Navigace
Zpět na: Home / Časopis

Od bioenergeticky zásobované vesnice k regionu



V dalším bude představen koncept, jak je možné zásobovat přinejmenším všechny
venkovské regiony a tím i polovinu německého obyvatelstva na základě energie z
biomasy, solární termie, fotovoltaiky a větru. Pomocí geotermie, říčních i
mořských vodních elektráren je možné, spolu s racionalizací spotřeby, dosáhnout
úplné energetické autarkie jak v Německu, tak i v celé Evropě. Nejdůležitějšími
předpoklady je využití biomasy jako zásobní energie pro zajištění paliv a
elektřiny, stejně jako dalekosáhlou náhradu kapalných pohonných hmot pro oblast
dopravy elektrickým proudem.


Základ vypočtu



Základem pro výpočet roční spotřeby je modelový venkovský region s 10.000
obyvateli, hospodářstvím, řemesly a drobným průmyslem, mimo veliký průmysl. Pro
elektrickou spotřebu se v tomto případě počítá s ročním odběrem 25.000 MWh. To
dopovídá asi dvojnásobné spotřebě soukromých domů, a s ohledem na nezapočtení
velikého průmyslu to činí 40% celkové německé spotřeby proudu na obyvatele.
Spotřeba otopné energie je 100.000 MWh (1000 l topného oleje na hlavu). Protože
se v modelovém regionu vyrábí 40% přebytek paliva, odpovídá produkce tepla
zhruba alikvotně průměrné spotřebě Německa. Pro dopravu se počítá s 6.3 miliony
litrů (to odpovídá 6.000 automobilů a 300 traktorů a nákladních automobilů s
průměrnou spotřebou 1000 l benzínu resp. dieselu). Nezakalkulována zůstává
těžkotonážní, letecká a lodní doprava. Skutečná spotřeba by byla v tomto případě
o 20% vyšší. V budoucnu ale bude doprava realizována pomocí 19.000 MWh proudu a
800.000 l benzínu nebo dieselu.



Na základě současných cen (elektřiny 0,2 €/kWh, topný olej 0,8 €/l, benzín nebo
diesel 1,4 €/l) lze vyčíslit roční výdaje regionu na konvenční energetické
zdroje ve výši 21,82 milionu €. Tato částka zůstává k dispozici pro daně,
kapitálové služby a provoz nových zařízení.


Biomasa


Nezastupitelnou roli biomasy jako energetického zdroje lze odvodit především od
jejího velikého potenciálu a současně schopnosti uskladnění energie ve formě
paliva nebo bioplynu po zajištění veškeré špičkové spotřeby. Protože je biomasa
s ohledem na plošnou konkurenci s potravinami a krmivy, omezeně dostupná musí se
její energetické využití dít s nejvyšší možnou účinností. V současnosti tvoří
čistý energetický výnos, tedy využitá energie po odečtu energie pro pěstování,
sklizeň a konverzi u pohonných hmot nejvýše 20% (při ekvivalentu 1000 l
diesel/ha), zatímco při současném využití bioplynu 45%. K získání obou
energetických forem se používají hlavně plodiny, které konkurují současným
plodinovým kulturám, jako obilí, řepka a kukuřice. Přitom biomasu lze získávat
ve velikých kvantech jako druhou kulturu po řepce a ječmeni; jako slámu a hnůj;
z nevyužitých zelených ploch, úhorů, chráněných ploch, okrajů cest a vod, z
údržby komunální zeleně a z bioodpadu. Pro její energetické využití je třeba
využívat progresivní technologie.


Zvyšování efektivity a druhové rozmanitosti



Je zapotřebí nová technologie, která by zvýšila efektivitu využívání a přitom
byla schopna využít veškerou biomasu (bez dřeva) z různých stanovišť. Biomasa se
na jemno naseká (jak je zvykem při přípravě krmiv) a pak se s vysokým podílem
vody (cca 70%) konzervuje jako siláž. Takto upravená biomasa se kontinuálně
přivádí na odvodňovací lis. Jak je uvedeno na obr. 1 zde se získají dvě frakce:
kapalná a pevná. Procesem se z rostlinné hmoty získá veliký podíl všech
rozpustných a vyloužitelných organických látek jako cukrů, škrobů, olejů,
bílkovin, stejně jako minerálních látek jak chloridů, sodíku a dusíkatých a
fosforových sloučenin. V bioplynovém fermentoru, který nepotřebuje žádné drahé a
energeticky náročné míchací zařízení, kapalný substrát velmi rychle zkvasí.
Zůstane pouze voda a minerální látky využitelné jako hnojivo. Tato vysoce účinná
bioplynová výroba je možná, protože těžce či vůbec nezkvasitelné látky byly
předem odstraněny. Tuhý podíl, dalekosáhle zbavený minerálních látek, je
připraven jako palivo a může se využít ve formě briket, štěpky, ale přednostně
jako peletky. K sušení lze využít odpadní teplo z kogenerace. Na základě nízkého
obsahu minerálních látek odpovídá kvalita paliva dřevu.



