládky vznikne asi 150-300 m3 plynu z každej tony odpadu. Obsah

metánu v skládkovom plyne predstavuje asi 50 až 60%, čo vedie k energetickej hodnote

plynu na úrovni 5-6 GJ na tonu odpadu.

Technológia získavania plynu zo skládok po ich uzatvorení pozostáva

z prekrytia skládky ílovou vrstvou alebo iným nepriepustným materiálom (čím sa

vytvorí vhodné prostredie) a umiestnení sústavy zberných potrubí s otvormi do ktorých

vniká plyn. Na niektorých novších skládkach sú potrubia umiestňované už pred

zavážaním odpadov. Sieť potrubí môže mať dĺžku až niekoľko kilometrov. Skládkový

plyn sa bežne využíva na výrobu elektriny a tepla. používané sú pri tom veľké

spaľovacie motory. Na chod 500 kW motora je potrebná dodávka asi 10 GJ plynu za

hodinu ( http://www.inforse.dk).

35

3.3. Drevoplyn

Pri výrobe drevoplynu dochádza k premene tuhých palív (najčastejšie dreva) na

plynné s cieľom získať čo najvyšší obsah energie v plynnej forme. Celý proces prebieha

v splyňovacom zariadení. Ku splyňovaniu organického materiálu dochádza tak, že

vzduch prechádza cez predohriaty materiál, pričom v ňom prebieha chemická reakcia

s následným vznikom drevoplynu a ako nespáliteľný zvyšok sa tvorí popol. Zloženie

vznikajúceho drevného plynu sa mení v závislosti na použitej biomase a obsahu

vlhkosti v palive . Bežné zloženie drevoplynu je nasledujúce:

ZastúpenieCO 20-30 %H2 10-25 %CH4 0-4 %CO2 2-15 %N2 45-60 %

Tab.č.7.: Zloženie drevoplynu

Zdroj: Zdroj: http://www.inforse.dk/europe/fae/OEZ/biomasa/biomasa.html

3.3.4. Plynné biopalivá v motorových vozidlách

Obe palivá - tak drevoplyn ako aj bioplyn - je možné použiť v benzínových a

naftových motoroch. Je však potrebné v nich urobiť isté úpravy, hlavne zmeniť

kompresný pomer na asi 13:1. Úprava naftového motora je o niečo zložitejšia, avšak

tým, že tento motor je odolnejší, často sa plynné palivá využívajú na pohon

poľnohospodárskych vozidiel.

Výhodou plynných palív je, že pri spaľovaní sa lepšie miešajú so vzduchom, a

preto lepšie horia ako kvapalné palivá. Ďalšou výhodou týchto palív v porovnaní

s benzínom a naftou je, že majú vyššie oktánové číslo. Vyššia kvalita plynných palív

umožňuje použitie vyššieho kompresného pomeru - až do 10:1 v benzínových

spaľovacích motoroch a 15:1 v naftových motoroch, čo má za následok vyšší výkon a

účinnosť motora.

Z energetického hľadiska však plynné biopalivá nedosahujú úroveň napr.

zemného plynu (35 MJ.m-3). Energetický obsah drevoplynu je tiež podstatne nižší ako

bioplynu a jeho minimálna hodnota predstavuje len asi 5,6 MJ.m-3

(bioplyn - 21,6 MJ.m-3). Zloženie bioplynu a drevoplynu však nie je konštantné a mení

36

sa v závislosti na podmienkach ich výroby v digestore alebo splynovači. V drevoplyne

je najdôležitejšou energetickou zložkou vodík. V bioplyne je to metán, ktorý má

výhrevnosť 35,9 MJ.m-3 (10 kWh.m-3).

Min. energ. hodnota ( MJ.m-3)

Min. energ. hodnota (MJ.kg-1)

Oktánové číslo Kritická teplota st.C

Bioplyn 21,6 17,8 110 -36Drevoplyn 5,57 5,05 100 -130Metán 35,9 50,1 115 -82LPG 93,5 46,3 112 90Nafta - 42,7 - -Benzín - 43,7 80-98 296

Tab. č. 8.: Porovnanie vlastností niektorých palív

Zdroj: Zdroj: http://www.inforse.dk/europe/fae/OEZ/biomasa/biomasa.html

Keďže metán má kritickú teplotu pre skvapalnenie mínus 82 ˚C, nedá sa

jednoducho skvapalniť a používať v takejto forme. Vo svete však existujú príklady

použitia stlačeného (pri tlaku 200-220 bar) alebo skvapalneného bioplynu v traktoroch

s objemom valcov 50 litrov. Skúsenosti ukazujú, že skvapalnenie bioplynu neprináša

pre motorové vozidlá žiadne ekonomické výhody a jeho použitie sa v súčasnosti

koncentruje len na stacionárne motory (výroba elektriny a tepla).

