Vytápění biomasou

Co je to vlastně biomasa? Ve Wikipedii, najdeme tuto definici: „Biomasa je souhrn látek tvořících těla všech živých organismů, jak rostlin, bakterií, sinic a hub, tak i živočichů. Energie biomasy má svůj prapůvod ve slunečním záření a fotosyntéze, proto se jedná o obnovitelný zdroj energie."

Pokud mluvíme o biomase v souvislosti s vytápěním, můžeme tuto definici zúžit a říci, že biomasa je prostě rostlinná hmota. V praxi se k topení používá z největší části dřevo ze stromů, biomasa z jiných rostlin se využívá zatím jen v menší míře. Nejde tedy o žádnou revoluční novinku, popravdě řečeno je to vůbec nejstarší používané palivo. Význam biomasy jako paliva vzrostl v poslední době proto, že biomasa je obnovitelný zdroj energie.  Z čistě energetického hlediska je biomasa „konzervovaná sluneční energie“ podobně jako třeba uhlí. Ten zásadní rozdíl je ale v tom, že biomasa se (při rozumném hospodaření) stále obnovuje a vzniklý oxid uhličitý je znovu využit rostlinami, které jej přemění na novou biomasu. V přírodě tento koloběh probíhá po miliony let a je v zásadě jedno, zda dřevo použijeme na topení či zda zetlí v lese; v obou případech se uvolní stejné množství tepla i oxidu uhličitého.

Výhody biomasy Z hlediska vytápění je asi nejvýhodnější ze všech obnovitelných zdrojů. Je dostupná skoro všude. Lze ji libovolně dlouho skladovat. Má relativně vysoký energetický obsah. Neobsahuje tolik škodlivých látek (síra, těžké kovy) jako uhlí. Dá se snadno přeměnit na teplo v jednoduchém a levném zařízení.

Spalovat lze v zásadě jakoukoli formu biomasy, lze říci, že z energetického hlediska jsou mezi rostlinami jen malé rozdíly ve výhřevnosti (viz tabulka Zdroje biomasy využitelné pro vytápění). Je ale třeba si uvědomit, že i když technicky určitou formu biomasy umíme spalovat, neznamená to, že je to výhodné i ekonomicky. Například semena olejnatých rostlin mají výbornou výhřevnost a jistě by nebyl velký problém upravit kotle na pelety pro jejich spalování, nicméně by to bylo drahé palivo, protože daleko výhodnější je vylisovat z nich olej a ten přeměnit na podstatně dražší palivo pro automobilové motory. Podobně je současná relativní výhodnost spalování obilí v kotlích dána spíše nevhodnou zemědělskou politikou.

Sušení zvýší efektivitu

Má-li být spalování efektivní, musíme biomasu napřed vysušit. Čerstvé, zelené rostliny mají velký obsah vody, voda má velké výparné teplo a s obsahem výrazně klesá výhřevnost. Je proto třeba biomasu nechat alespoň částečně vyschnout. Všeobecně se doporučuje vlhkost pod 30 % a za optimální se považuje vlhkost do 20 %. Této vlhkosti se dá ještě dosáhnout běžným sušením na vzduchu se zakrytím proti dešti. Přirozené vysoušení je ale dost pomalý proces; udává se, že je třeba dřevo pod přístřeškem nechat vysychat alespoň dva roky. Pro lisování briket nebo peletek se musí materiál vysušit na ještě nižší obsah vody a to již vyžaduje vhodnou sušárnu a spotřebuje energii. Pokud máme k dispozici nějaké odpadní teplo, pak je sušení biomasy výborným prostředkem, jak jej využít. Například v jedné rakouské bioplynové stanici využívají v letním období přebytečné teplo právě k vysoušení štěpky pro farmáře z okolí. 

Umělé vysoušení palivového dřeva je výhodné tam, kde se topí dřevem v krbech, kamnech či kotlích. Pokud u přirozeně vyschlého dřeva snížíme obsah vlhkosti z 20 % na 5 %, pak jeho výhřevnost stoupne skoro o pětinu a navíc se zlepší regulovatelnost kotle a sníží se tvorba kondenzátu při zatápění nebo při malých výkonech kotle.