obrázek 1

Neohraničenou upotřebitelnost všech rostlin v tomto systému lze vysvětlit
tím, že pro finanční kalkulaci nehraje žádnou roli, zda se vyrobí více bioplynu
nebo paliva. Výhodami nového konceptu jsou druhová bohatost různých směsných
kultur, využití tepla, nezávislost na místě, zjednodušená technologie výroby
bioplynu, kvalitní vysoce hodnotné palivo a především zvýšení energetické
výtěžnosti biomasy na cca 70%.


Dostupnost biomasy pro 10000 obyvatel



Plocha přiřazená v modelovém případě regionu jeho obyvatelům je přenositelná na
polovinu celkového obyvatelstva BRD. Pro pěstování energetických rostlin
se požaduje 15% plochy polí a 30% luk. Pole mohou být obhospodařována ve dvou
sklizních za rok při použití rozličných směsných kultur, dalekosáhle bez použití
pesticidů. Odhaduje se, že v budoucnu nebude v BRD pro pěstování potravinářských
nebo krmivových kultur potřeba 30% plochy. Tak by se získal ještě další
potenciál ploch pro zvýšení objemu biomasy. Biomasa z polí, luk a další ploch,
včetně zelené trávy se rozdělí podle popsaného postupu na dvě frakce: 65% tuhého
paliva a 35% substrátu na výrobu bioplynu. Hnůj a biologický odpad se zpracují v
běžné bioplynové stanici.




zemědělská plocha

4.000 ha polí (z toho 15%)
energetické využití (sušina)


600*20 t/ha = 12.000 t



1000 - 1500 ha druhé kultury = 7000 t


2.000 ha luk (z toho 30%)
600 ha * 8t/ha = 480 t


200 ha přírodních rezervací a okrajů cest a vod
200 * 4t = 800 t



sláma z 1.000 ha = 5.000 t


odpad
zelený odpad = 2.000 t

hnůj = 1.400 t

domácí odpad = 600 t


les
2.500 ha á 2t/ha = 5.000 t






Výroba tepla



Roční spotřeba tepla v modelovém regionu obnáší 100.000 MWh, což odpovídá 10
milionům litrů topného oleje. Z 65% zemědělské biomasy a zelené trávy se vyrobí
pelety. Dřevo je k dispozici jako štěpka. V létě se pokryje spotřeba teplé vody
ze slunce a tak může zůstat topné zařízení mimo provoz.




19.240 t pelet
90.430 MWh


5.000 t štěpky
23.500 MWh


solární termie
30.000 MWh


celkem
143.930 MWh


Aby bylo možné pokrýt spotřebu také v chladných letech, předpokládá se
množství paliva větší o více jak 40%, tzn., že v normálním roce by bylo možné
prodat 10.000 tun paliva za 2 miliony €.


Zajištění elektřiny



Elektřina se vyrábí z bioplynu, větru a slunce. Roční množství z těchto zdrojů
jsou následující:




Bioplyn (2*2,5% MW)
20.600 MWh


vítr 6*2 MW
27.000 MWh


fotovoltaika 2,5 MW
3.000 MWh


celkem
50.000 MWh


Hodnoty uvedené pro fotovoltaiku a vítr odpovídají dlouhodobému průměru.
Množství proudu z bioplynové jednotky odpovídá bioplynu vyrobenému novou
technologií.



Roční produkce proudu překračuje dvojnásobně spotřebu ve velikosti 25.000 MWh.
Je potřeba pokrýt celkovou průměrnou spotřebu i v odběrových špičkách. Redukci
špičkové spotřeby pomocí inteligentních sítí jsme nebrali v potaz. Sluncem a
větrem generovanou přebytečnou energii, jež závisí na denní době, resp. větrných
podmínkách, lze podle současných zákonů dodávat do sítě. Tento lukrativní
přebytek lze v regionu využít pro elektrickou mobilitu. Pro zajištěnou dodávku
elektrické energie v jakékoliv denní a roční době hraje rozhodující roli možnost
skladování bioplynu.