3.3.5. Použitie bioplynu v spaľovacích motoroch

37

V princípe je možné upraviť na bioplyn každý naftový motor. Ukazuje sa, že

hoci motorové vozidlá by mohli používať bioplyn ako náhradu za klasické palivá,

väčšina z nich nemá dostatočné priestory na skladovanie plynu, ktorý by im umožnil

prijateľne dlhý dojazd. Z uvedeného dôvodu sa bioplyn v súčasnosti využíva hlavne

v stacionárnych motoroch. Použitie bioplynu vo vozidlách má však niekoľko výhod

oproti klasickým palivám.

Bioplyn má vyššie oktánové číslo ako benzín alebo nafta, čo vedie k vyššej

účinnosti motora pri vyššom kompresnom pomere. Metán však pomaly horí, a preto je

potrebné nastaviť predzápal tak, aby dochádzalo k jeho úplnému spáleniu v motore a

aby neunikal do výfuku. Výfukové ventily sú tiež vystavené vyššej teplote a skôr sa

opotrebujú. Inou nevýhodou bioplynu je, že obsahuje sírovodík v zastúpení približne

0,4%, ktorý má nepríjemný zápach a navyše spôsobuje znehodnocovanie oleja a

nutnosť jeho častejšej výmeny.

Naftové motory je možné upraviť na používanie bioplynu, tak že časť nafty sa

spotrebuje na zapaľovanie zmesi (duálny systém palivovej zmesi). Pôvodný systém

zapaľovania nafty si vyžaduje len minimálnu úpravu. Nastavenie predzápalu

o 3 až 4 stupne býva dostatočné. V duálnych systémoch býva dostatočné zastúpenie

nafty na úrovni 10 %. Pri nižších výkonoch však 10% nafty dodáva až 40% energie.

Zo skúseností vyplýva, že vyššie zastúpenie bioplynu si vyžaduje chod motora na

vyššom výkone. Spotreba bioplynu pri plnom výkone motora je uvedená v nasledujúcej

tabuľke.

Výkon Benzínový motor Naftový motorSpotreba bioplynu v m3.h-1 Spotreba bioplynu v m3.h-1

10 kW 6 4,520 kW 12 930kW 18 13,550kW 30 22,580kW 48 36

Tab. č.9.: Spotreba bioplynu pri plnom výkone motora

Zdroj: http://www.inforse.dk/europe/fae/OEZ/biomasa/biomasa.html

38

Nevýhodou bioplynu vo vozidlách je nutnosť jeho skladovania pod vysokým

tlakom. Tlak plynu je často 200 bar a viac. To si zvyčajne vyžaduje umiestnenie

plynových fliaš po stranách traktora alebo na streche. Podľa dostupných údajov si

premena traktora s naftovým pohonom na bioplyn alebo drevoplyn vyžaduje tiež malé

úpravy zmiešavacej komory a karburátora tak, aby bol zabezpečený prívod palivovej

zmesi, ktorý je podstatne nižší ako v prípade nafty. Najlepšiu účinnosť dosahujú takéto

motory pri strednom výkone a vysokých otáčkach. Pri týchto podmienkach je účinnosť

motora plne porovnateľná s naftovým motorom. Pri nízkych otáčkach nie sú teploty vo

valcoch dostatočne vysoké na okamžité zapálenie bioplynu pri vstrekovaní paliva a

tepelná účinnosť je nižšia ako v naftovom motore. Pri normálnych podmienkach

(vysoký a stredný výkon, teplota výfukových plynov 550 ˚C a pomer zmesi 1:1)

relatívny výkon naftového motora bežiaceho na bioplyn alebo drevoplyn je asi 85-90%

pôvodného výkonu.

Pri správne nastavených otáčkach motor na bioplyn produkuje menej emisií

hlavne kysličníka uhoľnatého a kysličníkov dusíka ako motor na benzín alebo naftu.

Vznikajúce uhľovodíky majú tiež nižšiu reaktivitu ako v prípade spaľovania klasických

palív, a preto vedú k nižšej tvorbe smogu. Nevýhodou je prítomnosť sírovodíku

v emisiách. . (PISZCZALKA, 2006).

3.4.1. Pevné palivá

Drevo je po mnoho milión rokov pre človeka jedným z najdôležitejších

palivových zdrojov. Podstatné pri jeho využívaní je, že sa dá energeticky zhodnocovať

trvalo udržateľným spôsobom. Ročný prírastok celosvetovej drevnej hmoty sa odhaduje

na 12,5 mld. m3 s energetickým obsahom 182 EJ, čo je asi 1,3 násobok celosvetovej

ročnej spotreby uhlia. Priemerná spotreba dreva pre všetky účely predstavuje asi

3,4 mld. m3/rok (ekvivalent 40 EJ/rok). Z uvedeného vyplýva, že vo svete existuje

značný potenciál využitia dreva pre energetické účely. Väčšinu lesov v Európe by bolo

možné takto využívať bez toho, aby bola ohrozená existencia prírodných ekosystémov.

Súvisí to s tým, že pri ťažbe a spracovaní dreva pre iné ako energetické účely vzniká

veľké množstvo odpadu, ktorý často zostáva nevyužitý. Drevné štiepky resp. piliny,

z ktorých sa vyrábajú tzv. pelety sú cenným palivom.

