Soběstačnost zemědělského podniku

V současné době roste intenzita využití obnovitelných zdrojů energie ve spojení s hledáním nových možností jejich uplatnění. Je to dáno jednak podporou ze strany státních a evropských institucí a jednak přirozeným ekonomickým tlakem, který způsobují rostoucí ceny klasických zdrojů paliv a energií, především ropy.

Z jednotlivých druhů obnovitelných zdrojů energie (OZE), k nimž v našich podmínkách patří energie slunce a větru, vodní energie a biomasa, se v tomto článku zaměřím především na možnosti využití biomasy, neboť jde o surovinu, která je doménou zemědělství. Toto téma dále zúžím na investičně méně náročné technologie, které lze při výrobě vlastní energie a paliv uplatnit.
Využití a zpracování obnovitelných zdrojů energie se stalo samostatným oborem, který má svá specifika. Těmi jsou zejména roztříštěnost, neúplnost a nezřídka protichůdnost dostupných informací, se kterými se zájemce o využití OZE setkává; specifická surovinová základna, která klade řadu provozních limitů pro výstavbu energojednotek OZE, a v neposlední řadě mezioborovost. Ta vyžaduje prakticky v každém z řešených případů spojení znalostí z více oborů, a to nejen ryze technických (energetika, stavebnictví, strojírenství, chemie, fyzika), ale též společensko-vědních (ekonomie, ekologie, právo).
Energetická a finanční bilance
Nejvýznamnějším produktem prvně zmíněného specifika – informační nejistoty, je tradovaný mýtus, že aplikace OZE se v praxi neobejde bez investičních dotací. Je sice pravda, že v současnosti je téměř nemožné uplatnit technologie na využití OZE jako jednoduchý investiční záměr „na zelené louce“, založený na prosté kalkulaci cen vstupů a výstupů. Reálně se ale výrobny paliv, energií nebo tepla z OZE umisťují do již existující hospodářské struktury podniku nebo hospodářství, přičemž surovinová základna výroben je vždy alespoň částečně uspokojována z vlastních materiálových proudů podniku, především odpadních. Výstupy těchto výroben v podobě energií a tepla jsou pak vždy alespoň částečně spotřebovávány v samotném podniku, prodávány jsou pouze přebytky. V takových případech realizace využití OZE se cena vstupů pohybuje většinou hluboko pod tržní cenou dostupných klasických paliv, tomu odpovídá i cena výstupů, která se tak dostává do konkurenceschopných mezí.
Hlavními specifiky surovinové základny jsou závislost kvality a kvantity suroviny pro provoz energojednotky na klimatických podmínkách a lokální rentabilita dopravy, resp. svozu suroviny. V konkrétních případech je touto lokální dopravní infrastrukturou a výtěžností lokality či regionu limitována velikost, resp. kapacita projektované energojednotky.
Potřebný široký záběr znalostí pro nalezení efektivní aplikace jednotky na OZE se pro následný provoz konkrétní jednotky naštěstí zužuje na přehledné množství vždy jen několika technických a právních norem. Na úrovni vlastní obsluhy pak klade provoz výrobny na OZE obvykle vyšší nároky na uživatelskou kázeň, pracovníky obsluhy je třeba vybírat uvážlivě. Příčinou rozdílů mezi očekávanými projektovanými parametry a provozními výsledky bývají nejčastěji zdánlivě drobné odchylky od provozního řádu a zdánlivě drobná zanedbání v rutinní praxi.
Koncepce energeticky soběstačného zemědělského podniku představuje určitý ideál, k němuž se konkrétný reálný zemědělský podnik nebo farma může pouze více či méně přiblížit.
Prakticky lze dosáhnout dlouhodobě vyrovnané energetické bilance a s ním spojené příznivé bilance finanční, pokud jde o spotřebu a dodávku energií. Nicméně sezónních výkyvů v odběru / dodávce energií se při efektivně vynaložených nákladech nelze zbavit. Vždy dochází ke stavům, kdy je v některém období k dispozici více vyráběné energie a tepla než činí provozní potřeba a v některém období zase naopak. Výsledná efektivita pak záleží na manažerském umu, se kterým jsou eenrgetické toky v podniku řízeny.
Převedení celého podniku na samozásobitelství energiemi a palivy je náročné, avšak alespoň částečné pokrytí spotřeby energií a paliv jejich vlastní výrobou je možné prakticky v každém podniku, minimálně na úrovni samozásobitelství teplem. Hlavním přínosem vlastní výroby je samozřejmě významná úspora výdajů na energie a teplo, ale může být dosaženo i kladných efektů na příjmové straně ekonomické bilance – nejčastěji z prodeje elektrické energie do sítě a prodeje tuhých paliv, např. briket či pelet.
Teplo, základní položka bilance
K provozu podniku jsou nepostradatelné teplo, elektrická energie a pohonné hmoty. Všechny tyto druhy energie lze vyrobit z obnovitelných zdrojů pomocí dostupných technologií.