graf1style="width: 400px"
/>



Na obrázku je situace průměrného dne, kdy je k dispozici průměrný výkon větrných
a slunečních elektráren. Během různých denních dob se z těchto zdrojů generuje
přebytek proudu. Přídavný proud z bioplynu se používá pouze ve dvou špičkových
obdobích za den. V ostatní době je druhá kogenerační jednotka vypnuta a stabilně
generovaný bioplyn, z nějž by bylo možné získat 46.500 kWh elektřiny, se ukládá.


graf2


Na dalším obrázku je uveden průběh zásobování elektrickým proudem během
bezvětrného dne s hustou oblačností. Výroba proudu probíhá výlučně z bioplynu.
Ze stále pracujícího generátoru se pokrývá základní spotřeba proudu a druhý
generátor je připraven pokrývat špičkovou spotřebu z uskladněného bioplynu.
Denní spotřeba je v tomto případě následující:




proud ze základní kogenerace
56.600 kWh


proud z uskladněného bioplynu
11.900 kWh


celkem
68.500 kWh


Bioplyn, který byl uskladněn za průměrného dne a jenž odpovídá 46.500 kWh
elektřiny, by postačoval pokrývat dodatečnou spotřebu elektřiny, při samotné
výrobě veškeré elektřiny z bioplynu 4.9 dne. Není příliš pravděpodobné, že by se
během 4 dnů a 22 hodin nevyrobila žádná elektřina z větru a fotovoltaiky. Přesto
je druhá kogenerační jednotka vybavena motorem na rostlinný olej, takže lze
překlenout i delší období. Spotřeba oleje je 3000 litrů denně.




graf3



Téměř ideální jistota zásobování existuje v případě intenzivního slunečního
záření a bezvětrného počasí. Pouze dvakrát za den je nutné zapnout druhý
generátor, aby byl k dispozici špičkový proud.


V případě příznivých větrných podmínek lze z větrných elektráren pokrývat
celou regionální spotřebu a ještě bude vyroben přebytek proudu, jenž lze využít
pro mobilitu.



graf4

Energie a doprava



Etanol a biodiesel



V oblasti dopravy potřebuje region pro konvenční motory 6.3 milionu litrů
dieselu a benzínu. Výroba potřebných pohonných hmot z biomasy (etanolu a
biodieselu) není možná. Teoreticky je k dispozici v modelovém regionu
3.400 ha, které by mohly v optimálním energetickém režimu pokrýt nejvýše
polovinu spotřeby, ale pak by nebyly k dispozici žádné plochy nezbytné pro
pěstování potravin a krmiv.


Elektrický pohon



Energetická spotřeba vozidel je asi třetinou spotřeby pohonných hmot, čili 6.3
milionu litrů pohonných hmot by bylo možno nahradit 21.000 MWh elektrického
proudu. Vývoj elektromobilů jde rychle kupředu. S tím, jak je dojezd
elektromobilů omezen, a jak prozatím není možná výměna baterií na tankovacích
místech, bude veliký podíl těchto aut vybaven pomocným spalovacím motorem.
Energie potřebná pro jejich spotřebu činí pouze malou část, protože 90% všech
denních tras v Německu je kratší než 60 km. K tomu ještě přistupuje možnost
opětovného nabití akumulátorů ze sítě během poměrně krátké doby 4 hodin.
Následující kalkulace energetické spotřeby pro osobní auta vychází z předpokladu
95% proudu a 5% pohonných paliv. Nákladní auta a traktory se budou provozovat na
biopaliva „druhé generace“ tzv. BtL (Biomass to Liquid).




proud
19.000 MWh


palivo pro osobní auta
300.000 l biopaliva


traktory a nákladní auta
500.000 l biopaliva



Výroba proudu v modelovém regionu činí 50.600 MWh, po odečtení spotřeby
domácností a řemeslníků zbývá 25.600 MWh, po odečtení 19.000 MWh pro provoz
osobních aut, takže přebytek 6.600 MWh sice pohonné hmoty nekompenzuje
energeticky, ale finančně ano. Nedostačující pohonné hmoty se budou dát koupit
až tehdy, až budou na trhu. U BtL se jedná o novou technologii, která byla
vyvinuta v první polovině minulého století na zkapalnění uhlí. Touto technologií
může hektarový výnos biopaliv vzrůst čtyř a šestinásobně a po technologii lze
využít jakoukoliv formu biomasy, včetně slámy a dřeva.


Závěr

Rentabilita



Jedna z prvních otázek patří rentabilitě. Na tomto místě je možný jenom hrubý
odhad, přičemž budou proti sobě postaveny příjmy a výdaje.