39

Zhodnotenie využiteľného energetického potenciálu lesov (odpadového dreva)

je možné urobiť na základe štatistík udávajúcich ročný prírastok a ťažbu dreva.

Zo skúseností z Dánska vyplýva, že pri ťažbe predstavuje odpad (hlavne vetvy), ktorý

by bolo možné využiť bez ovplyvnenia stavu lesov, až 30 % objemu vyťaženého dreva.

Aj pri využívaní dreva ako energetickej suroviny by mala byť účinnosť

technológie jeho spaľovania na prvom mieste. Vyššia účinnosť zariadenia znamená

menej paliva na zabezpečenie rovnakého množstva energie. Tradičné pece majú

účinnosť využitia energie obsiahnutej v dreve často nižšiu ako 30%, čo je v porovnaní

napr. s modernými splyňovacími kotlami s účinnosťou okolo 90% veľmi málo.

Z uvedeného vyplýva, že moderné zariadenia často spotrebujú až 3-krát menej paliva na

vykúrenie rovnakého priestoru.

Aj klasická pec na drevo sa môže vyznačovať veľmi vysokou účinnosťou

spaľovania. Táto pec využíva dômyselný systém vnútorných potrubí, čím zvyšuje

využitie energie dreva až o 200 %.(http://www.inforse.dk)

3.4.1.1. Drevo- výroba tepla

Využívanie dreva pre energetické účely je možné považovať za lokálny zdroj,

ktorý si vyžaduje len minimálne nároky na dopravu a preto je relatívne lacný

v porovnaní s klasickými fosílnymi palivami. Dnes existuje na trhu veľký počet malých

domácich kotlov na drevo, ktoré sú určené na vykurovanie objektov ako sú napr.

rodinné domy. Tieto kotle väčšinou spaľujú kusové drevo, pelety alebo štiepky.

Vyrobené teplo je rozvádzané do radiátorov podobne ako pri kotloch na iné palivá.

Moderné kotle na drevo sa líšia od klasických pecí, ktoré vykurovali len priestor

miestnosti, v ktorej boli umiestnené. Okrem vykurovania priestorov sa moderné kotle na

drevo používajú aj na prípravu teplej vody. Takéto vykurovanie a ohrev vody je

zvyčajne najekonomickejším riešením pre rodinné domy. Nahradenie uhlia alebo

vykurovacieho oleja drevom je cestou ako dosiahnuť výrazné úspory na palive, ktoré

môžu dosiahnuť vo vyspelých krajinách 20 až 60 % ( http://www.inforse.dk).

40

3.4.1.2. Drevo ako palivo

1000 kg suchej drevnej hmoty sa svojou energiou vyrovná : 450 kg čierneho

uhlia , 520 kg koksu , 340 kg vykurovacieho oleja , 320 kg butánu.

Veľkou výhodou dreva je, že pri dobrom uložení si uchováva svoj energetický obsah

dokonca ho v prvých dvoch až troch rokoch relatívne zvyšuje. Je to tým, že v tomto

období vysychá. To je dôležitý fakt, pretože vlhkosť v dreve sa uvoľňuje až v kotly a to

na úkor výhrevnosti. Súčasne pri spaľovaní vlhkého dreva klesá aj teplota spaľovania,

čo vedie k nesprávnemu zoxidovaniu všetkých spáliteľných zložiek, dochádza k

dymeniu, zanášaniu dymových potrubí a k znižovaniu životnosti kotla.

Pri správnom spaľovaní a pri správnej vlhkosti drevo horí prakticky bez dymu,

ľahko sa zapaľuje, nešpiní pri manipulácii a tvorí málo popola asi 1% pôvodnej

hmotnosti. Drevný popol je nespekavý a výborne sa hodí ako prírodné hnojivo.

Obsahuje totiž dusík, vápnik, horčík, hydroxid draselný, oxid kremičitý, kyselinu

fosforečnú a stopové prvky.

Najdlhšie sa oheň udrží tvrdými drevami, najľahšie zase horia ľahké listnaté a

ihličnaté drevá. Výborne však horí každé drevo, ktoré má nízky obsah vlhkosti t.j.

15-20%. Všeobecne sa požaduje doba sušenia 18 až 24 mesiacov. Túto dobu je možné

účinne skrátiť na 12 až 15 mesiacov, keď sa rozreže na potrebnú dĺžku. Lepšie je drevo

rozštiepané na štvrtky ako celá guľatina. Pokiaľ je guľatina príliš tenká na štiepanie,

mala by z nej byť odstránená kôra. (http://www.inforse.dk)

3.4.1.2.1. Brikety

Brikety sú valcovité telesá s dĺžkou asi 15-25 cm vyrobené z odpadovej biomasy

drtením, sušením a lisovaním bez akýchkoľvek chemických prísad. Lisovaním sa

dosahuje vysoká hustota (1200 kg.m-3), čo je dôležité pre objemovú minimalizáciu

paliva. Vysoká výhrevnosť (19 MJ.kg-1) je zárukou nízkych nákladov na vykurovanie.