Nevýhody biomasy Vzhledem k současné spotřebě energie na vytápění a ohřev vody je jí málo. Ukládání energie slunečního záření do biomasy je velmi málo účinné.  Pěstování biomasy na topení konkuruje výrobě potravin. Čerstvou biomasu je nutné před použitím sušit a vhodně upravit, což spotřebuje energii a zvyšuje cenu. Při spalování mohou vznikat různé škodlivé emise (oxidy dusíku, polycyklické aromatické uhlovodíky, fenoly apod.)

Zajímavá možnost je využít k sušení solární energii. V domech, kde je instalován větší solární systém na ohřev vody a přitápění, bývají v letním období přebytky tepla, které se používá na ohřev vody v bazénu. V období, kdy již bazén není třeba přihřívat, lze toto teplo použít na vysoušení dřeva. Jednou z možností, jak to udělat, je dát do skladu dřeva výměník topná voda – vzduch s ventilátorem. Je ale třeba pamatovat na to, že pro urychlení sušení je třeba polenové dřevo naštípat na tenčí kusy (alespoň na čtvrtky).

Řezání a lisování

Každé topidlo má nějakou optimální velikost jednotlivých kusů paliva. U kusového dřeva se velikost zmenšuje řezáním na kratší kusy a štípáním. Také většina dodavatelů dřeva ho již dnes nabízí upravené na vhodné kusy. K topení lze využívat i poměrně tenké větve, pokud je zpracujeme na takzvanou dlouhou štěpku o délce 5 až 7 cm, která je vhodná pro mnoho topidel určených ke spalování dřeva. K tomu je ovšem třeba použít drtič vhodné konstrukce. Běžné drtiče na zahradní odpad totiž dělají příliš malé kousky, které špatně vysychají a ve většině kotlů špatně hoří. Piliny nebo stébla rostlin (sláma, seno apod.) se naopak zpracovávají do větších a kompaktních kusů lisováním. V posledních letech se stále hojněji uplatňují lisované pelety (viz níže).

Hoření biomasy

Při zahřívání biomasy přes 200°C se její značná část zplyňuje. Hoří dlouhým plamenem a to poněkud komplikuje konstrukci topeniště. Další komplikací je obsah vody v čerstvé biomase a její hygroskopičnost (náchylnost k vlhnutí i po vysušení). Například uhlí může při skladování zcela promoknout, aniž by došlo k nějakému významnému snížení jeho výhřevnosti, u dřeva nebo slámy přijdeme spalováním v mokrém stavu o více než polovinu tepla, které je v nich obsažené. Při zahřívání dřeva dochází tedy nejprve k odpařování vody. To spotřebuje mnoho tepla a dřevo ochlazuje, a zpomaluje tak nástup hoření.

Spalovací komora, v níž hoření probíhá, musí mít dostatečně vysokou teplotu a musí být provedena tak, aby neztrácela zbytečně moc tepla. Do plamene se následně přimíchá takzvaný sekundární vzduch, který umožní dohoření zbylých, dosud nespálených, plynů; tím se uvolní i zbylá energie v palivu obsažená a do komína pak odchází jen oxid uhličitý a vodní pára.

Tabulka: Zdroje biomasy využitelné pro vytápění

Druh paliva	Obsah vody	Výhřevnost
Listnaté dřevo	15	14,6
Jehličnaté dřevo	15	15,6
Dřevní štěpka	30	12,2
Sláma obilovin	10	15,5
Sláma kukuřice	10	14,4
Lněné stonky	10	16,9
Sláma řepky	10	16,0

Protože klasické kotle na dřevo jsou poměrně rozměrné a je obtížné vyrobit malé kotle s dobrou účinností, v poslední době se v nich využívá takzvané pyrolyzní spalování, které umožňuje dosáhnout účinného spalování s minimální produkcí škodlivých emisí i v poměrně malých kotlích tím, že rozdělí topeniště na dvě části. 

Při spalování drobných, zcela suchých a silně slisovaných pelet, které je možné kontinuálně dávkovat do hořáku, je situace jednodušší a peletové hořáky proto mohou být znatelně menší. 

