Využívanie biomasy ako zdroja energie predstavuje významný krok smerom k udržateľnejšiemu a ekologickejšiemu vykurovaniu. Biomasa je v podstate zakonzervovaná slnečná energia, ktorú rastliny vďaka fotosyntéze premieňajú na organickú hmotu. Pri tomto procese viažu oxid uhličitý a pri horení ho zasa uvoľňujú.
Biomasa ako zdroj energie
Ekologické a ekonomické výhody
Jedným z hlavných efektov využívania biomasy je razantné zníženie produkcie škodlivých emisií. Napríklad, pri spaľovaní biomasy dochádza k výraznému zníženiu oxidu siričitého a skleníkového plynu oxidu uhličitého. Popol zo spaľovania drevnej štiepky je navyše možné efektívne využiť na rekultiváciu pôdy, čo zvyšuje ekologický prínos tohto riešenia. Okrem environmentálnych výhod má využívanie biomasy aj významný ekonomický a sociálny dopad. Výroba a doprava drevnej štiepky, napríklad pri ročnej spotrebe približne 70 000 ton, dokáže vytvoriť stovky nových pracovných miest.
Príklad rozsiahleho využitia: Martinská teplárenská
Moderný kotol s výkonom 60 megawattov v Martinskiej teplárenskej dokáže za hodinu vyprodukovať 75 ton pary. Na kľúč ho dodala fínska spoločnosť Metso Power na základe medzinárodného tendra, pričom celková investícia dosiahla 16 miliónov eur. Martinská teplárenská, ktorá predtým spaľovala iba dovážané hnedé uhlie (ročne až 150 000 ton), vďaka využívaniu biomasy ročne vyrobí 25 000 megawattov hodín elektrickej energie. To predstavuje takmer tretinu z jej celkovej produkcie.
Prínosy tohto projektu sú zjavné: razantné zníženie produkcie oxidu siričitého vypúšťaného do ovzdušia o 170 ton a skleníkového plynu oxidu uhličitého približne o 50 000 ton ročne. Viceprezident Prezídia a predseda výboru Fondu národného majetku (FNM) SR, Vladimír Kocourek, zdôraznil ekologický aj ekonomický význam nového kotla. Martinská tepláreň je jednou zo šiestich teplární vo vlastníctve fondu a je prvá, ktorá spaľuje biomasu z obnoviteľného zdroja energie. Zdôraznil tiež, že investície do nového kotla neovplyvnia ceny tepla pre obyvateľstvo.
Druhy palív z biomasy
Palivo má zásadný vplyv na prevádzkové náklady vykurovacieho systému. Existuje viacero druhov biomasy, ktoré sa používajú ako palivo v kotloch:
- Drevo: Zahŕňa polená (s dĺžkou 30 až 50 cm, prípadne do 100 cm) a rôzne kusové odpady z drevospracujúceho priemyslu.
- Drevná štiepka: Vyrába sa z odpadovej biomasy drvením.
- Piliny a hobliny: Odpadový materiál z drevospracujúceho priemyslu.
- Drevné pelety: Granule kruhového prierezu s priemerom 6 až 8 mm a dĺžkou 10 až 30 mm. Sú vyrobené z odpadového materiálu (piliny, hobliny) bez chemických prísad. Lisovaním pod vysokým tlakom sa dosahuje vyššia merná hmotnosť paliva (minimálne 650 kg/m3).
- Drevné brikety: Valce s dĺžkou 15 až 25 cm, vyrábané z odpadovej biomasy drvením, sušením a lisovaním bez chemických prísad. Brikety majú vysokú mernú hmotnosť paliva (1200 kg/m3), vďaka čomu zaberú pri uskladňovaní menej miesta.
- Rastlinná biomasa: Slama, seno a iné rastlinné odpady.
Kvalita paliva: vlhkosť a výhrevnosť
Vlhkosť paliva je kľúčový parameter, ktorý ovplyvňuje účinnosť spaľovania a výhrevnosť. Relatívna vlhkosť drevného paliva sa pohybuje od 15 do 55 %. Pri správnom spaľovaní a optimálnej vlhkosti horí drevo takmer bez dymu, ľahko sa zapaľuje a tvorí málo popola. Ak je kotol určený na spaľovanie suchých polien, nie je vhodné v ňom spaľovať čerstvo narezané drevo, ktoré obsahuje vysoký podiel vody. Pre drevo-splyňovacie kotly je vyžadovaná vlhkosť pod 20 %.
