Trendy a pokrok v bioenergetických technologiích v USA

Úvod

Převládající programy bioenergetického průmyslu se zatím objevily jen u několika velkých firem, ale zato u velkého množství malých podniků. Zájmové, odborné svazy se snažily přežít v situaci, kdy malé podniky neměly dostatek financí k jejich podpoře. Výsledkem vývoje bylo, že National Bioenergy Industries Assotiation (NBIA), United Bioenergy Commercialization Association (UBECA), a Global Biorefiners splynuly všechny v minulém roce do organizace New Uses Council (NUC). NBIA byla původně zaměřena na uživatele bioenergie v průmyslu, UBECA na elektrárenský průmysl využívající bionergetické zdroje, Global Biorefiners pracovala v oblasti biorafinerií a společnost New Uses Council v oblasti výrobků z biomasy.

V posledních 20 letech se také zaznamenává veliký nárůst zájmové činnosti v oblasti chránění životního prostředí v USA, která započala v organizaci Pacifik Nordwest. Prvním výsledkem této činnosti však bylo, že se podstatně snížila těžba dřeva ve federálních lesích. Protože většina státních lesů je právě na severozápadě USA, omezení lesní těžby způsobilo následně výpadky výroby v dřevozpracujícím průmyslu v těchto oblastech a také využití odpadů z tohoto průmyslu se následně značně zmenšilo.

V souvislosti s rozvojem environmentálního hnutí vznikl i pojem zelená energie, zelená elektřina. Zelená elektřina se vyrábí z obnovitelných zdrojů energie a dodává se spotřebitelů, kteří jsou ochotni dobrovolně platit o něco vyšší cenu s tzv. premiovým příplatkem. Typicky prémiový příplatek k ceně elektřiny je 1,5 centu za kWh. Jedná se o užitečnou záležitost s dobrými výsledky v těchto programech, které se dále rozvíjejí.

Od roku 1990 také roste zájem o problém globálního oteplování, resp. globální změny klimatu, i když není jednotných názorů na vliv skleníkových plynů na klimatické změny. Jedno je však naprosto zřejmé. V posledních 20 létech vzrostla četnost silných bouří v celém světě a významně také vzrostl počet škod v jejich důsledcích a pojistné náhrady těchto škod. S ohledem na klimatické změny je nutno zdůraznit, že to není využívání bioenergetických zdrojů, které by mohlo za toto oteplování a změny klimatu, protože spalováním vznikající kysličník uhličitý je zpětně využíván zelenými rostlinami v procesu fotosyntézy.

Zájem vlád o využívání bioenergie neustále roste. Vedle extenzivního využívání lesů se zaměřuje pozornost na oblast snižující se výkonnosti zemědělství ve snaze ve všech státech cestou využíváním bioenergie a bioproduktů zajistit růst farmářské ekonomiky. Jižní státy vedou v produkci a využívání bioenergie. Jsou to zejména: Georgia, Alabama, Mississipi, Louisiana a Severní Karolina. Vedoucí postavení je dáno velkým lesním bohatstvím a množstvím dřevních produktů v těchto státech, založených na dobrých půdních a srážkových podmínkách, s nízkými náklady na pracovní síly, nízkými výrobními náklady, nízkou cenou půdy a soukromým vlastnictvím pozemků. V důsledku dobré celkové ekonomiky a značnému množství využitelných zemědělských odpadů je dalším vedoucím státem v oblasti bioenegetiky Kalifornie a to již řadu let. Ovšem, řada negativních politických rozhodnutí v polovině devadesátých let i zde zavinila zpomalení slibného rozvoje.

Jako příklad státního zájmu o využívání bioenergií a na biomase založených produktech je Southern States Energy Board (SSEB), (Energetická Komora Jižních Států), která představuje mezistátní instituci složenou z guvernérů a zákonodárců ze 16 států, Puerta Rica a Virginských ostrovů, která ustanovila výkonný orgán Southern States Bio-Based Alliance (Alianci Jižních Států pro Biomasu), jenž má za úkol starat se od roku 2000 o bioenergetiku a na biomase založené výrobky. Aliance pracuje jako účinný nástroj pod SSEB a soustřeďuje zainteresované zákonodárce a vedoucí úředníky, podléhající přímo guvernérům.