Výběr vhodného topidla

Správně se rozhodnout, čím v tom kterém případě topit, není tak úplně jednoduché. V úvahu je třeba vzít řadu faktorů:

• Potřebný tepelný výkon – kotle na tuhá paliva se dají regulovat jen do určitého minimálního výkonu; nejmenší výkon mohou dosáhnout topidla na pelety.
• Investiční náklady na zařízení a cena paliva – biomasa není jedinou možností, jak vytápět dům, na trhu soutěží s jinými zdroji (elektřina, tepelná čerpadla, zemní plyn nebo uhlí). Významné pro rozhodování jsou celkové roční náklady, do nichž vstupuje jak cena paliva, tak i odpisy (odpovídající část nákladů na koupi a údržbu vytápěcího zařízení). Obecně platí, že pokud je palivo levné, mohou být náklady na zařízení vyšší a naopak.
• Dostupnost paliva (zdroje energie) – prakticky univerzálně dostupná je například elektřina. V případě biomasy mohou být v dostupnosti jejích jednotlivých forem poměrně velké lokální rozdíly.
• Požadovaný komfort a nároky na obsluhu – topení v krbových kamnech vyžaduje poměrně časté přikládání a kontrolu, naproti tomu elektrické nebo plynové vytápění zajistí vysoký stupeň tepelné pohody zcela automaticky. Většina topidel na biomasu leží někde mezi těmito extrémy.

Topidla na dřevo

Krby: Klasický otevřený krb předává teplo do místnosti převážně sáláním a má jen velmi malou tepelnou účinnost; udává se méně než 20 %, což je z dnešního hlediska zcela nepřijatelné. Také emise škodlivých látek jsou kvůli nedokonalému spalování velké. Dnes se proto používají převážně uzavřené krby a vzduch pro spalování se zpravidla přivádí zvenku zvláštním kanálem. Část tepla z kouřových plynů se odebírá pomocí zvláštního výměníku, který může být teplovzdušný (případně s rozvodem vzduchu i do dalších místností), nebo teplovodní – ten předává teplo do radiátorů. Moderní krbové vložky mají účinnost přes 80 %. Krb se využije hlavně tam, kde je požadován „živý“ oheň a kde je výhodný sálavý přenos tepla. Nejčastěji se využívá jako doplňkový a záložní zdroj tepla například vedle elektrického nebo plynového vytápění.

Kachlová kamna: Oproti krbu mají kachlová kamna četné výhody, především vyšší účinnost (až 80 %) a schopnost akumulace tepla, což umožní rovnoměrnější vytápění a menší nároky na obsluhu. U kachlových kamen jsou spaliny do komína vedeny řadou kanálů (tahů) kde odevzdají větší část svého tepla. Také topeniště nemá nijak velké tepelné ztráty a lze dobře regulovat přívod primárního i sekundárního vzduchu. Z kachlových kamen lze také udělat rozvod teplého vzduchu do dalších místností domu; mohou tedy sloužit jako alternativa k ústřednímu vytápění. Pro svou schopnost akumulace tepla jsou dobrou volbou pro domy s malou tepelnou akumulací (například dřevostavby).

Kamna typu Bulerian: Tento druh kamen má zpravidla velký výkon a dají se v něm spalovat dlouhé kusy dřeva (polena naštípaná na čtvrtky). Obvykle nemají vnitřní šamotové obložení, a nedokážou tedy akumulovat teplo. Převážná část tepla je odváděna vzduchem (dá se připojit rozvod i do dalších místností).

Kotle pro ústřední vytápění: Výkony kotlů určených pro vytápění domů se pohybují od 18 do 100 kW (obr.4). Při použití suchého  dřeva (do 20 % vlhkosti), lze výkon snižovat až na hodnotu přibližně 40 % jmenovitého výkonu. Pod tuto hodnotu se už jít nedoporučuje, protože dojde ke zhroucení pyrolyzního procesu, účinnost spalování prudce poklesne, kotel začne dehtovat a produkovat velké množství škodlivých emisí. Problém je v tom, že pro moderní, dobře izolované rodinné domy je i dosažitelný minimální výkon 8kW příliš velký. Z tohoto důvodu se před několika lety začaly v nabídce příslušenství kotlů objevovat akumulační nádrže, které slouží k odebrání přebytečného výkonu kotle a akumulaci tepla na pozdější dobu. Akumulační nádrže umožní přizpůsobit kotel topné soustavě a ten může topit v optimálním režimu bez ohledu na momentální spotřebu tepla v domě.