Teplo je při úvahách o energetické efektivitě podniku základní položkou při sestavování energetické bilance. Teplo totiž vzniká při všech energetických procesech, a to i tam, kde jeho výroba není primárním cílem výroby (výroba elektrické energie). Aby byla aplikace výrobní jednotky zpracovávající OZE ve struktuře podniku efektivní, musí být zaručeno využití veškerého odpadního tepla. V případě, že vlastní potřeba tepla v podniku není taková, aby zaručila plynulý odběr tepla z energojednotky, je nutné hledat buď uplatnění tepla v přidruženém provozu (např. sušárna), nebo nalézt komerční uplatnění tepla (např. v obecním rozvodu).
V případě, že se nepodaří nalézt uspokojivé umístění tepla, které doprovází výrobu vyšších druhů energie, je třeba opustit myšlenku takové výroby a uplatnit jiný způsob zpracování dostupné biomasy, např. pouze prostou výrobu tepla v potřebném množství pro svou potřebu spalováním v kotli nebo již zmíněnou výrobu briket nebo pelet.
S výrobou tepla má základní zkušenosti bezpochyby každý. Charakteristickou vlastností tepla je sezónnost jeho potřeby; přitom jde o druh energie, který lze skladovat jen po omezenou dobu, a proto je vždy optimální vyrobit přesně takové množství tepla, které je aktuálně potřeba. Na trhu jsou dostupné kotle, ve kterých lze zpracovat všechny typy biomasy. Výrobci kotlů reagují pružně na rostoucí zájem o spalování biomasy, takže dnes jsou k dispozici např. kotle na slaměné balíky i malých výkonů, řádově desítek kilowatt, se kterými se dříve nebylo možné na trhu setkat.
Žádný kotel není ovšem univerzální, jeho výběr je podmíněn strukturou dostupného paliva – jeho objemovou hmotností, energetickou vydatností apod. Při velkém množství typů materiálu, které by připadaly v úvahu ke spalování, lze doporučit pořízení briketovacího nebo peletovacího lisu. Stlačením biomasy do kompaktního tvaru dojde víceméně i ke sjednocení objemové hmotnosti a energetického obsahu, nehledě na omezení ztrát paliva úletem a snazší manipulaci. Pokud v podniku nebo jeho provozovně existují již kotle na tuhá paliva, např. na uhlí či uhelné brikety, nemusí být uplatnění biomasy nutně podmíněno pořízením nového zvláštního kotle na biomasu. Do kotlů primárně určených na uhlí či kusové dřevo je třeba biomasu zhutnit do briket a v případě kotlů na uhlí provést provozní zkoušku, která ukáže, zda by bylo potřeba provést úpravu topeniště a odvodu spalin.
Důvodem je jednak zajištění tepelného výkonu kotle (uhlí je energeticky vydatnější), jednak konstrukce kotle ovlivňuje tvorbu emisí. Z tohoto pohledu je jistou výhodou malých kotlů o výkonu do 200 kW, že jsou kategorizovány jako malé zdroje, jejichž provoz není doprovázen administrativou, jako je tomu u zdrojů středních (do 500 kW) a velkých.
Základním kritériem pro uplatnění biomasy jako paliva je obsah vody, resp. vlhkost, která by neměla přesáhnout 20 %. Při vyšším obsahu vody dochází k nepříznivým jevům, neboť ze spalování uvolněné teplo je spotřebováváno na odpar vody, která dále ochlazuje spaliny a dochází k její opětovné kondenzaci v komínovém tělese. Pro provozní režim, při kterém se nelze vyhnout použití paliva o různé vlhkosti, a dále režim, při němž dochází k opakovanému roztápění a vychládání kotle, jsou vhodnější kotle litinové. Kotle s ocelovou komorou nemají při těchto režimech uspokojivou životnost. V každém případě je vhodné vyčlenit určitý prostor pro proschnutí biomasy před založením do kotle. Při uplatnění lisování materiálu do briket platí pro vlhkost materiálu do 15 %. Tu lze dosáhnout prostým volným sušením na zastřešeném místě.
Mokrou biomasu, resp. zavodněnou biomasu lze zpracovat v bioplynových jednotkách, které však svou investiční náročností přesahují vymezený rámec tohoto článku. I když je pravdou, že při využití vlastního materiálového a personálního zázemí lze investiční náročnost výstavby bioplynové jednotky razantně snížit. Nelze však snížit nároky administrativní, neboť se na rozdíl od montáže kotlů či dále zmíněných energosoustrojí jedná o stavební činnost podléhající stavebnímu řízení.
Elektrická energie
Elektrickou energii lze z biomasy vyrobit prakticky dvojím způsobem. Prvním je výroba kapalného nebo plynného paliva a jeho následné spálení v motorové jednotce s vyvedením na generátor elektrického proudu. Druhým je výroba elektřiny v turbíně v paroplynovém cyklu, kdy je spálením paliva v kotli vyrobena pára, která pohání turbinu, opět s výkonem vyvedeným hřídelem na generátor elektrického proudu.