Výhrevnosť je parameter, ktorý definuje energetický obsah dreva a výrazne rastie pri znižovaní vlhkosti. Výhrevnosť čistej sušiny sa pohybuje od 4,86 do 5,55 kWh/kg pri vlhkosti na úrovni 0 %, ktorá je však nedosiahnuteľná. Pri bežnej vlhkosti na úrovni 20 %, ktorú možno dosiahnuť pri skladovaní na vzduchu po dobu približne 1,5 - 2 rokov, dosahuje drevo v závislosti od druhu výhrevnosť okolo 3,89 kWh/kg.
Doprava a skladovanie paliva
Cena za palivo a jeho dopravu môže výrazne ovplyvniť celkové náklady na vykurovanie. Ideálne je, ak dodávateľ biomasy pôsobí v blízkom okolí. Pre uskladnenie paliva sú k dispozícii rôzne riešenia:
- Zásobníky: V kotloch na drevné pelety bývajú zásobníky skonštruované tak, aby objem vsypaného paliva vystačil asi na jeden týždeň. Štandardný objem je od 100 litrov (cca 65 kg dennej potreby) až do 1 000 litrov (postačuje na cca 10 dní).
- Zásobníkové silá: Umožňujú dlhší cyklus prikladania. Pelety môžu byť umiestnené v silách aj v drevenej prístavbe alebo v podzemnej nádrži, odkiaľ sú dopravníkom premiestňované do prevádzkového zásobníka alebo priamo do kotla. Ak objem sila zodpovedá ročnej potrebe paliva, užívateľ sa nemusí starať o dopĺňanie paliva celý rok.
- Sklady väčších rozmerov: Pre pelety je možnosť uskladnenia vo väčších skladoch s využitím fúkania priamo z autocisterny, čo znižuje náklady na dopravu paliva. Často sa ako zásobník využíva aj časť kotolne.
Moderné kotly na biomasu
Moderné kotly na biomasu sa vyznačujú vysokou účinnosťou a komfortnou prevádzkou. Sú vhodné ako jediný zdroj tepla, ale aj ako doplnok kotlov na vykurovací olej či plyn.
Drevo-splyňovacie kotly
Princíp fungovania drevo-splyňovacieho kotla spočíva v tom, že za určitých podmienok sa z tuhého paliva uvoľňuje plyn, ktorý je následne spaľovaný. Kotol sa v podstate skladá z dvoch nad sebou uložených komôr. V hornej komore nastáva proces splyňovania, t.j. uvoľňovania plynných horľavých zložiek z dreva, ktoré následne horia za prívodu predhriateho vzduchu v dýze. Keramická dýza oddeľuje hornú a spodnú spaľovaciu komoru. Prívod vzduchu pre spaľovanie, ako aj odvod spalín do komína zabezpečuje spalinový ventilátor.
Oproti klasickým roštovým kotlom na spaľovanie dreva zostávajú v kotloch na splyňovanie dreva minimálne tuhé zvyšky. Účinnosť týchto kotlov je aj viac ako 85 %, čo má za následok nižšiu spotrebu paliva a podstatne nižšiu tvorbu tuhých nespálených častíc - popola.
Prevádzka a údržba: Pri kotloch na splyňovanie je nevyhnutným príslušenstvom tzv. odťahový ventilátor, ktorý zabraňuje dymeniu kotla do miestnosti pri prikladaní paliva. Kotly sú vybavené aj dýzou na splyňovanie a roštom, ktorý umožňuje optimálne vyhorenie paliva a odpopolnenie. Na podporu horenia sa do spaľovacej komory vháňa vzduch. Výrobcovia odporúčajú na optimálne využitie inštalovaného výkonu zapojenie kotla s akumulačnou nádržou.
Optimálny výkon: Najefektívnejšia prevádzka splyňovacích kotlov je od 50 do 100 % ich menovitého výkonu. Pri prevádzke pod 50 % menovitého výkonu je horenie nedokonalé, čo spôsobuje nízku účinnosť, zvýšenú produkciu škodlivín a zanášanie kotla aj komína sadzami. Taktiež môže dochádzať ku korózii teplovýmenných plôch kotla. S akumulačnou nádržou, v ktorej sa ukladá prebytok vyrobeného tepla, možno kotol prevádzkovať efektívnejšie, najmä v prechodnom období, keď potreba tepla nie je rovnomerná. Ak je nádrž plne „nabitá“, kotol sa automaticky odstaví a vykuruje sa naakumulovaným teplom.