Nízka popolnatosť (0,5%), neobmedzená skladovateľnosť, bezprašnosť a jednoduchá

manipulácia sú vlastnosti, ktoré tomuto palivu dávajú špičkové parametre.

(http://www.inforse.dk)

41

Obrázok č.5.: BriketyZdroj: http://www.inforse.dk/europe/fae/OEZ/biomasa/biomasa.html

3.4.1.2.2. Štiepky

Štiepky sú 2-4 cm dlhé kúsky dreva, ktoré sa vyrábajú štiepkovaním

z drevných odpadov napr. tenčiny z prerieďovania porastov alebo konárov. Štiepky sú

odpadovým produktom drevárskeho priemyslu a ich energetické zužitkovanie sa stalo

v mnohých krajinách bežné. V Dánsku aj v Rakúsku existuje viacero väčších obecných

kotolní spaľujúcich štiepky. Výhodou štiepkov je, že rýchlejšie schnú, a tiež umožňujú

automatickú prevádzku kotlov pri použití zásobníka a dopravníka paliva.

Obrázok č.6.: Štiepky

Zdroj: http://www.inforse.dk/europe/fae/OEZ/biomasa/biomasa.html

42

3.4.1.2.3. Pelety

Pelety sú relatívne novou formou drevného paliva, ktoré umožnilo kotlom

spaľujúcim biomasu ich čiastočnú alebo úplne automatickú prevádzku. Peleta je názov

pre granulu kruhového prierezu s priemerom okolo 6-8 mm a dĺžkou 10-30 mm. Pelety

sú vyrobené výhradne z odpadového materiálu ako sú piliny alebo hobliny bez

akýchkoľvek chemických prísad. Lisovaním pod vysokým tlakom sa dosahuje vysoká

hustota paliva. Ich veľkou výhodou je, že majú nízky obsah vlhkosti - asi 8 až 10 %.

Relatívne vysoká hustota materiálu (min. 650 kg.m-3 ) znamená aj vysokú energetickú

hustotu - až 20 MJ.kg-1. Týmito parametrami sa pelety vyrovnajú uhliu

Obrázok č.7.: Pelety

Zdroj: http://www.inforse.dk/europe/fae/OEZ/biomasa/biomasa.html

3.4.1.3. Spotreba paliva

Spotreba paliva v splyňovacom kotli na drevo sa pohybuje od asi 4 kg.hod -1. pre

kotol s výkonom 18 kW až po 18 kg.hod-1. pre 80 kW zariadenie. V našich klimatických

podmienkach spotrebuje priemerný dom (150 m2 obytnej plochy) za vykurovaciu

sezónu asi 12 m3 dreva (polená).

3.4.1.4. Slama ako palivo

Odpady z poľnohospodárskej produkcie sú z hľadiska obsahu energie veľmi

významným zdrojom. Do tejto skupiny patrí hlavne slama alebo hnojovica. Tieto zdroje

sú dnes intenzívne využívané vo viacerých krajinách vrátane rozvojových. Slama má

vyššiu mernú výhrevnosť ako hnedé uhlie a ako palivo na vykurovanie sa dnes využíva

v mnohých vyspelých krajinách. Niekoľko stoviek takýchto zariadení na vykurovanie

celých obcí alebo poľnohospodárskych podnikov sa nachádza vo Veľkej Británii,

43

Dánsku, Rakúsku a iných krajinách. Budovanie spaľovní slamy vo vyspelých krajinách

bolo podporované čiastočne z dôvodov ochrany životného prostredia (spaľovanie slamy

na poliach je zakázané) a čiastočne aj preto, že je to ekonomicky výhodné a takéto

spaľovne poskytujú dodatočný zdroj príjmov pre poľnohospodárov.).

Energetický obsah ukrytý v slame je značný - 4,9 kWh.kg-1 suchej hmoty resp.

4,0 kWh.kg-1 pre slamu s vlhkosťou asi 15 %. Energia obsiahnutá v 1 m3 stlačenej slamy

takto predstavuje asi 500 kWh (hustota 120 kg.m-3). Účinnosť spaľovania slamy

v kotloch je tiež relatívne vysoká - priemer z 22 dánskych kotolní je 80 až 85%.

Energetické zužitkovanie slamy má viacero pozitívnych dopadov na spoločnosť.

Predovšetkým prináša nové pracovné príležitosti a zároveň poskytuje poľnohospodárom

možnosť finančných úspor cez úspory energie. Spaľovanie slamy prináša aj isté

obmedzenia a dnes sa jej využitie sústreďuje len na veľké kotolne, zvyčajne napojené na

centralizovaný systém zásobovania teplom alebo na poľnohospodárske podniky. Súvisí

to s tým, že slama je dosť zložité palivo, predovšetkým je nehomogénne a z hľadiska

energetickej hustoty zaberá veľký objem 10 až 20-krát väčší ako uhlie. Navyše 70%

spáliteľných častí slamy je obsiahnutých v plynoch unikajúcich počas zohrievania tzv.

prchavé zložky. Tak vysoký obsah prchavých zložiek vytvára problémy pri spaľovaní

hlavne pri primiešavaní správneho množstva vzduchu. Slama tiež obsahuje chlórové

zlúčeniny, ktoré môžu spôsobovať koróziu materiálov, hlavne pri vyšších teplotách.