Oba způsoby doprovází vznik odpadního tepla, které je třeba pro efektivní provoz energojednotky v podniku uplatnit, jak již bylo zmíněno.
Využití motorgenerátoru v kogenerační jednotce na výrobu elektřiny a tepla je zcela bezproblémové od okamžiku, kdy již máme připravené palivo. V zážehových – benzínových motorech lze uplatnit především nižší alkoholy, tj. metanol a etanol; ve vznětových – naftových pak rostlinné oleje, popř. částečně tuky.
Vlastní postup výroby nižších alkoholů je obecně velmi dobře známý. Rozdílem oproti obvyklému hodnocení kvality vyrobeného alkoholu při jeho uplatnění v motorech je, že kvalitnějším palivem je metanol. Výroba nižších alkoholů pro pohon motorgenerátorů musí probíhat standardně, je náročná na odbornou způsobilost a je podmíněna větším množstvím administrativy. Určitým limitem jsou klimatické podmínky a z nich plynoucí dostupnost vhodné biomasy.
Lisování rostlinných olejů pro technické účely oproti tomu nevyžaduje zvláštní licenci. Platí, že čím větší motor, tím nižší citlivost na kvalitativní výkyvy v připravovaném palivu. Odolnější vůči palivu jsou také motory starších konstrukcí. Obecně platí, že spalovací motory při stacionárním, plynulém chodu mají delší životnost než při užití v automobilech, až několik desítek tisíc provozních hodin. Proto při ekonomických výpočtech lze tolerovat určité snížení životnosti způsobené během života motoru výkyvy v kvalitě paliva z vlastní výroby. Úprava vznětového motoru, aby byl schopen zpracovávat rostlinný olej, není technicky náročná, v podstatě je třeba jej doplnit o filtrační prvky, které zabrání průniku vody a degradovaných látek v rostlinném oleji (žluknutí) do olejového okruhu.
Při úvaze o využití rostlinného oleje je však vždy nutné ekonomické přínosy takového využití porovnat se standardním uplatněním oleje, resp. olejnatých semen, na trhu.
Výhodou technologie paroplynového cyklu s turbínou je spalování biomasy, které klade jen minimální nároky na její předzpracování, zásadní nevýhodou je však cena turbíny, která je v poměru k výkonu akceptovatelná až pro velké výkony. Ty jsou ovšem limitovány dopravními podmínkami a velkým potřebným množstvím dostupné biomasy.
Pohonné hmoty
Technicky nejjednodušší využití biomasy pro výrobu elektrické energie je teoreticky použití parního stroje. V něm totiž lze spojit výhodu přímého spalování biomasy bez předúpravy, přičemž vlastní těleso pístového motoru je konstrukčně řádově méně náročné než je tomu u turbíny. Dalším případem zvláštního motoru je tzv. Stirlingův motor, do jehož vývoje a zdokonalení vkládá odborná i podnikatelská veřejnost nemalé naděje.
Velmi příznivým efektem, zejména při výrobě elektrické energie, je stálost jejího odběru v rozvodné síti, zákonem stanovená povinnost distribučních společností elektřinu vyrobenou z OZE vykupovat a dobrá platební kázeň distribučních společností.
Pro pohon motorů ve vozidlech platí totéž, co pro motorgenerátory. Řepkový olej je kvalitním motorovým palivem, v úvahu je třeba opět vzít porovnání ekonomického efektu jeho samospotřeby na jedné straně a jeho uplatnění na trhu na straně druhé. Je třeba doplnit, že uplatnění paliv z OZE i z vlastní výroby podléhá odvodu spotřební daně.
Souhrn zásad
Zásady, podle kterých by se měly řídit úvahy o zařazení technologií na energetické či palivové využití, resp. zpracování biomasy lze shrnout takto:
l prvním krokem je sestavení alespoň hrubé roční energetické bilance podniku po jednotlivých měsících, tj. především přehled spotřeby tepla, plynu, elektřiny a paliv, včetně paliv z OZE, jsou-li již využívány; tyto spotřeby je třeba vyjádřit v energetických jednotkách, např. GJ, MW,
l sestavit přehled kvality, kvantity a manipulovatelnosti (včetně dostupnosti dopravní) dostupné biomasy pro energetické hospodářství – nevyužité slámy, sena, odpadů ze sklizně a výrob atd. a vyjádřit je v tunách, popř. převést na energetické jednotky,
l na základě porovnání těchto bilancí pak lze vybrat náměty pro technicko-ekonomické uplatnění technologií OZE v rámci samozásobení energiemi, teplem a případně palivy.

Ing. Martin Kolář
Výzkumný ústav výroby paliv a energií z OZE, s. r. o.
Jindřichův Hradec