Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Polní dříví – palivo pro budoucnost?

Energie z výmladkových plantáží
 |  13. 7. 2006
 |  Vesmír 85, 393, 2006/7

V posledních dvaceti letech se v Evropě na stále větší rozloze zemědělské půdy uplatňuje nový systém hospodaření. Je založen na velmi krátkém sklizňovém cyklu (obmýtí) při výmladkovém pěstování rychle rostoucích dřevin. Produkční porosty se nazývají (výmladkové) plantáže rychle rostoucích dřevin nebo energetické plantáže. Pro naše klimatické podmínky jsou nejvhodnější některé klony topolů a vrb. Produktem je dřevní hmota, nejčastěji ve formě štěpky, která slouží jako pevné biopalivo. Lze očekávat využití biomasy také při výrobě dřevních pelet, tekutých biopaliv a stavebních materiálů. 2)

Rychle rostoucí dřeviny pěstované ve výmladkových plantážích jsou v Evropě zatím jedinou komerční energetickou plodinou. 3) Ve Švédsku se nyní ročně sklízí asi 3500 ha vrbových výmladkových plantáží z celkové rozlohy 16 000 ha. Pěstování rychle rostoucích dřevin a prodej štěpky tam úspěšně zajišťují soukromé firmy, které využívají příznivé dotační podmínky a předpokládají rozšiřování plantáží. Produkovaná biomasa je pro svoji homogenitu i dostupnou cenu žádaným bio-palivem ve středním a jižním Švédsku. Ve Velké Británii je asi 2000 hektarů a dalších 4000 ha se bude zakládat. Štěpka se spaluje ve velkých elektrárnách společně s uhlím. Rozloha plantáží narůstá také v Polsku, Dánsku a Německu. V České republice je dnes více než 100 ha výmladkových plantáží.

Dřevo – biomasa jako palivo

Celosvětově se odhaduje, že biomasa pokrývá okolo 15 % energetických potřeb lidstva. V chudších oblastech Afriky, Jižní Ameriky a Asie je biomasa často hlavním zdrojem energie. Někde jsou lidská společenství dokonce téměř nezávislá na fosilních palivech a všechnu energii si zajišťují z domácí biomasy primitivními postupy s nízkou účinností. Například v Číně jsou tradiční farmy, jež si produkují bioplyn pro vaření a svícení z organických odpadů v podzemních „bioplynových stanicích“. Zdroje biomasy sice nepokryjí energetickou poptávku rychle se rozvíjejících zemí, ale při zavedení nejmodernějších způsobů spalování, výroby energie a biorafinace může být biomasa významným regionálním zdrojem. V prudce se rozvíjející Číně a Indii, kde chybí dokonalá elektrická rozvodná síť a stát nestačí zajišťovat energii centralizovaně, se dnes stavějí lokální firemní elektrárny, z nichž některé využívají místní odpadní biomasu (např. z výroby papíru) nebo zbytky z nevyužité rýžové slámy. Brazílie, která nemá dostatečné zásoby fosilních paliv, již více než 30 let úspěšně komerčně vyrábí palivo pro spalovací motory na bázi biolihu z bagasy – odpadu při výrobě cukru z cukrové třtiny. Podíl biobenzinu se na brazilské spotřebě automobilových paliv pohybuje mezi 15–30 %.

České země mají poměrně dlouhou tradici využívání různých forem biomasy pro výrobu energie. Asi nejznámější byly dřevoplynové agregáty pro pohon automobilů za druhé světové války a těsně po ní (přikládala se polínka nebo dřevěné uhlí). Hlavním zdrojem dřevní biomasy – palivového dřeva – byly a dosud jsou lesní porosty, které pokrývají přibližně třetinu území České republiky. Dnes se u nás ročně vyrábí (prodává) oficiálně okolo 600 tisíc m3 palivového dřeva, ale odhaduje se, že samovýroba může být přibližně stejná.