Napriek uvedeným ťažkostiam je spaľovanie slamy technicky zvládnuté a tiež veľmi

ekonomické. Počet takýchto zariadení vo svete preto rýchlo rastie. Kotle na slamu

bývajú dimenzované na 60-70 % maximálnej záťaže, čo umožňuje jednoduchšiu a

ekonomickejšiu prevádzku počas letných mesiacov s nízkym odberom tepla.

V súčasnosti sa presadzujú na trhu automatizované zariadenia s doplňovaním

slamy 1 až 2-krát denne a bez problémov s emisiami.(PISZCZALKA, 2006).

3.4.1.5. Rýchlorastúce dreviny

Niektoré druhy rastlín vyznačujúce sa rýchlym rastom alebo kvalitou

produkovaného oleja je možné pestovať za účelom ich budúceho energetického

využitia. Tzv. energetické rastliny sa využívajú podobne ako ostatné druhy biomasy

(napr. drevo, slamu) na výrobu tepla, elektriny, ale aj kvapalných palív použiteľných

v doprave.

44

Istou nevýhodou pestovania rýchlorastúcich drevín je nevyhnutnosť používať

hnojivá podobne ako pri iných plodinách. Popol zo spaľovania týchto rastlín však je

možné použiť ako hnojivo. Z hľadiska energetickej produkcie je však podstatné, že aj

pri započítaní energetických vstupov je celková energetická bilancia kladná. Pomer

získanej a vloženej energie je zvyčajne 5:1.

Pre priame spaľovanie v kotloch sú vhodnými rastlinami napr. niektoré druhy

vŕb alebo tráv. Výhodou týchto rastlín je, že na rozdiel od dreva je ich produkcia

(obdobie medzi siatím a zberom) krátka - zvyčajne 3 až 8 rokov. Pre niektoré druhy tráv

je to ešte menej - 6 až 12 mesiacov. V súčasnosti sa vo svete využíva asi 100 miliónov

hektárov pôdy na pestovanie rýchlorastúcich drevín.

Z hľadiska ochrany životného prostredia je veľmi výhodné pestovanie vŕb. Je

ich totiž možné použiť na čistenie vôd v tzv. biologických čističkách. Na každom

hektári je možné každý rok ekologicky zlikvidovať 10-20 ton odpadových vôd a kalov.

Spojenie funkcie biologickej čističky a energetickej rastliny robí z vŕb unikátny

biologický druh. Podstatné je, že spaľovanie týchto drevín, podobne ako aj inej

biomasy, neprispieva v emisiám síry ani skleníkových plynov do ovzdušia. Navyše

pestovanie týchto rastlín pre energetické účely vedie aj k tvorbe nových pracovných

príležitostí .(PISZCZALKA, 2006).

4. FYZIKÁLNE VLASTNOSTI

Fyzikálne vlastnosti :

medzi fyzikálne vlastnosti, ktoré súvisia s kvalitou biopalív patrí:

vlhkosť biopalív

výhrevnosť biopalív

spalné teplo

termofyzikálne vlastnosti

meranie hustoty

viskozita.

45

4.1. Vlhkosť, metódy merania

Hlavným ukazovateľom kvality paliva je jeho výhrevnosť. Podľa obrázku č. 8 je

zjavné, že výhrevnosť je priamo závislá na vlhkosti paliva.

Obr. č. 8. Výhrevnosť paliva vo vzťahu k vlhkosti

Zdroj:http://cs.wikipedia.

Pre vyjadrovanie vlhkosti plynov, kvapalín a tuhých látok sa používajú rozličné

vzťahy. Vlhkosť sa najčastejšie vyjadruje pomocou absolútnej alebo relatívnej vlhkosti.

Absolútna vlhkosť je definovaná pomerom hmotnosti vody (kg) a hmotnosti sušiny (kg)

u=m1−m2

m2 ( 1 )

kde: m1 je hmotnosť vlhkej vzorky a m2 je hmotnosť sušiny.

Relatívna vlhkosť ω je definovaná ako hmotnosť vody (kg) obsiahnutej v hmotnosti

vlhkej vzorky (kg), najčastejšie sa vyjadruje v %. Relatívnu vlhkosť teda môžeme

vyjadriť vzťahom ( 2)

ω=m1−m2

m1

Relatívna vlhkosť sa používa poprípade na vyjadrovanie vlhkosti dreva, absolútnej

vlhkosti u buničiny, uhlia, koksu atď. V niektorých prípadoch sa ešte vyjadruje vlhkosť

v kg vody (alebo v dm3) na objem v m3 suchého alebo vlhkého materiálu ( objemová

vlhkosť ), prípadne u listových materiálov na jednotku plochy v m2 ( plošná vlhkosť ).

46

V súvislosti s pojmom vlhkosť sa niekedy používa pojem suchosť, čo je pomer

hmotnosti suchého materiálu k hmotnosti materiálu vlhkého.