Topidla na pelety: Pelety představují poměrně vysoce zhodnocenou biomasu. Jejich výroba vyžaduje relativně drahé zařízení, je také poměrně energeticky náročná a tudíž jsou relativně drahé (jen o málo levnější než zemní plyn). Pelety mají ovšem oproti kusovému dřevu řadu výhod. Nejen podstatně nižší obsah vlhkosti, ale i malé rozměry a značnou pevnost, což umožňuje jejich automatické dávkování do hořáku. Při použití vhodného zásobníku a dovozu paliva až do domu, pak topení peletami představuje srovnatelný komfort vytápění jako při použití plynu nebo elektřiny. Peletové kotle mohou mít menší výkon než kotle na kusové dřevo; na trhu jsou peletové kotle s tepelným výkonem od 2 kW do 8 kW.

Kamna na pelety: Jejich základní výhodou je velký rozsah výkonů; u malých topidel zhruba od 1kW, což umožňuje jejich použití v moderních nízkoenergetických a pasivních domech. V těchto domech je zpravidla použito rekuperační větrání. Je tedy vytvořen rozvod vzduchu, a není proto problém rovnoměrně rozdělit teplo do celého domu; tím se eliminuje hlavní nevýhoda kamen (lokální topidlo) vůči teplovodním kotlům (ústřední vytápění). Významnou výhodou je dobrá regulovatelnost  a dlouhá doba hoření při automatickém dávkování pelet ze zásobníku do hořáku. Dražší typy jsou vybaveny poměrně sofistikovanou elektronikou, která umožňuje naprogramovat, kdy mají začít topit (pelety se zapalují elektrickým odporovým tělískem) a jaký má být časový průběh teploty. Mnoho typů je provedeno jako „krbová kamna“ tj. tak, aby byl viditelný hořící oheň a aby se předávala významná část tepla sáláním.

Kotle na pelety: Vlastní hoření pelet probíhá zpravidla v poměrně malém hořáku. Do hořáku jsou pelety, v součinnosti s regulačním systémem kotle, dávkovány ze zásobníku pomocí šnekového dopravníku. Toto dávkování probíhá tak, aby byla pokryta okamžitá potřeba tepla. Zapalování pelet se obvykle provádí pomocí elektricky žhavené spirály. Spalování je poměrně účinné (udává se účinnost kolem 90 %). Hořák na pelety lze také vmontovat do existujícího kotle na tuhá paliva a na trhu jsou i kotle umožňující spalovat vedle pelet i další palivo (dřevo, zemní plyn či lehký topný olej). Kotle na pelety jsou sice relativně drahé, nicméně jde o velmi perspektivní formu topení biomasou, zvláště v nových domech s malými tepelnými ztrátami a v místech, kde není rozveden zemní plyn.

Štěpka a piliny: Dřevní štěpka je podobně jako pelety využitelná v kotlích s automatickým provozem. Do spalovací komory se dopravuje pomocí šnekového dopravníku. Dřevní štěpka se vyrábí především z odpadu při těžbě dřeva nebo prořezávání stromů kolem cest a v parcích; na štěpku se zpracovávají (často hned v lese) zbytky větví, kůry a podobně. Vzhledem k tomu, že se téměř vždy zpracovává čerstvá a tudíž vlhká surovina, bývá vlhkost štěpky poměrně vysoká. Štěpka se zpravidla spaluje spíše ve větších kotlích zásobujících teplem například zemědělské farmy nebo v obecních výtopnách zásobujících teplem celé obce.

Autor je členem odborného týmu konzultační společnosti EkoWATT CZ, s. r. o.

Článek vyšel v časopisu Dům a zahrada 8/09.