Největšího rozsahu nabylo u nás využívání biomasy pro energetické účely ještě před nástupem spalovacích motorů, byť trochu jinak. Hlavním zdrojem „paliva“ byla zemědělská půda, která pokrývá přes polovinu rozlohy státu. Tehdy byla až třetina produkce obilnin (zejména ovsa) zkrmena hospodářskými, především tažnými zvířaty – a ta ji přeměnila na energii kinetickou. Přibližně v první republice, kdy tažných zvířat s rozvojem zemědělské mechanizace ubývalo, nastal problém, který je aktuální dodnes: Jak efektivně využít zemědělskou půdu v méně úrodných oblastech, na níž se dříve pěstovaly krmné (energetické) plodiny? Hledaly se nové zemědělské plodiny a nová využití plodin tradičních, například u nás existoval dotační program, který podporoval pěstování brambor pro výrobu lihu na Českomoravské vrchovině. Na trhu s kapalnými palivy se vyskytovalo několik směsí využívajících biolíh. Trendu se přizpůsobil i letecký průmysl, který vyráběl pro armádu letadla s motory na více kapalných paliv.

Potenciál biomasy v České republice

Poměrně velká část zemědělských půd se dnes považuje za „půdy s nižším produkčním potenciálem“ a na jejich obhospodařování se formou dotací vynakládají značné finanční prostředky. Podle různých zdrojů a přístupů jde o plochu od 0,3 do 1 milionu hektarů především v chlumních a podhorských oblastech s kratší vegetační dobou, nižší průměrnou roční teplotou a nadprůměrnými srážkami. Nabízejí se otázky, zda lze tento volný potenciál využít k produkci energetické biomasy a jaké rostliny se do těchto oblastí hodí.

Státní energetická koncepce předpokládá, že v roce 2030 budou obnovitelné zdroje pokrývat 15,75 % primárních zdrojů energie. Biomasa se na tomto nárůstu má podílet dominantně (80 %). V odborných kruzích se však často diskutuje, zda to je realistické.

S biomasou na pole

Podle nejodvážnějších odhadů by se energetické plodiny (včetně řepky pro bionaftu a obilnin pro etanol) měly pěstovat na 850 tisících hektarech (asi 20 % zemědělské půdy). To je sice značná rozloha, ale pěstování energetických plodin včetně výmladkových plantáží má poměrně velkou podporu, protože nabízí další celospolečenské přínosy.

Vyšším využitím biomasy by se snížila závislost na fosilních palivech dovážených z nestabilních oblastí. Evropská unie je na nich dnes závislá z 60 % a předpokládá se, že do r. 2020 závislost navzdory všem snahám vzroste na 70 %. Podle některých analýz je potenciál biopaliv z nových zemí Evropské unie schopen v dlouhodobém výhledu (do r. 2030) nabídnout 6 až 12 EJ. 4) V optimálním případě by mohl zajistit třetinu energetických potřeb rozšířené Unie. Nejvyšší podíl tohoto potenciálu tvoří pěstovaná biomasa (83–94 %). Nezbytná však bude intenzifikace zemědělství, aby bylo pro energetické plodiny k dispozici více půdy. Námitky vznášejí zejména ochránci přírody, kteří v intenzifikaci zemědělství vidí hrozbu pro životní prostředí.

Problémem současného evropského zemědělství je nadprodukce potravin z intenzivního hospodaření. Přímým důsledkem je zvyšující se rozloha půd, pro kterou se hledá využití, a to zejména půd méně úrodných a v méně příznivých oblastech. Perspektivu nabízí efektivní pěstování energetických plodin. Z pohledu zemědělce je současná vysoká poptávka po energetické biomase jednou z hlavních výhod. Dalším lákadlem je méně náročné pěstování ve srovnání s běžnými potravinovými plodinami. Také hnojení je několikrát nižší než například u obilnin. Očekává se (a první praktické zkušenosti to potvrzují), že orná půda bude po pěstování výmladků úrodnější díky lepšímu fyzikálnímu stavu a vyššímu obsahu humusových látek. Velkým přínosem je výrazné snížení vodní a větrné eroze půdy. Rychle rostoucí dřeviny působí v krajině jako stabilizující prvky, zvyšují její odolnost vůči extrémům počasí, například přívalovým srážkám.