Z hľadiska uloženia vlhkosti biomasy ju môžeme rozdeliť na vodu chemicky

viazanú, vodu viazanú hygroskopicky a vodu voľnú. Voda viazaná sa vyskytuje v palive

pri vlhkosti 0-30%.Má najväčší význam pri charakteristike fyzikálnych aj chemických

vlastností. Základné rozdelenie metód merania vlhkosti:

1. Stanovenie vlhkosti oddelením vody od pevnej fázy - sú to metódy priame a tie

sa rozdeľujú na váhové a destilačné.

2. Stanovenie vlhkosti na základe špecifických vlastností vody - rozdeľujú sa na

metódy spektrometrické, nuklearnomagnetická rezonancia, metóda pohlcovania

gama a rőntgenového žiarenia, meranie útlmu mikrovlnnej energie.

3. Metódy zamerané na zmeny elektrických vlastností materiálu - odporové

a indukčné.

K prvej skupine patrí

Gravimetrická metóda a jej princíp merania: je vlhkosť stanovená podľa úbytku

vlhkosti v priebehu procesu sušenia. Táto metóda je najpresnejšou metódou určenia

vlhkosti dreva a vychádza zo vzorca vlhkosti: ( 3 )

. 100

mw- hmotnosť vlhkého dreva

m0 – hmotnosť absolútne suchého dreva pri jeho vysušení pri teplote 103°C +- 2°C

Sušenie sa kontroluje opakovaným vážením, s tým, že za vysušené sa považuje vtedy,

keď medzi nasledujúcimi dvoma váženiami v intervale 2 hodín sa hmotnosť nezmení o

viac než 0,02 g, resp. o 1 %. Na princípe gravimetrickej metódy pracujú hlavne

halogénové a infračervené sušiace váhy.

Výhodou gravimetrickej metódy je jej vysoká presnosť, k nevýhodám patrí náročnosť

na čas, prácnosť prípravy teliesok a nemožnosť kontinuálneho merania vlhkosti.

K druhej skupine patria nepriame metódy merania. Sú najviac využívané v praxi, hlavne

u sypkých zmesí a dreva.

47

Nepriame metódy sa rozdeľujú:

1. odporové merania vlhkosti - metóda je založená na zmene vodivosti dreva

v závislosti na jeho vlhkosti. Merajú sa priamo hodnoty odporu, ktoré sú

prepočítavané priamo na absolútnu vlhkosť materiálu. Presnosť merania je

v rozpätí 0,2 až 0,5%.

2. Neutrónové meranie vlhkosti - je založené na pružnom rozptyle rýchlych

neutrónov na jadrách vodíka. Najviac sa táto metóda používa k určeniu vlhkosti

sypkých materiálov.

3. Mikrovlnná metóda - je založená na dipólovom chovaní molekúl vody.

4. Kvantitatívna analýza pomocou NIR spektrometrie - je rýchla, nedeštruktívna

metóda chemickej analýzy. Princíp spočíva v meraní odrazeného

elektromagnetického žiarenia skúmanou vzorkou. Výhodou analýzy je presnosť

a rýchlosť.

5. Dvojúrovňové rőntgenové žiarenie - využíva rőntgenové žiarenie absorbované

materiálom v závislosti na celkovej hodnote radiačného lúča.

6. Nukleárna magnetická rezonancia - princíp spočíva v skutočnosti, že atómy

vodíka sa ukladajú do určitého uhla, pretože sa chovajú ako malé magnety.

Podmienkou merania je udržanie konštantnej hustoty vzorky.

Mikrovlnná metóda – mikrovlny zaujímajú v spektre elektromagnetického vlnenia

frekvencie približne v pásme 1 – 100 GHz ( decimetrové až milimetrové vlny ). V tejto

oblasti je už vlnová dĺžka porovnateľná s rozmermi elektrických prvkov , ako sú

kondenzátory, odpory, cievky atď. Preto tiež nie je možné použiť k prenosu mikrovlnnej

energie bežné vodiče používané v nízkofrekvenčnej technike. Nahradzujú sa

koaxiálnymi vedeniami alebo vlnovodmi. Ako zdroj mikrovlnnej energie sa používajú

reflexné klystrony , ktoré majú výkon okolo 50 mW, a v poslednej dobe sa stále viac

presadzujú generátory s Gunnovými diódami, ktorých prednosťou je malé napájacie

napätie ( v jednotkách voltov, u klystrónov v desiatkach až stovkách voltov ).

Nakoľko mikrovlny zaujímajú vo frekvenčnom spektre značný rozsah,

k meraniu vlhkosti sa prakticky používajú iba vlnové dĺžky okolo 3 cm ( frekvencia

48

10 GHz ). V tejto oblasti je totiž mikrovlnná meracia technika najlepšie rozpracovaná,

čo súvisí s rozvojom radiolokačnej techniky.

Zvláštnosťou v šírení mikrovĺn, ktoré sa svojimi vlastnosťami už blížia

vlastnostiam svetla, vedie i v celkom odlišným typom čidiel, než aké sa uplatňujú pri

meraní permitivity v nízkofrekvenčnej oblasti. Najčastejšie sa meria permitivita

materiálu vo vlnovode, dutinovom rezonátore alebo priamo vo voľnom priestore.