Zdroje biomasy
Při hodnocení technologické stránky věci bylo již mnohé pokrokové vykonáno a to navzdory řadě překážek a bariér. Bioenergetika se vzmáhá, rozšiřuje se rozsah užitých zdrojů. Rozvíjí se zpracování (recyklace) odpadového dřeva a dalších substrátů dříve skládkovaných, nyní většinou spalovaných, zejména tam, kde náklady na skládkování jsou příliš vysoké. Někdy však se do pojmu recyklace nezahrnuje následné spalování, což se považuje za určitou legislativní překážku většího rozvoje.

Stoupá zájem o energetické využívání chlévské mrvy a kejdy, protože se zpřísňují předpisy zajišťující ochranu zemského povrchu a spodních vod před znečistěním. Problém je aktuální zejména na jihu, kam se soustředilo až 75 % výroby drůbežího a 50 % vepřového masa a to zejména v Severní Karolině. Krmiva, respekt. živiny, které se pro účely výkrmu ve formě krmiv do této oblasti ze středozápadu dovážejí, se objevují jako odpad ve formě zvířecích exkrementů v pevné (kašovité) nebo kapalné formě, které však je neekonomické z hlediska velké vzdálenosti vracet zpět do pěstitelských oblastí, kde je živin pro výživu rostlin potřeba. Tak řada oblastí na jihu skutečně trpí nadbytkem zvířecích exkrementů aplikovaných na povrch relativně malých ploch, které jsou tak živinami přesycovány.

Zájem o bioenergetické, thermochemické procesy zejména narůstal, když průmysl výroby potravin došel k poznání, že procesy zplynování a spalování mohou jednak snížit náklady na likvidaci odpadů, dodat určitou energii a ještě snížit celkové výrobní náklady na jejich likvidaci. Spalovací procesy biomasy mohou koncentrovat část živin do formy popele, který je již mnohem lépe dopravitelný do oblastí, kde je jich skutečně zapotřebí. Další studie mají objasnit vztahy mezi průmyslem a dodavateli bioenergie a naznačit optimální řešení.

DOE nastartovala program obnovení používání vřeten kukuřičných palic (zbytků klasů po odrhnutí semen) k výrobě etanolu na celulozové bázi. Vzhledem na ohromný rozsah pěstování kukuřice v USA jsou vřetena kukuřičných klasů potenciálně nejvýznamnějším bioenergetickým zdrojem v Americe, ovšem zůstává otázka, jak velká část organické hmoty z polí může být odebrána, aniž by byla ohrožena budoucí úrodnost půdy.

Efektivní produktivita nákladově náročných, účelově pěstovaných energetických plodin se jeví zatím jako iluzorní cíl. Extensivní výzkum byl prováděn u víceletého rákosovitého prosa, zvaného také indiánská tráva (switchgrass) a rychle rostoucích dřevin, jako je hybridní topol, vrba a další plodiny (sweetgum, sycamore), které jsou víceleté a obrůstají znovu po sklizni. Největšího pokroku a úspěchu bylo dosaženo v jižních státech v subtropickém pásmu na Floridě, ale jen v některých případech. Například eucalyptus a Leuceanea pěstované na Floridě na malých hnojených a zavlažovaných pozemcích dávaly výnos 20 až 30 tun suché hmoty na akr (0,4 ha) a rok. Ostatní plodiny, pěstované v jiných oblastech USA zůstávaly na 6 tunách suché hmoty z akru za rok, ovšem na velkých plantážích.

Přestože energetické plodiny jsou víceleté, zřízení plantáží, respekt. jejich osetí nebo osázení jsou poměrně nákladné, zejména pokud se týká dřevin, s ohledem na zablokování finančních zdrojů a realizace tržby do doby sklizně. To jsou vážné překážky. Proto byly ověřovány různé podpůrné programy jako je Conservation Reserve Program (CRP), který pro vybrané lokality byl na některých místech testován. V rámci tohoto programu federální vláda platí farmářům udržovací náklady farmářské půdy na příštích 10 až 15 let. Po tuto dobu nesmí být na těchto pozemcích pěstovány obvyklé plodiny, pouze musí být posekána a sklizena tráva. Podpory se tak platí za udržování pozemků ve formě úhorů.