Jako celkový příjem se kalkulují současné ceny fosilního energetického
zásobování a k nim je připočten výnos z prodeje pohonných hmot. Celková částka
tak činí 23.82 milionů €. Pro provoz aut se redukuje příjem s ohledem na nižší
spotřebu proudu o dvě třetiny. V modelovém regionu lze tedy 6.3 milionu litrů
pohonných hmot, odpovídajících 8.82 milionům €, nahradit proudem v objemu 19.000
MWh (3.8 milionů €) a 800.000 l biopaliva. Používáním elektrického pohonu se
snižují náklady na provoz aut o 3.9 milionů €, což odpovídá 650 € na jeden
automobil. Z této částky by mohlo být financována vyšší cena elektromobilu.
Zbylý příjem 20 milionů je k dispozici pro financování nákladů odhadovaných na
80 milionů €, včetně převzetí elektrické sítě a jejích provozních nákladů ve
výši 9 milionů €.


Energetická soběstačnost pro 50% obyvatelstva?



Nejdůležitějším zdrojem akumulace pro energetickou energii je uskladněná biomasa
ve formě paliva a bioplynu. Zemědělské plochy mohou takto zásobovat venkovské
regiony a tím i polovinu obyvatelstva. K tomu je potřeba 15% polí a 30% luk.
Zejména při integraci dalších energetických zdrojů je přenositelnost modelu na
polovinu obyvatelstva lehce přenositelná.


Energetická soběstačnost pro 100% obyvatelstva?



Přenos modelového regionu na celou zemi vyžaduje rozšíření využití biomasy,
snížení spotřeby tepla na 50% a zvýšení produkce elektřiny o více jak 40%.


Biomasa



Energetické využití biomasy by muselo být založeno na 30% energetickém využití
plochy polí a 50% využití luk. Toto rozšíření by neohrožovalo produkci potravin
a krmiv, pakliže by se o třetinu snížil konzum masa, který je (v Německu)
dvakrát tak vysoký než v Itálii. Další ekvivalentní plochy by se mohly uvolnit
zvýšením výnosů a úbytkem obyvatelstva. Přebytky zemědělské produkce by se
neměly levně vyvážet, především z důvodů ochrany zemědělské produkce chudých
zemí.


Opačně ale z těchto zemí se nemá exportovat bioenergie na úkor domácí
potravinové bezpečnosti, jak se bohužel stále ve větší míře děje v případě
etanolu z Jižní Ameriky a biodieselu z Afriky a východní Asie.


Teplo



Vysoký podíl sluneční termie a geotermie umožňuje spolu s biomasou bezpečné
zásobování teplem. Aby byla k dispozici biomasa pro výrobu pohonných hmot,
je třeba při spotřebě tepla šetřit. Při snížení spotřeby o 30%, což odpovídá
snížení spotřeby biomasy o 50%, zůstává k dispozici cca 60 milionů sušiny
biomasy pro výrobu pohonných hmot.


Proud


100% energetická autarkie celé země vyžaduje u elektrického proudu obzvláštní
úsilí. V Německu je roční spotřeba proudu 530 milionů MWh. Elektrickou mobilitou
se zvyšuje na cca 750 milionů MWh. Další potřeba proudu je ještě dalších 350
MWh.



Tento proud lze získat pouze nadregionálně z mořských větrných parků a
elektráren využívajících sluneční záření, vody, přílivu a vln, stejně jako
„clean coal“ tepelných elektráren. Špičkovou spotřebu je třeba redukovat
cenovými mechanismy. Vedle bioplynových zásobníků mají veliký význam také
přečerpávací elektrárny.


Pohonné hmoty



Elektrifikace těžkotonážní dopravy, stejně jako elektrická lodní a letecká
doprava nejsou realizovatelné. Potřeba pro toto odvětví dopravy se odhaduje na
15 milionů tun paliva. Toto množství nelze realizovat ve vlastní zemi pomocí
biodieselu a etanolu. Objem by odpovídal při optimistické bilanci energetického
výnosu ploše 15 milionů ha, tj. o 3 miliony více než je zemědělské plochy.
Technologií BtL by bylo možné při úspoře tepla odpovídající 60 milionům tun
biomasy vyrobit až 15 milionů tun pohonných hmot.


Prof. Dr. Konrad Scheffer vyučoval na Institutu pro využití rostlin
Univerzity v Kassel - Witzenhausenu. Je členem představenstva německé
sekce EUROSOLARU



přeložil MS


© eurosolar.cz 2018