Často citovaným přínosem komerčního pěstování energetických plodin je sociální stabilizace a ekonomický rozvoj zemědělských oblastí. Prodejem nebo lokálním využitím vypěstované biomasy se posilují místní ekonomiky, lépe se využívají pracovní síly, a navíc peníze za energii nebo prodej biopaliva zůstávají v regionu. 5)

Jestliže se fosilní paliva – u nás zejména hnědé uhlí – nahradí biomasou, klesne produkce skleníkových plynů a dalších znečišťujících látek. Při plánovaném (trvale udržitelném) pěstování dřevin se může množství CO2, které se spalováním biomasy uvolní, opět vázat do nově rostoucí biomasy v produkčních porostech.

Nekvalitní biomasa spalovaná v nevhodných topeništích – v praxi je to nejčastěji vlhké dřevo spalované v kotlích na uhlí – může ve svých emisích obsahovat některé škodlivé látky, například perzistentní organické polutanty. Mezi ně patří například dioxiny a dibenzenofurany, u nichž byla potvrzena karcinogenita při příjmu s potravou. Podle výsledků analýz emisí provedených u nás i v zahraničí je zřejmé, že u velkých zdrojů jsou tyto látky odstraňovány stávajícími odlučovacími (odsiřovacími) technologiemi. U menších zdrojů je možné jejich tvorbu snižovat na minimum volbou vhodných topenišť a kvalitních, standardizovaných biopaliv (např. pelet či briket).

Pohyb cen

U nás byly hlavním spouštěcím mechanizmem pro vyšší využití biomasy zvýhodněné výkupní ceny elektrické energie vyrobené z obnovitelných zdrojů. Od roku 2002 je každoročně určoval Energetický regulační úřad cenovými rozhodnutími. Za jednu kilowatthodinu elektřiny vyrobenou z biomasy dostal výrobce přibližně 2,5 krát více než za elektřinu z fosilních paliv a jádra. Brzy poté, co se o biomasu začaly více zajímat velké energetické podniky, byl jí na některých místech nedostatek a také vzrostly její ceny. Když ČEZ a jiné velké energetické subjekty v roce 2003 nakoupily více než 150 tisíc tun biomasy, vzrostly v důsledku toho (podle zástupců menších tepláren a dřevozpracovatelských podniků) ceny dřevní štěpky u dodavatelů o 30–50 %. 6)

Cílem je uspořádat trh s biomasou tak, aby nebyla ohrožena tradiční odvětví využívající biomasu, například cihlářství, výroba dřevovláknitých desek nebo malé teplárny. V nejbližších letech snad můžeme očekávat, že se budou zakládat větší plantáže dřevnatých a nedřevnatých energetických plodinam pro zásobování větších energetických subjektů (velkých tepláren spolu s elektrárnami ČEZ).

Ekonomika a bariéry

Hodnotit výmladkové plantáže a celou produkci i využití enregetické biomasy je složité, protože je třeba zahrnout různé místní výrobní náklady. Naší nejstarší výmladkové plantáži je dnes jen 12 let, což je přibližně polovina očekávané doby její existence. Podle modelových propočtů používajících minimální ceny může tuna štěpky z našich výmladkových plantáží stát 1100–2000 Kč v závislosti na vlhkosti (a tedy i výhřevnosti), použité agrotechnice, technologii sklizně a dosaženém výnosu. Největší podíl na výsledné ceně má sklizeň (35–40 %), pěstování a zakládání porostu (20–24 %). Význam dotace je v současnosti zásadní, neboť bez ní by nevznikla základní rozloha, která umožní zvýšit efektivitu mechanizací. Pozitivní roli může paradoxně hrát i současný růst cen fosilních paliv. Například ve Švédsku a Dánsku je již štěpka z vrbových výmladkových plantáží levnější než uhlí či hnědá štěpka z lesů.