V roce 2002 bude federální vláda platit 355 910 farmářům v průměru 4 307 USD na jednu farmu nebo 45 USD na l akr pozemku v rámci podpůrného programu CRP. Toto úsilí směřuje k tomu, aby pod tímto programem mohli farmáři dále existovat a rozvíjet pěstování a sklízení energetických (nepotravinářských) plodin. Tak program zajišťuje farmářům určitý příjem po dobu zásadních změn výroby. (Určité změny ve prospěch farmářské ekonomiky, týkající se záležitostí sklizní energetických plodin však lze očekávat v příštích měsících).

Zpracování biomasy
V oblasti nakládání a manipulace s biomasou se vyvíjejí a rozšiřují procesy sušení a stlačování a klesá podíl biomasy s vyšším obsahem vody. Kompozitní biopaliva, např. typická je forma pelet, jsou už obvyklé merkantilní formy. Tato paliva, vyráběna mícháním a lisováním z více komponentů mají takové složení a vlastnosti, které odpovídají specifickým požadavkům topenišť a nedochází tak k tomu, aby se topeniště nezbytně přizpůsobovala k často měnícím se vlastnostem paliv.

Komerčně se používá nová metoda odstraňování vody z dřevin a to s využitím syté páry, čímž se nahrazuje méně výkonné sušení vzduchem. Některé podniky však naopak začínají využívat nové metody s tlakovým vibrujícím vzduchem pro zmenšování částic biomasy (až do formy prachu), často spojené se současným sušením.

Vytápění budov
Jako v mnoha jiných oblastech, regulace podmínek z hlediska životního prostředí zasáhla dramaticky v posledních dvaceti létech i do oblasti vytápění objektů dřevem. Důsledkem toho bylo, že poklesl počet výrobců kotlů a topenišť na dřevo starších typů (krbového provedení) z původních 300 na pouhých 30 a ve výrobě zůstala jen zařízení, která vyhovují požadavkům na dokonalé spalování a katalitické ošetření emisí.

Ve stejné době se stabilizovala výroba topenišť na pelety a jejich výroba rostla tak, že jen v roce 2000 bylo vyrobeno a prodáno asi 47 000 těchto zařízení. Tento proces se nastartoval na severozápadě USA a postupně se rozšířil po celé zemi, s převahou odbytu spíše v severní polovině. V současné době je největší růst výroby a používání kotlů na pelety zaznamenáván opět na severozápadě, kde je nedostatek zemního plynu a topného oleje a jsou nejvyšší ceny. Původní kotle na pelety vyžadovaly palivo vyrobené z naprosto čistého dřeva - bez kůry, s malým obsahem popele. Dnes naopak se prosazují více topeniště schopná spalovat pelety s vyšším obsahem popele, jako jsou pelety ze stébelnin, zejména z původní americké "indiánské trávy" (switchgrass), která dříve narůstala na prériích USA ohromná množství a která se nyní znovu vysévá.

Anaerobní fermentační technologie
V průběhu posledních dvaceti let se také zaznamenává zvýšený zájem o anaerobní fermentaci zvířecích exkrementů, ovšem nákladově přijatelný systém faremních velikostí bioplynových stanic ještě stále zůstává velkou výzvou. Jedině velká zařízení na velkých farmách mohou asi něco znamenat, ale otázky velikosti a ekonomiky zůstávají stále složité. Většina farem a podniků se živočišnou výrobou skladuje dosud tekuté a kašovité výkaly zvířat v aerobních lagunách. Systém zakrytých lagun schopných zajistit anaerobní fermentaci se zdál být teoreticky slibný s ohledem na jednoduchost a nižší náklady a tedy i návratnost investic. Ovšem praktický způsob zakrývání lagun s nezbytnou tepelnou izolací se projevil jako iluzorní a zájem se obrátil směrem ke zvýšení účinnosti fermentorů tankového - nádržového typu. Tyto systémy lépe zajišťují odloučení k fermentaci nevyužitého substrátu, recyklaci a separaci dvou typů účinných mikroorganismů do oddělených nádrží s optimálními podmínkami na jejich potřebné namnožení a způsob jak zvýšit povrch fermentovaného substrátu pro zvýšení rychlosti růstu a množení potřebných mikroorganismů.