Všetky tieto metódy sú dnes dokonale rozpracované, ale z praktických dôvodov iba

meranie vo voľnom priestore našlo uplatnenie v priemyselnej praxi

( FEXA, ŠIROKÝ, 1983 ).

4.2.Hustota

Hustota homogénnej látky je definovaná ako pomer jej hmotnosti m k objemu

V, ktorý látka zaberá. Vyjadruje vlastnosť látky danú zložením a nezávisí od miesta

merania, iba od jeho fyzikálnych podmienok. ( 4 )

ρ=mV

Jednotkou hustoty je [kgm3 ] .

4.3.Spalné teplo

Spalné teplo je také množstvo tepla, ktoré sa uvoľní dokonalým spálením

jednotkového množstva paliva. Predpokladá sa, že voda, uvoľnená spaľovaním,

skondenzuje a energiu chemickej reakcie nie je treba redukovať o jej skupenské teplo.

Tým sa spalné teplo líši od výhrevnosti, kde sa predpokladá na konci reakcie voda v

plynnom skupenstve. Preto je hodnota spalného tepla vždy väčšia alebo rovná hodnote

výhrevnosti ( FEXA, ŠIROKÝ, 1983 ).

Spalné teplo sa označuje q. Jednotky závisia na voľbe jednotkových množstvách

látky a energie. Obvykle je to J.kg-1, ale používajú sa aj:

J.mol-1

J.m-3

49

4.4. Výhrevnosť

Výhrevnosť je veličina udávajúca aké množstvo tepla sa uvoľní spálením

jednotkového množstva látky alebo zmesi. Výhrevnosť patrí medzi základné fyzikálne

parametre palív.

Jednotkou výhrevnosti je podiel energie a množstva. Podľa druhu posudzovanej

zmesi môže byť výhrevnosť udávaná v:

J.kg-1 ( Joule na kilogram- alebo častejšie v odvodených jednotkách kJ.kg-1,

MJ.kg-1 ) pre posudzovanie výhrevnosti pevných a kvapalných palív,

J.m-3 ( Joule na meter kubický - alebo častejšie v odvodených jednotkách kJ.m-3,

MJ.m-3 ) pre posudzovanie výhrevnosti plynných palív, alebo výhrevnosti zmesi

paliva so vzduchom,

J.mol-1 ( Joule na mól) pre posudzovanie výhrevnosti malých množstiev palív

(napríklad pri výpočte chemických reakcií),

prípadne iných jednotkách.

Výhrevnosť sa zväčša určuje pomocou kalolimetra.

4.5 Viskozita

Vo všetkých skutočných kvapalinách vznikajú pri relatívnom pohybe

jednotlivých vrstiev kvapaliny voči sebe väčšie alebo menšie sily trenia. Vrstvy

pohybujúce sa rýchlejšie pôsobia na vrstvy pohybujúce sa pomalšie silou, ktorá

zrýchľuje pomalšie vrstvy brzdiacou silou. Tieto sily nazývame silami vnútorného

trenia, majú smer dotyčníc k povrchu vrstiev. Vnútorné trenie v kvapalinách nazývame

tiež viskozitou kvapalín.

Predstavme si teraz kvapalinu prúdiacu nad dnom širokého žľabu. Tesne pri dne

sa v dôsledku veľkého trenia kvapaliny o dno kvapalina nepohybuje. S výškou nad

dnom sa rýchlosť kvapaliny zväčšuje. Skúsenosť ukazuje, že dve susedné vrstvy

kvapaliny s plochou S stýkajúce sa vo výške y pôsobia na seba tangenciálnym napätím

( 5 )

50

Tangenciálne napätie sa vyjadruje v pascaloch. Tangenciálne napätie je tým väčšie, čím

viac sa mení rýchlosť prúdenia pri postupe kolmom na prúdnice, čiže v smere

najväčšieho rastu rýchlosti. Vrstva od dna vzdialenejšia pôsobí na vrstvu bližšiu ku dnu

v smere prúdenia tangenciálnym napätím s absolútnou hodnotou ( 6 )

kde dv/dy je hodnota gradientu ( spádu ) rýchlosti pohybu vrstiev v smere y kolmom na

rozhranie vrstiev a konštanta úmernosti je tzv. dynamická viskozita Jednotkou

dynamickej viskozity je pascal sekunda ( Pa.s ). Čím je dynamická viskozita určitej

kvapaliny väčšia, tým viac sa táto kvapalina líši od ideálnej kvapaliny a tým väčšie sú

v nej vznikajúce sily vnútorného trenia. Vnútorné trenia kvapalín značne závisí od

teploty. S rastúcou teplotou klesá. Kvapaliny pre ktoré platí priama úmernosť medzi

tangenciálnym napätím a spádom rýchlosti dv/dy sa nazývajú newtonovské.

Pomer dynamickej viskozity a hustoty kvapaliny nazývame

kinematickou viskozitou. Označuje sa . Podľa definície je ( 7 )

Jednotkou kinematickej viskozity je meter štvorcový za sekundu ( m2.s-1 ).