Spotreba paliva a náklady: Spotreba paliva v splyňovacom kotle na drevo sa pohybuje od asi 4 kg/hod. pre kotol s výkonom 18 kW až po 18 kg/hod. pre 80 kW zariadenie. Cena teplovodného kotla so systémom splyňovania dreva (vrátane bezpečnostného výmenníka a čerpadla) pre priemerný rodinný dom s výkonom 15 až 25 kW sa pohybuje medzi 1200 až 1600 eur.
Peletové kotly
Výhodou kotlov na spaľovanie drevných peliet je ich komfortná a automatizovaná prevádzka. Zásobníky paliva stačí naplniť raz denne alebo raz za niekoľko dní v závislosti od ich veľkosti a aktuálnej potreby tepla. Elektronické riadenie umožňuje automatické podávanie peliet s nastavením presného dávkovania, automatické zapálenie a automatické vypnutie kotla. V prípade, že horák na pelety dostane pokyn k štartu alebo vznikne potreba vykurovať, dopravník nasype pelety, ktoré horák zapáli. Po dostatočnom rozhorení peliet naštartuje horák na požadovaný výkon. Kotol je v prevádzke, pokiaľ teplota v referenčnej miestnosti nedosiahne hodnotu nastavenú na priestorovom termostate. Ak nie je inštalovaný priestorový termostat, prevádzka kotla je riadená nastavenou limitnou hodnotou teploty kotlového termostatu.
Účinnosť a údržba: Účinnosť moderných kotlov na spaľovanie drevných peliet je nad 90 %, vďaka čomu sa môže usporiť až 25 % paliva oproti klasickým roštovým kotlom. Spaľovaciu komoru a popolník je potrebné čistiť raz za 1 až 30 dní, podľa kvality peliet a veľkosti popolníka.
Kombinované kotly na drevo a pelety
Kombinované kotly ponúkajú flexibilitu vykurovania na drevo, na pelety, alebo ich kombináciu. Po ukončení horenia dreva môže kotol automaticky prejsť na vykurovanie peletami, čo zabezpečuje nepretržitý komfort. Elektronické riadenie umožňuje automatické podávanie peliet s presným dávkovaním, automatické zapálenie a vypnutie.
Špeciálne kotly na rastlinnú biomasu a drevné odpady
Kotly na biomasu sú vyrábané aj v prevedeniach podľa druhu spaľovaného paliva. V prvom variante sú k dispozícii unikátne konštrukcie kotlov, umožňujúce spaľovať celé balíky rastlinnej biomasy (slama, seno) bez nutnosti predchádzajúceho rozdruženia alebo delenia. Tieto typy kotlov sa najviac uplatňujú v poľnohospodárstve. V druhom variante sú kotly na spaľovanie drevných odpadov, ako je štiepka, zmesi pilín a hoblín, kôry, odrezkov, rašelín a ďalších.
Pre priemyselné a väčšie aplikácie sa vyrábajú kotly o výkonoch od 100 do 6250 kW. Najvhodnejší zdroj na biomasu s ohľadom na zvoz paliva je do 10 MW (napríklad 2x 5 MW).
Aspekty výberu a inštalácie kotla
Kúpa kotla je dlhodobá investícia, a preto je dôležité zvážiť viaceré faktory.
Určenie potrebného výkonu
Pri nahradzovaní starého kotla novým je hodnota výkonu takmer jasná. Pokiaľ bol dom nedávno zateplený, potrebný výkon nového kotla bude nižší. Pri výbere kotla pre novostavbu je nutné mať príslušné informácie od projektanta domu, ktorý určí tepelné straty domu a stanoví potrebu tepla tak, aby bola zabezpečená tepelná pohoda počas celej vykurovacej sezóny.