V Evropě se ještě v některých zemích vyvíjejí a využívají fermentační systémy slaměných, kašovitých substrátů (mrvy z chovu skotu). Amerika se o tyto způsoby také v poslední době začíná zajímat. Jeden podnik v Ontariu nyní ověřuje tento systém (pod názvem MSW) v podmínkách Severní Ameriky.

Obnovitelné "bionaftové" technologie
Bionafta se vyrábí z rostlinných olejů, odpadových tuků a mazadel a živočišných tuků.V roce 1996 existovaly v USA dva podniky, které bionaftu vyráběly. Od té doby došlo k tomu, že byla bionafta plně registrována jako legální motorové palivo Americkou, životní prostředí chránící agenturou (US EPA) a počet výrobců stoupl do roku 2001 na pět. Množství kombinovaného paliva s 20 % bionafty a 80 % motorové nafty z ropy, označovaného kódem B 20 značně za poslední dva roky vzrostlo.

Velkou předností bionafty je, že může být bez problémů využívána ve všech stávajících dieselových (vznětových) motorech a rozvážena a prodávána v existující infrastruktuře, aniž by bylo nutno měnit cokoliv na motorech nebo systému distribuce. Je také v přírodě rychle a plně odbouratelná a podstatně snižuje emise ve výfukových plynech motorů. V posledních pěti létech byly také vyvinuty technologie přimíchávání čistého etanolu nebo jeho modifikací do paliv pro dieselové motory až do podílu 15 %.

Thermochemické technologie
V posledních dvaceti létech bylo dosaženo významného pokroku i v termochemických technologiích. Několik podniků ověřovalo míchání a společné spalování uhlí s dřívím. Zcela nová koncepce byla ověřována v Horním Středozápadě. Spočívá v těžbě celých kmenů stromů, jejich dopravě až do zpracovatelského podniku s kotelnou, jejich usušení odpadovým teplem - horkým vzduchem ve zvláštních komorách na poloviční obsah vody (kolem 25 %). Dřevo se potom spaluje, resp. zplynuje v poměrně velkých kusech. Zplynování dřeva je bez přístupu vzduchu (kyslíku) na dřevní plyn s vyšší výhřevností (450 až 500 Btu/scf).
Pozn.: (1 Btu = 1,05435 kJ, 1 scf = 0,02831685 m3). Tato metoda se nyní uplatňuje ve dvou velkých podnicích.

Pokroku bylo také dosaženo v malých modulárních elektrických generátorech, využívajících biopaliva, ale nákladově příznivých řešení nebylo zatím dosaženo. Zato byly úspěšně ověřeny palivové články na výrobu elektřiny s využitím bioplynu z čistíren odpadových vod a skládek odpadků. Kromě toho se zde používají běžné plynové motory v agregátech na výrobu elektřiny, neboť tato technika je dostatečně vyspělá.

Některé společnosti dodávají na trh malé thermochemické agregáty na využívání zplynované práškové biomasy s výkonem 12 až 400 kW určené především pro rozvojové země. Několik výrobců dodává malé spalovací turbiny s výkony o rozsahu 30 až 75 kW. Tyto "mikroturbiny" jsou miniaturními spalovacími turbinami, jejichž rychloběžná rotační součást - vlastní turbina se ve vysokých otáčkách pohybuje na "vzduchových" ložiskách.

Technologie, které na základě "rychlé" pyrolýzy vyrábějí vysoce kvalitní pyrolýzní olej (většinou z dřevních pilin), se už dostaly v posledních létech na komerční úroveň. Ačkoliv hlavní upotřebení kvalitního dřevního oleje je v oblasti biochemie, vyskytují se případy výzkumu jeho užití i jako náhradního paliva, na příklad po úpravě pro pohon pomaloběžných lodních a podobných (velkoobsahových) dieselových motorů nebo spalovacích turbin.