Rozloha ploch, na nichž se pěstují energetické plodiny včetně rychle rostoucích dřevin, však roste pomalu, i když jsou dotační podmínky poměrně příznivé (u nás je asi 120 ha dřevnatých a 1200 ha nedřevnatých plodin). Existují totiž administrativní a legislativní bariéry a biologické i technologické problémy při kultivaci a sklizni. Mezi největší překážky patří povinnost vyjímat dočasně půdu pro pěstování rychle rostoucích dřevin ze zemědělského půdního fondu, což znamená administrativní zátěž a ztrátu nároku na plošné dotace, které jsou klíčovým nástrojem evropské zemědělské politiky. Podle zákona o ochraně půdy musí pěstitel zajistit její rekultivaci. Ve Švédsku se půda navrací k původnímu využití jednoduše: plantáž se sklidí co nejníže povrchu, orbou se rozruší pařízky a kořeny se vytáhnou na povrch a soustředí na okraji porostu, kde zetlejí nebo se naštěpkují. Další bariérou je dokládání dlouhodobých nájemních smluv (na 10–15 let) při žádosti o dotaci na založení výmladkových plantáží, pokud se půda pronajímá. Soukromí majitelé nejsou ochotni takové smlouvy uzavírat, neboť jsou jimi na dlouhou dobu omezeni v rozhodování o využití půdy, a další velký pronajímatel – Pozemkový fond ČR – zase z principu dlouhodobé pronájmy půdy nedovoluje. Velká rozloha půdy je tím blokována zejména v pohraničních podhorských oblastech. Prozatím je také nedostatek sadebního materiálu, daný zejména malou rozlohou matečnic (reprodukčních porostů).

Nejde jen o peníze

Výmladkové plantáže i jiné porosty dřevin či trvalých kultur plní v krajině záhy po založení také důležité neprodukční funkce, jimiž významně a zpravidla pozitivně ovlivňují životní prostředí. Stabilizují globální cyklus uhlíku a tok energie v globálním ekosystému. Podle výsledků měření klimatických a hydrologických parametrů experimentální výmladkové plantáže v Průhonicích můžeme konstatovat, že změna způsobená výsadbou výmladkových plantáží rychle rostoucích dřevin, která plně pokryje zemědělskou půdu vegetací, je žádoucí z hlediska klimatizace krajiny, protože se povrch nad vegetací ochladí. Porost dřevin s hlubokými kořeny totiž transpiruje po velkou část teplého období roku, a tím své okolí ochlazuje. Porostní změna nemá negativní důsledky na vodní režim půd, nezpůsobuje nadměrné vysychání půdy ani zvětšení odtoku. Naopak v případě přívalových dešťů brání vzniku rýhové eroze a odplavování živin. Efektivitu „neprodukčních funkcí“ výmladkových plantáží lze ovlivňovat pěstebními operacemi, například směrováním řádků po vrstevnici, intenzitou a způsobem odplevelování. Těmito směry bychom měli zaměřit náš výzkum i do budoucna.