Dôsledkom vnútorného trenia je, že tekutiny kladú odpor proti pohybu tuhých

telies v nich. Tento odpor pri malých rýchlostiach je priamo úmerný rýchlosti. Ak

v špeciálnom prípade sa v tekutine s dynamickou viskozitou pohybuje teleso

guľovitého tvaru polomeru r, potom odpor F, ktorý kladie tekutina pohybu telesa, je

podľa Stokesovho zákona daný vzťahom ( 8 )

F = 6 r v

kde v je rýchlosť pohybujúceho sa telesa.(DUNCA, HANZELIK, 1996)

51

5. ZÁVER Cieľom predkladanej bakalárskej práce bolo získanie teoretických

poznatkov o využití fyzikálnych vlastností pri hodnotení kvality biopalív.

V úvode práce som predstavil základné obnoviteľné zdroje energie z dôrazom na

biomasu, ktorá je hlavným a zároveň najčastejšie používaným produktom na výrobu

biopalív. Práve z toho dôvodu som značnú časť venoval základnému predstaveniu tohto

zdroja, jeho definícii, rozdeleniu, výhodám a nevýhodám používania biomasy na

energetické účely.

Problematika biopalív je detailne rozpracovaná v samostatnej kapitole, v ktorej

som sa zamerali na používanie rôznych druhov biopalív (metanol, etanol)

v motorových vozidlách ako alternatívnej náhrady benzínu či nafty. Zo získaných

poznatkov som dospeli k záveru, že biopaliva sú ekonomicky náročnejšie ako bežné

palivá, a tak prichádzajú do úvahy iba v prípade vyčerpania ropy, ktorá je hlavným

produktom na výrobu nafty.

V neposlednej rade som venoval pozornosť fyzikálnym vlastnostiam, ktorými

sú: vlhkosť, výhrevnosť, spalné teplo, hustota a viskozita, ktorých. Experimentálne

merania vlhkosti rôznych druhov biomasy a zisťovanie vplyvov vlhkosti na vybrané

ukazovatele kvality (napr. výhrevnosť budú realizované v rámci riešenia diplomovej

práce.

52

6. ZOZNAM POUŽITEJ LITRATÚRY

BÉDI, Emi. 200l.: Obnoviteľné zdroje energie. Bratislava: Fond pre alternatívne energie

– SZOPK, 2001. 143s. ISBN 80-85369-12-6.

BOJDA, J. – VOZÁROVÁ, V.: 2008. Meranie fyzikálnych veličín biopalív. In Zborník

z Medzinárodnej vedeckej študentskej konferencie. Nitra, 2008.

ISBN 978-80-552-0042-02

DUNCA, J., HANZELIK, F., HLAVÁČOVÁ, Z., HLOZÁK, K., 1994. Biofyzika.

Vydavateľstvo SPU, 1994, s.34-40. ISBN 80-7137-154-8

FEXA, J – ŠIROKÝ, K.:1983. Měření vlhkosti. Vydavateľstvo SNTL Praha, 1983. s.

9-127.

KREMPSKÝ, J.: 1969. Meranie termofyzikálnych veličín. Bratislava: Veda 1969. 335s.

LABAŠ a kolektív. 2006. Komplexný výskum tepelno-technických parametrov

andenzitu Ruskov. In Acta Montanistica Slovaca. Roč. 11 č.2, s. 320-325, 2006.

MAGA, J. – PISZCZLKA, J.: 2006. Biomasa ako zdroj obnoviteľnej energie, Nitra:

Vydavateľstvo SPU, 2006, 108s. ISBN 80-8069-679-9.

MAGA, J. – PISZCZLKA, J.: 2006. Mechanizácia výroby a využitia biomasy. Nitra:

Vydavateľstvo SPU, 2006, s.3-100. ISBN 80-8069-670-5.

MAGA, J a kolektív.:2010. Zelená energia riešenie pre budúcnosť. Nitra:

Vydavateľstvo SPU, 2010, s. 23-86. ISBN 978-80-552-0510-6.

PASTOREK, Z., KÁRA, J., JEVIČ, P.: 2004, Biomasa obnoviteľný zdroj energie.

Praha: FCC PUBLIC, 2004, 288s., ISBN 80-86534-06-5.

ŠESTÁK, J.: 1982. Měření termofyzikálnich vlastnosti pevných látek. Teoretická

termická analýza, Praha, ČSAV, 1982

TKÁČ, Z. – GADUŠ, J. – JABLONICKÝ, J. – ABRAHÁM, R. – BOHÁT, M.: 2008

Alternatívne zdroje energie. Nitra, 2008. ISBN 978-80-552-0095-8.

53

VOZÁROVÁ, V. 2006. Meranie a modelovanie transportných javov v biologických

poľnohospodárskych materiáloch, Nitra, SPU, 2006.

URL zdroje:

URL1: http://www.inforse.dk/europe/fae/OEZ/biomasa/biomasa.html

URL2: http://www.peletky-brikety.sk

URL3:http://www.biom.cz

54

55

56