Technologie etanolu a jeho trhy
Faremní, málokapacitní výrobny etanolu (kvasného lihu) vznikaly po 1. ropné krizi v sedmdesátých létech, ale poměrně rychle zanikly a byly postupně nahrazovány velkými výrobními závody. V lihovarnickém průmyslu dominuje společnost ADM. Do dnešního dne technologie výroby etanolu vyzrála natolik, že se stala velice efektivní. Federální a státní podněty byly stimulovány vedoucími politiky státu Minnesota. Výsledkem byl daňový kredit 20 centů na vyrobený gallon lihu a vznik nového sdružení New Generation Cooperatives, Minnesota, které zahrnuje 15 velkých výroben etanolu s výrobní kapacitou 15 milionů gallonů (l gallon = 3,8 litru). Z toho 13 výroben je majetkem farmářských družstev.

Organizace New Generation Cooperatives umožňuje farmářům uplatnit svou produkci kukuřičného zrna v některé výrobně etanolu a tak se dostat přímo k finančním prostředkům. Farmář je zavázán dodat do lihovaru smluvní množství, další nadprodukci může libovolně prodat, zejména, jsou-li ceny na volném trhu vyšší. Pokud ale ceny na trhu jsou nižší může farmář dodat kukuřici do lihovaru i nad smluvní množství a to za cenu uvedenou v platné smlouvě. Tak se mohou zapojení farmáři bránit negativním výkyvům cen na volném trhu.

Družstevní farmářský lihovar používá technologii vyvinutou v Jižní Dakotě. Systém využívá mokré výpalky z výroby lihu z kukuřice ke krmení skotu (25 000 krav), bez toho, aby se sušily, jak bylo dříve obvyklé, naopak přežvýkavcům toto vyhovuje. Podstatně se tím snižují nároky na běžná jadrná krmiva. Odpady ze živočišné výroby se předávají do bioplynové stanice a vyrobený bioplyn slouží k energetickým účelům v lihovaru. Kapalná frakce odpadu z bioplynové stanice se zapravuje jako hnojivo na kukuřičná pole. Obdobně se jako hnojivo na pole používá tuhá frakce výstupů z bioplynové stanice. Tím je okruh uzavřen na vyjímečně vysoké ekologické a ekonomické bezodpadové úrovni.

Trhy pro odbyt etanolu neustále rostou vzhledem ke snahám snížit přídavek MTBE (vyráběného z metanolu, pozn. př.), snížení nepříznivých emisí ve výfukových plynech motorů, zvýšení octanového čísla v palivech a náhrady určitého podílu benzinu z dovážené ropy domácím etanolem. Už se vyrábějí pohonné směsi s přídavkem 10 až 85 % etanolu pod označení E 10 až E 85. Jsou vyráběna tzv. "pružná vozidla" (FFVs), jejichž motory jsou vyvinuty tak, že pracují na 100 % benzin, nebo směsi s podílem až 85 % etanolu. Všechny velké automobilky už tato vozidla začínají nabízet na trhu. Jejich ceny jsou srovnatelné s cenami standardních vozidel a některé tyto typy jsou již prodávány jako standardní vozidla.

Dík tomuto vývoji a růstu odbytu pracovalo v roce 2000 v USA již 58 velkých lihovarů s celkovou výrobní kapacitou 1,8 miliard gallonů roční výroby Postupně všechny velké lihovary byly převedeny na zpracování kukuřice. Lihovary, které zpracovávají i nadále odpady z výroby nápojů, brambory a syrovátku se však na uvedeném množství vyrobeného lihu také podílejí. V důsledku zaručeného odbytu a různým daňovým výhodám se lihovarnictví dále rozvíjí a ke konci roku 2001 se plánovalo, že se uvede do provozu dalších 13 nových lihovarů.