Účinnosť ako kľúčový parameter
Účinnosť spaľovacieho procesu značne ovplyvňuje konečnú spotrebu paliva. Zatiaľ čo v klasických roštových kotloch zastaraných konštrukcií sa účinnosť v praxi pohybuje od 65 do 70 %, účinnosť moderných kotlov na spaľovanie drevných peliet je nad 90 %, čo môže viesť k úspore až 25 % paliva. Vyššia účinnosť tepelného zariadenia má tiež za následok nižšiu tvorbu tuhých nespálených častíc - popola.
Dôležité príslušenstvo
Prvotnú investíciu okrem ceny samotného kotla tvoria aj ďalšie významné náklady spojené s príslušenstvom. Nevyhnutný je najmä zmiešavací okruh pre kotol, ktorý zvyčajne pozostáva z čerpadla, teplomera, zatváracieho a termoregulačného ventilu a 3-cestnej zmiešavacej armatúry so servopohonom. Aby sa zvýšila efektívnosť používaného kotla a neznižovala životnosť, odporúča sa dokúpiť aj akumulačnú nádrž.
Prestavba starých kotlov a jej nevýhody
Na trhu sa objavujú ponuky na prestavbu kotlov, ktoré umožnia spaľovať iný druh paliva. Zvyčajne sa upravujú liatinové kotly na uhlie, v ktorých je možné po výmene dvierok a inštalácii horáka spaľovať pelety. Nevýhodou tohto riešenia je najmä nižšia účinnosť a z nej vyplývajúca vyššia spotreba paliva, ako aj horšie parametre emisií tuhých znečisťujúcich látok.
Záruka a dlhodobá investícia
Dĺžka záruky veľa napovie o tom, ako si je výrobca istý kvalitou svojho produktu. Kúpa kotla je dlhodobá investícia, a preto je dôležité zvoliť spoľahlivého výrobcu a model.
Ostatné vykurovacie systémy na biomasu
Okrem kotlov sú pre vykurovanie rodinných domov k dispozícii aj ďalšie zariadenia na biomasu, ktoré slúžia ako hlavný alebo doplnkový zdroj tepla.
Akumulačné pece
Akumulačné pece produkujú sálavé teplo. Pec tvoria šamotové tehly, ktoré akumulujú teplo, to sa postupne uvoľňuje sálaním do okolia. Výhodou je menšie vírenie a vysušovanie vzduchu. Pri umiestňovaní treba rátať s pomerne veľkým priestorom a na vyhriatie domu je potrebný dlhší čas. Účinnosť akumulačnej pece je možné zvýšiť systémom s dvojitým spaľovaním, kedy dochádza aj k spaľovaniu plynov vznikajúcich pri horení. Špeciálnym druhom sú hypokaustové pece, v ktorých sa teplo šíri ohriatym vzduchom, ktorý prúdi v uzavretej obmurovke pece. Vďaka tomu sa oproti ťažkým akumulačným peciam rýchlejšie a rovnomernejšie ohrievajú. Rozdiel medzi akumulačnými pecami a krbmi je najmä v spotrebe paliva. Akumulačné pece sú pomerne nákladné, keďže ide o ťažkú vstavbu s rovnakou životnosťou ako samotný dom. Najlacnejšie akumulačné pece možno postaviť od 7 000 eur.
Teplovzdušné krby a krbové kachle
Teplovzdušné krby a krbové kachle sa skôr hodia pre chaty, domy s vyššími tepelnými stratami alebo ako doplnkový zdroj tepla. Umiestnenie by malo byť podľa možnosti uprostred stavby. Veľkosť je závislá od požadovaného výkonu. Ohnisko by malo byť vždy s utesnenými dvierkami. Teplovzdušné vstavané krby majú oceľovú alebo liatinovú krbovú vložku, ktorá odovzdáva teplo vzduchu v krbovej obostavbe. Dole je otvor na nasávanie a hore výduchy. Odtiaľ prúdi do miestnosti teplý vzduch a interiér sa rýchlo zohreje. Prúdenie vzniká aj pri krbových samostatne stojacich kachliach z ocele alebo liatiny. Ohriaty vzduch je možné pomocou teplovzdušných rozvodov doviesť aj do miestností, ktoré nie sú v blízkosti zdroja. Pri návrhu je dobré pamätať na to, že rozvodom sa šíri okrem tepla aj zvuk.