Poznámky

1) Bible kralická, Ezechiel 31,4.
2) Článek je sice zaměřen na poměrně úzkou problematiku výmladkových plantáží, ale popisované souvislosti jsou skoro shodné s ostatními energetickými plodinami v dalších odvětvích fytoenergetiky (bioenergetiky).
3) Energetické plodiny nebo rostliny jsou dřeviny, trvalky a byliny – botanické druhy, kultivary, klony, přírodní i záměrní kříženci – které jsou využívány nebo testovány pro cílenou produkci biomasy k energetickému využití (spalování, produkce bioplynu). Jejich růst a zejména objemová produkce (t/ha/rok) při intenzivním pěstování výrazně převyšuje průměrné hodnoty ostatních plodin v daných pěstebních podmínkách. Například pro rychle rostoucí dřeviny se považují za nadprůměrné výnosy přes 10 m3/ha/rok, což odpovídá 4,5 tun (suš.)/ha/rok (lesnické kritérium dle IUFRO). Podle našeho aktualizovaného přehledu, který nepovažujeme za úplný, bylo zatím pro tento účel v ČR nebo v podobných klimatických podmínkách testováno přes 160 taxonů dřevin a bylin. Dotačně je podporováno pěstování 17 bylin a 44 klonů dřevin (topolů a vrb). V praxi se pěstuje zejména energetický šťovík a asi 15 klonů dřevin. V posledním provedeném evropském přehledu potenciálních „energetických plodin“ bylo evidováno 37 plodin, z čehož bylo 10 dřevin (včetně 2 keřů). Největší rozlohy existujících porostů dosahují blahovičníky s 500 000 ha (v Portugalsku pro vlákninu) a vrby na 18 000 ha (hlavně ve Švédsku pro štěpku).
4) 1 EJ (exajoul) = 1018 J, údaj podle závěrečné zprávy projektu VIEWLS, jde o součet potenciálu biomasy všech zemí střední a východní Evropy v roce 2030.
5) Například obyvatele středně velké obce (400–600 obyvatel) využívající dovážené fosilní palivo může vytápění ročně stát miliony korun. V případě, že výtopnu či teplárnu provozuje obec nebo sdružení občanů, mohou obyvatelé (správci) určovat cenu dodávané energie podle sociální únosnosti a do jisté míry nezávisle na změnách cen energií. Tento „neziskový“ způsob řízení je typický pro rakouské obecní kotelny, ale již se vyskytuje i u nás. Principy lze do určité míry aplikovat i na větší regiony.
6) Od 1. srpna 2005, kdy vešel v platnost Zákon o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie (180/2005 Sb.), je princip podpory výkupními cenami zachován a zajištěn na delší období. Současně je podrobněji rozpracován pro různé druhy biomasy (bílou, hnědou, záměrně pěstovanou), různé způsoby spalování (např. spoluspalování s uhlím, čisté spalování, kogeneraci) a datum spuštění zdroje do provozu. Výrobce může vybrat v současnosti ze dvou forem podpory – výkupních cen, nebo zelených bonusů. Podle aktuálního cenového výměru se výkupní ceny za 1 MWh elektrické energie vyrobené z biomasy pohybují od 2290 do 2930 Kč a u zelených bonusů se příplatek v ceně pohybuje od 540 do 1960 Kč. Více viz www.eru.cz. Výroba tepla z biomasy není zatím nějakým podobným postupem podporována. Na výstavbu výtopen a přestavbu kotlů na fosilní paliva bylo možné žádat o dotace ze Státního fondu životního prostředí (www.szif.cz). Ceny dodaného tepla u malých obecních centrálních výtopen spalujících biomasu se pohybují v rozmezí 250–370 Kč/GJ.

SLOVNÍČEK

Bioenergetika je poměrně nový obor a jeho odborné názvosloví není ustálené. V tisku se objevují nejrůznější názvy a novotvary, které přispívají k „zmatení jazyků“.

bioenergetika – využívání různých forem rostlinné a živočišné biomasy k výrobě energie

biomasa – hmota vytvořená činností živých organizmů; podle typu organizmu se dělí na fytomasu (z rostlin), dendromasu (z dřevin) a zoomasu (ze živočichů)

biopaliva – pevná, kapalná a plynná paliva vyrobená z biomasy

energetická biomasa – biomasa využívaná pro výrobu energie nejčastěji přímým spalováním, spoluspalováním (s uhlím) a anaerobní digescí (při výrobě bioplynu)

energetické plodiny (resp. rostliny) – rostliny, dřeviny a tradiční zemědělské plodiny, které jsou pěstovány (popř. testovány) pro produkci energetické biomasy

fytoenergetika – využívání různých forem rostlinné biomasy k výrobě energie

polní dříví – porosty dřevin na zemědělské půdě a jejich produkty zejména pro energetické využití (biblický výraz začal v tomto duchu používat Václav Sladký)

rychle rostoucí dřeviny – dřeviny schopné roční objemové produkce dřeva více než 10 m3 z ha, což je asi 4,5 t sušiny

(dřevní) štěpka – dendromasa zpracovaná na drobnou frakci (štěpky) obvykle 3–10 cm pro výrobu stavebních prvků, mulče (tj. pokrývky půdy k ochraně rostlin) a energie; bílá štěpka – piliny a štěpka z odkorněného dřeva (běli), nejčastěji jako odpad z pil; hnědá štěpka – zpracované těžební zbytky s příměsí kůry a jehličí