Vládní podpory na rozvoj výroby etanolu z celulózy se dramaticky zvýšily po roce 1990 a řada podniků oznámila plány na výstavbu závodů, schopných dodávat výrobky na trh. Technologie výroby etanolu z celulózy mají řadu variant přes tradičné roztokové procesy a procesy využívající kyseliny k procesům enzymatickým. Jedna kanadská společnost vyrábí ročně milion gallonů lihu z celulózy výhradně enzymatickými procesy. Další procesy jsou založeny na thermochemickém zplynování a katalytické konverzi vzniklého plynu na etanol. Zcela nové jsou procesy, při kterých z biomasy vyrobený plyn prochází ("probublává") biofermentorem, kde speciální mikroorganismy využívají plyn k produkci etanolu.

Biorafinerie a integrovaný systém
Roste zájem o nové druhy zpracování biomasy, vznikají tzv. "biorafinerie". Nejlepším příkladem proto jsou mlýny vlhkého kukuřičného zrna pro potřeby lihovarů. Jedná se o kombinovanou výrobu založenou na zpracování vlhkého zrna, při které se oddělují klíčky, olej a další produkty a získává se kukuřičný fruktózový sirup pro výrobce cukrovinek nebo výrobce etanolu, podle potřeb a podmínek na trhu.

Biorefinerie se vyznačují tím, že celý proces výroby je soustředěn "pod jednou střechou" a pod jedním vlastníkem. Tak může být zpracování vedeno k velmi vysoké úrovni kvality výrobků, s minimalizovanými odpady (prakticky bezodpadově) a s maximálně možnými zisky.

Zájem o integrovaný zpracovatelský systém a jeho následný vývoj je doložen také už u dříve uvedeného příkladu spojení výroby etanolu s farmami rostlinné a živočišné výroby. Tento systém funguje stejně jako integrovaný systém u biorafinerie pod jedním vlastníkem, i když na několika oddělených závodech a farmách.

Tzv. Eko-parky navázaly na tuto koncepci o něco později s tím rozdílem, že jednotlivé samostatné zpracovatelské podniky si navzájem předávají výrobky nebo polotovary, což je ovšem o něco složitější, s ohledem na možnost různých změn okolností a podmínek. Potíže nastávají, když dojde k výpadkům v některém článku.

Ostatní faktory
Převážná část nových biotechnologií byla vyvinuta buď ve státních laboratořích a výzkumných ústavech nebo v menších soukromých vývojových společnostech. Vývoj systémů pro využívání biomasy je dominantní v dřevozpracujícím průmyslu, tam, kde se biomasa spaluje a na Jihu, kde se nachází přibližně 55 % veškerých zdrojů biomasy. Dřevozpracovatelský průmysl, převážně papírenský a průmysl celulózy je při vazbě na lesní těžbu v současné době z 57 % s ohledem na surovinu soběstačný, neboť má vlastní lesy.

Fosilní paliva zatím dominují na trhu energií, přesto podíl bioenergie neustále stoupá. Obnovitelné zdroje energie se podílejí 7 % na celkovém krytí energetických potřeb USA, z toho vodní energie kryje 45 % a biomasa také 45 %. Tradiční kapitalistické a tržní síly využívají biomasu jako konkurenčního prvku vůči trhu fosilních paliv, který je vyzyvatelem zejména z hlediska nákladovosti. Ovšem společnost si jen pomalu uvědomuje, že bioenergie může dodávat dostatek energie v různých formách, zajišťovat ekonomické a ekologické zisky, když to není vždy na první pohled hned zřejmé.

Avšak, i když nákladová efektivita, internality i externality využívání biomasy jsou důležité, netechnické bariery rychlejšího rozvoje jsou největšími překážkami. Zastaralá politická a veřejná stanoviska mohou udolat i perfektní technologie, které produkují skvělé výrobky a nepoškozují životní prostředí. Když "správní činitelé na správném" místě rozhodnou proti vybudování vhodného závodu na určitém místě, obvykle se nic nezmůže.

Přes všechno byly v posledních 20 létech učiněny významné kroky v technologickém vývoji, vytváření příznivého politického ovzduší a obecného zájmu a podpory rozvoje bioenergetiky a výroby na biomase založených produktů.

Phil Badger je presidentem General Bioenergy Inc., konzultační firmy ve Florence, Alabama. Technicky podporuje U.S. Department of Energy´s Southeastern Regional Biomass Energy Program, který řídil v minulých 15 letech, když byl zaměstnán u Tennessee Valley Authority.