Teplovodné krby a kachle
Teplovodné krby a kachle sú alternatívou k prehorievacím kotlom na kusové drevo a brikety. Konštrukčne sa od teplovzdušných zdrojov líšia pridaným rúrkovým výmenníkom, ktorý odoberá teplo spalín a odovzdáva ho vykurovacej vode. Alternatívne môže byť zariadenie vybavené vodným plášťom alebo kombináciou vodného plášťa a výmenníka. Výhodou oproti teplovzdušným zdrojom je najmä vyššia účinnosť spaľovania. Takto získané teplo možno použiť v existujúcom vykurovacom systéme alebo na ohrev vody. Najčastejšie sa preto kombinujú s akumulačnou nádobou, ktorá môže byť spoločná pre viac zdrojov tepla. Nutnosťou je potom použitie obehového čerpadla a bezpečnostných prvkov ako pri kotloch na drevo. Ako palivo sú vhodné polená veľkosti 30 až 50 cm, v závislosti od veľkosti ohniska, ktoré musí byť dobre vysušené.
Podpora a návratnosť investícií
Vykurovací systém na biomasu je hospodárnou alternatívou, a to aj pri zohľadnení celkovej investície. Investícia sa vráti už po krátkom čase vďaka výraznému zníženiu nákladov na iné palivá. Rodinné a bytové domy sa môžu uchádzať o podporu formou poukážky na inštaláciu kotla na biomasu vďaka národnému projektu Slovenskej inovačnej a energetickej agentúry s názvom Zelená domácnostiam. Podmienkou pre získanie podpory je nahradenie zdroja na fosílne palivá. Projekt je financovaný z prostriedkov Európskeho fondu regionálneho rozvoja a štátneho rozpočtu Slovenskej republiky prostredníctvom Operačného programu Kvalita životného prostredia.
Maximálny výkon kotla na biomasu pre rodinný dom, na ktorý bude poskytnutý príspevok, je obmedzený na 15 kW. V prípade bytového domu je to maximálne 5 kW inštalovaného výkonu kotla na biomasu na každý byt. Oprávnené výdavky sú celkové náklady na dodávku a inštaláciu zariadenia v rozsahu obstarávacej ceny.
Z porovnania nákladov vyplýva, že pre štandardný rodinný dom bez zateplenia s celkovou vykurovanou plochou 150 m2, v ktorom žije štvorčlenná rodina, je potrebných približne 2 674 m3 zemného plynu, respektíve 22 300 kWh tepla. Pri využití zemného plynu by náklady na vykurovanie ročne dosiahli 1 403 €.
Príklady výrobcov a ich riešenia
Medzi popredné spoločnosti v oblasti kotlov na biomasu patrí taliansky výrobca Arca, ktorého výrobky sa vyvážajú do 37 krajín sveta. Ich produktová skupina zahŕňa kotle na drevo, pelety alebo kombináciu dreva a peliet.
- Automatický peletový kotol Arca: Je vyrábaný so zásobníkom na pelety, ktorý je umiestnený v hornej časti kotla. Elektronické riadenie umožňuje automatické podávanie peliet s nastavením presného dávkovania, automatické zapálenie a automatické vypnutie kotla. Kapacita zásobníka na pelety je minimálne 7 dní.
- Oceľový drevo-splyňovací kotol Arca: Určený na vykurovanie tuhým palivom, ktoré sa umiestňuje do hornej časti kotla. Inovatívne riešenia maximalizujú účinnosť kotla a minimalizujú negatívny dopad na životné prostredie. Elektronické riadenie umožňuje moduláciu plameňa, kontrolu teploty spalín a vody, ako aj kontrolu bezpečnosti kotla. Pri bežných podmienkach vykurovania sa prikladanie paliva vykonáva v priemere 2-3 krát denne (každých 6-10 hodín).
- Kombinovaný oceľový kotol Arca: Ponúka možnosti vykurovania len na drevo, len na pelety alebo kombináciou - po ukončení horenia dreva, kotol automaticky prejde na vykurovanie peletami. Elektronické riadenie umožňuje automatické podávanie peliet s nastavením presného dávkovania, automatické zapálenie a automatické vypnutie kotla. Kapacita externého zásobníka na pelety je minimálne 7 dní.
Okrem kotlov sú k dispozícii aj rôzne druhy akumulačných nádob na výrobu a akumuláciu teplej úžitkovej vody alebo teplej technickej vody od značiek ako Cordivari, vrátane izolácie.