PADESÁT LET RYCHLE ROSTOUCÍCH DŘEVIN V ČR


Můžeme identifikovat čtyři období rostoucího zájmu o rychle rostoucí dřeviny:

  • padesátá léta 20. století – snaha urychlit a doplnit produkci dřeva z tradičních „dlouhověkých“ lesních porostů „poškozených válečným hospodářstvím a kořistnickým kapitalistickým hospodařením“;

  • ropná krize počátkem sedmdesátých let 20. století – pozornost průmyslově rozvinutých zemí se obrací k alternativním domácím zdrojům energie, je formulován princip výmladkové plantáže;

  • počátek devadesátých let 20. století – je popsán skleníkový efekt; biomasa je považována za CO2-neutrální palivo; zakládají se první komerční výmladkové plantáže rychle rostoucích dřevin ve Švédsku (2000 ha/rok);

  • od poloviny devadesátých let 20. století – je koncipována nová evropská zemědělská politika; zdůrazňují se také agropolitické a sociální přínosy biomasy a výmladkových plantáží rychle rostoucích dřevin.

JAK SI VYPĚSTOVAT POLNÍ DŘÍVÍ

Z biologického hlediska je produkce dřevní biomasy ve výmladkových plantážích založena na schopnosti topolových a vrbových klonů růst v prvních letech po výsadbě velmi rychle (roční výškové přírůstky jsou 1–2 m) a zároveň na jejich obdivuhodné výmladkové schopnosti po seříznutí nadzemní části (výškové přírůstky po seříznutí dosahují až 5 metrů v produkčním maximu). Na rozdíl od lesnických topolových lignikultur, které jsou sklízeny po 15–30 letech a jejichž produktem je lesnický sortiment, jsou výmladkové plantáže zakládány na zemědělské půdě a sklízeny ve velmi krátkém obmýtí 3–6 let (tzv. minirotace), což lze opakovat několikrát po sobě bez nutnosti nové výsadby.

VÝSADBA

Provádí se lesnickými sazeči v jarním nebo méně často v podzimním období v hustotě je 10–20 tisíc řízků na hektar. Spony řádků závisejí na rozměrech mechanizace pro odplevelování a sklizeň.

SKLIZEŇ

Vícefázová sklizeň. Podřezání kmenů provádí jednoduché přídavné zařízení na traktoru nebo křovinořez. Kmeny se pak snopkují (mechanizovaně nebo ručně) a nechají proschnout (1–2 měsíce) na vlhkost 20–30 %. Štěpkuje se nejlépe na poli mobilním štěpkovačem.

Jednofázová sklizeň využívá samojízdné nebo tažené sklízecí stroje, které okamžitě vyrábějí dřevní štěpky (řezanku). Takto sklizená štěpka má vyšší vlhkost, ale snadněji se dopravuje. Pro spalování vlhké štěpky jsou vhodné větší kotle nad 1 MW, např. s roštovým topeništěm.

RUŠENÍ PLANTÁŽE A NÁVRAT PŮDY

Když začne výnos plantáže klesat pod úroveň ekonomické rentability, je vhodné plantáž zrušit. Po poslední sklizni, která se provede co nejníže, se zbytek pařízků a povrchové kořeny rozruší hlubokou orbou a stáhnou na okraj pozemku, kde zetlí nebo se zeštěpkují. Zbytky kořenů v půdě slouží jako drenáž a provzdušnění hlubších vrstev ornice.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Technické vědy

O autorovi

Jan Weger

Ing. Jan Weger (*1965) vystudoval lesní inženýrství v Brně a životní prostředí v Budapešti (Environmental Sciences, CEU). V oddělení fytoenergetiky Výzkumného ústavu Silva Taroucy pro krajinu a okrasné zahradnictví v Průhonicích se zabývá výzkumem dřevin a rostlin pro záměrnou produkci biomasy k průmyslovému a energetickému využití.

Doporučujeme

Přemýšlej, než začneš kreslit

Přemýšlej, než začneš kreslit

Ondřej Vrtiška  |  4. 12. 2017
Nástup počítačů, geografických informačních systémů a velkých dat proměnil tvorbu map k nepoznání. Přesto stále platí, že bez znalosti základů...
Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné