Mgr. Václav Procházka: Proč biomasa je i není obnovitelným zdrojem energie
16.9.2004
Následující text není odborným článkem a proto neobsahuje např. odkazy na odbornou literaturu. Především proto, že pokud by významní autoři neměli být opomenuti, seznam literatury by byl delší než samotný článek. Dále proto, že podstatné informace jsou snadno ověřitelné a v odborné komunitě obecně známé. Článek rovněž není apolitický, ale doufám, že čtenář si s tím poradí a nebude si stěžovat na skryté manipulace.
Pokud přijde řeč na udržitelnost pálení biomasy jako potenciálně významného zdroje energie, zpravidla se jen vyzdvihuje skutečnost, že množství oxidu uhličitého vzniklé spalováním je zase pohlceno rostlinami. Pokud tedy na určitém území současně dorůstá stejné množství biomasy jako je spalováno, nedochází pálením biomasy ke zvyšování obsahu skleníkového oxidu uhličitého (CO2), na rozdíl od pálení fosilních paliv.
Jiná je situace v případě oxidů dusíku, včetně dalšího skleníkového plynu – oxidu dusného (N2O). Ten se na celkovém skleníkovém efektu (jehož zesilování je příčinou globálního oteplování) podílí asi ze 6 % - jeho obsah v atmosféře dosahuje sice necelé tisíciny ve srovnání s oxidem uhličitým, ale účinek stejného množství N2O je o dva řády silnější než CO2.
6 % sice na první pohled není mnoho, ale oxid dusný je jedním z plynů, jejichž obsah činností člověka narůstá a podílejí se tak na globálním oteplování. Teprve když bude nárůst obsahu skleníkových plynů zcela zastaven, globální oteplování může ustat (nepatří sem diskuse o složitosti klimatu, jeho přirozených proměn a zpětných vazeb, které sice mohou předpokládaný vliv člověka na podnebí zkomplikovat či zrelativizovat, ale nikoliv zlehčit či dokonce popřít).
Většina oxidu dusného je emitována z půdy, což je sice přirozený proces, ovšem značně ovlivněný člověkem – v případě zemědělské půdy zvláště hnojením, a i v přírodních krajinách znečištěním sloučeninami dusíku. V obou případech nadbytek dusíku v půdě zvyšuje intenzitu bakteriální nitrifikace a denitrifikace, což jsou procesy, při nichž je uvolňován N2O jako jeden z produktů.
Při pálení biomasy sice vzniká jen malé množství oxidu dusného (odhaduje se 400 000 t ročně, včetně lesních požárů, což je asi jen 2 % emisí). N2O je ovšem nejideálnější případ, na co se dusík obsažený v biomase při spalování může přeměnit. Jinou možností jsou reaktivní oxidy NOx (NO a NO2), nebo nedokonalé spálení, o jehož ekologickém účinku raději nemluvit (v případě dusíku je nejmenší zlo při nedokonalém spálení reaktivní amoniak neboli čpavek NH3). Tyto oxidy vytvářejí tzv. fotochemický smog zvláště ve městech (přičemž podporují i tvorbu přízemního ozónu) a přeměňují se na dusičnany, které okyselují půdu, vytvářejí nadbytek dostupného dusíku v ekosystémech a často jsou masově vyplavovány do podzemních vod. Podobný účinek na půdu mají formy dusíku vzniklé z amoniaku. Zmrzlá kyselina dusičná, která vzniká rovněž z oxidů dusíku, je jednou z hlavních složek tzv. polárních stratosférických oblaků (PSC), které značně usnadňují tvorbu radikálů ničících stratosférický ozón (neboli vytvářejících "ozónovou díru").
Pro pochopení závažnosti spalování dusíku obsaženého v biomase je třeba nejprve vědět, kolik ho tam vlastně je. Jedná se zpravidla o 0,5-2 %; v látkách tvořených hlavně lipidy (tedy včetně olejů) je obsah dusíku o něco nižší. Jak bylo uvedeno, nejmenší zlo, co se může s dusíkem stát, je jeho přeměna na oxid dusný (přeměna na čistý N2 je bohužel kvantitativně naprosto zanedbatelná). Proto uvažujme nejprve případ, kdy by se veškerý dusík z biomasy přeměnil na N2O, a porovnejme produkci skleníkových plynů se spalováním uhlí. Při běžném poměru C/N v biomase kolem 60 by vznikla na každých 120 molekul oxidu uhličitého 1 molekula oxidu dusného. Produkce oxidu uhličitého je v přepočtu na získanou energii u dřeva srovnatelná s uhlím (avšak větší než u ropných paliv). Jestliže tedy je oxid dusný 100 krát účinnějším skleníkovým plynem než uhličitý, spálení dřeva by v tomto případě jen oxidem dusným přispělo ke globálnímu oteplování jen o málo méně než získání stejné energie z uhlí.
Většina dusíku se ovšem při spalování biomasy přemění na NOx. Podle různých autorů se rovnají celosvětové emise NOx při hoření biomasy více než třetině emisí z pálení fosilních paliv. Toto číslo je ovšem zavádějící kvůli lesním požárům. Proto použijme opět přirovnání – tentokrát k automobilům: u motoru bez katalyzátoru je emise NOx průměrně 13 gramů na litr benzínu (10 gramů na litr nafty). V benzínovém motoru je tak "spáleno" přibližně 6 g dusíku (převážně ze vzduchu) na litr; k uvolnění stejného tepla při topení dřevem se musí spálit dusíku několikanásobně více (každý si může spočítat podle obsahu dusíku v té které biomase a výhřevnosti paliv). Je sice pravda, že ve spalovacím motoru více než polovina tepelné energie zůstane nevyužita, mnohem příznivější bilance však fosilní paliva dosahují pokud je jich použito k topení, kdy navíc oxidů dusíku vzniká mnohem méně.
Nabízí se otázka, zda nelze použít při pálení biomasy podobně jako v automobilech katalyzátory, které by přeměňovaly všechny sloučeniny dusíku na neškodný elementární dusík (N2). Je to však nereálné především kvůli nižším teplotám spalování, při nichž by katalyzátor nemohl dostatečně fungovat. Zvýšení teplot by bylo dvojsečné, protože by docházelo i ke "spalování" vzdušného dusíku. U pevného paliva také nelze dost dobře regulovat poměr paliva a vzduchu, což je ovšem pro funkci řízených katalyzátorů zásadní. Moderní katalyzátory jsou citlivé na obsah síry, kterou lze z ropy odstranit poměrně snadno, ale ze dřeva? A samozřejmě je zde otázka: stojí to za to? Dovoluji si tvrdit, že nikoliv. Ostatně v tepelných elektrárnách, v motorech letadel a lodí katalyzátory – pokud vím – rovněž nejsou, a zřejmě to má svůj důvod.
Ještě se nabízí jedna možnost: pohlcují rostliny oxidy dusíku ze vzduchu? Mohla by tak rostoucí biomasa udržovat rovnováhu podobně jako v případě uhlíku? Skutečnost se však tomuto přání trochu blíží jen velice výjimečně. Některé rostliny, z nichž známé jsou slunečnice, opravdu dokáží využívat jedovatý oxid dusičitý (NO2) jako živinu, jiné zas umí využívat amoniak, ale bez dusíku z půdy se neobejdou.
A odkud se tedy dusík v rostlinách bere? Co když je to právě ten, který může v půdě nadělat tolik škod? Pěstování biomasy ke spalování takto rozhodně brát nelze. Není třeba probírat cyklus uvnitř systému půda-rostlina, stačí bilance vstupů a výstupů. Hlavním vstupem v zemědělských půdách je hnojení, které se v evropských zemích neobejde bez umělých hnojiv. Umělá hnojiva se vyrábějí ze vzdušného dusíku N2. Jestliže se tedy ze systému nenávratně odebere určité množství dusíku v podobě biomasy, která je potom spálena, potom prakticky stejné množství musí být dodáno hnojivy - produkty umělé fixace jinak nereaktivního elementárního dusíku (N2). Výsledek je tedy (pokud jde o NOx) kvalitativně stejný, jako kdyby se N2 rovnou spálil např. ve spalovacím motoru – ale kvantitativně mnohem horší, jak je doloženo na příkladu výše.
Samozřejmě, že zemědělec pěstující biomasu může pro potěšení publika hnojit pouze místními přírodními hnojivy a na malém území udržovat v cyklu dusíku rovnováhu (nebo aspoň zdánlivou rovnováhu – významná totiž může být i fixace N2 některými rostlinami, která by v přírodě nemohla být tak významná jako např. v poli s luštěninami). Přírodní hnojiva zase budou chybět jinde a na celkové převaze umělých hnojiv to nic nezmění. A pozor - střídá-li se biomasa na spalování s jinými plodinami, potom hospodaření s dusíkem je udržitelné pouze v případě, že by ani ostatní plodiny nebyly uměle hnojeny. Že je takový případ nereálný, dokazuje nejlépe přirovnání k přírodním ekosystémům: hlavní vstup dusíku do půdy představuje odumřelá biomasa rostlin. Pokud jsou tedy rostliny sklízeny, není odkud brát "přírodní hnojivo".
Shrnutí
Pálení biomasy není trvale udržitelným způsobem získávání energie, protože významným způsobem ovlivňuje cyklus dusíku, a to i na globální úrovni. Ačkoliv k narušení cyklu dusíku zatím nevyhnutelně dochází i výrobou hnojiv pro zajištění produkce potravin a pravděpodobně ani přírodní biologické procesy nejsou vyrovnané (díky "neomezené" zásobě N2 v atmosféře), další produkce oxidů dusíku spalováním zesiluje vedle lokálního znečištění ovzduší také nežádoucí jevy jako globální oteplování a narušení ozónové vrstvy.
Pokud jde o narušování cyklu ostatních prvků, v případě jednotlivých prvků je vliv pálení biomasy s největší pravděpodobností zanedbatelný, ale nemusí tomu tak být v součtu podobných procesů u více prvků.
Komentář
Biomasa není obnovitelným zdrojem energie – mohla by tak být nazývána jen pod dojmem prakticky nevyčerpatelné zásoby dusíku ze vzduchu, s ignorováním ekologických dopadů. Srovnejme biomasu s jedním z "neobnovitelných" zdrojů – termojadernou energií. V nejbližších desetiletích pravděpodobně budou termojaderné elektrárny o výkonu srovnatelném s Temelínem spotřebovávat jen nepatrné množství vodíku a produkovat jen slabě radioaktivní odpad - stěží více než okresní nemocnice. Zásobu vodíku nelze ve vztahu k životnosti sluneční soustavy (není ani nutné odhadovat možné trvání lidské civilizace) považovat za jinou než neomezenou. Jiným proklínaným "neobnovitelným" zdrojem jsou štěpné jaderné elektrárny, ačkoliv přinejmenším v nejbližších desetiletích bude aktuální otázka přepracování paliva za vzniku odpadu již mnohem méně nebezpečného, nemluvě o dříve opomíjených typech reaktorů, jejichž energetická i ekologická účinnost je nesrovnatelně vyšší než u dnes rozšířených. Otázka pro odpůrce všech možných podob jaderné energie jako "neobnovitelného" zdroje: o co tedy vlastně jde?
Jiná věc je pěstování biomasy jako mnohdy alespoň dočasná záchrana zemědělské půdy před likvidací. Proto zdůrazňuji, že rozhodně nechci tímto příspěvkem přesvědčovat zemědělce, aby nepracovali a prodávali půdu např. na stavby hypermarketů, a přispívali tak k tomu, abychom se v budoucnu živili mořskými řasami. Je také zřejmé, že moderní způsoby výroby energie nemohou získat dominantní podíl ze dne na den. To však není důvod, abychom se jim bránili.
reklama
Jiná je situace v případě oxidů dusíku, včetně dalšího skleníkového plynu – oxidu dusného (N2O). Ten se na celkovém skleníkovém efektu (jehož zesilování je příčinou globálního oteplování) podílí asi ze 6 % - jeho obsah v atmosféře dosahuje sice necelé tisíciny ve srovnání s oxidem uhličitým, ale účinek stejného množství N2O je o dva řády silnější než CO2.
6 % sice na první pohled není mnoho, ale oxid dusný je jedním z plynů, jejichž obsah činností člověka narůstá a podílejí se tak na globálním oteplování. Teprve když bude nárůst obsahu skleníkových plynů zcela zastaven, globální oteplování může ustat (nepatří sem diskuse o složitosti klimatu, jeho přirozených proměn a zpětných vazeb, které sice mohou předpokládaný vliv člověka na podnebí zkomplikovat či zrelativizovat, ale nikoliv zlehčit či dokonce popřít).
Většina oxidu dusného je emitována z půdy, což je sice přirozený proces, ovšem značně ovlivněný člověkem – v případě zemědělské půdy zvláště hnojením, a i v přírodních krajinách znečištěním sloučeninami dusíku. V obou případech nadbytek dusíku v půdě zvyšuje intenzitu bakteriální nitrifikace a denitrifikace, což jsou procesy, při nichž je uvolňován N2O jako jeden z produktů.
Při pálení biomasy sice vzniká jen malé množství oxidu dusného (odhaduje se 400 000 t ročně, včetně lesních požárů, což je asi jen 2 % emisí). N2O je ovšem nejideálnější případ, na co se dusík obsažený v biomase při spalování může přeměnit. Jinou možností jsou reaktivní oxidy NOx (NO a NO2), nebo nedokonalé spálení, o jehož ekologickém účinku raději nemluvit (v případě dusíku je nejmenší zlo při nedokonalém spálení reaktivní amoniak neboli čpavek NH3). Tyto oxidy vytvářejí tzv. fotochemický smog zvláště ve městech (přičemž podporují i tvorbu přízemního ozónu) a přeměňují se na dusičnany, které okyselují půdu, vytvářejí nadbytek dostupného dusíku v ekosystémech a často jsou masově vyplavovány do podzemních vod. Podobný účinek na půdu mají formy dusíku vzniklé z amoniaku. Zmrzlá kyselina dusičná, která vzniká rovněž z oxidů dusíku, je jednou z hlavních složek tzv. polárních stratosférických oblaků (PSC), které značně usnadňují tvorbu radikálů ničících stratosférický ozón (neboli vytvářejících "ozónovou díru").
Pro pochopení závažnosti spalování dusíku obsaženého v biomase je třeba nejprve vědět, kolik ho tam vlastně je. Jedná se zpravidla o 0,5-2 %; v látkách tvořených hlavně lipidy (tedy včetně olejů) je obsah dusíku o něco nižší. Jak bylo uvedeno, nejmenší zlo, co se může s dusíkem stát, je jeho přeměna na oxid dusný (přeměna na čistý N2 je bohužel kvantitativně naprosto zanedbatelná). Proto uvažujme nejprve případ, kdy by se veškerý dusík z biomasy přeměnil na N2O, a porovnejme produkci skleníkových plynů se spalováním uhlí. Při běžném poměru C/N v biomase kolem 60 by vznikla na každých 120 molekul oxidu uhličitého 1 molekula oxidu dusného. Produkce oxidu uhličitého je v přepočtu na získanou energii u dřeva srovnatelná s uhlím (avšak větší než u ropných paliv). Jestliže tedy je oxid dusný 100 krát účinnějším skleníkovým plynem než uhličitý, spálení dřeva by v tomto případě jen oxidem dusným přispělo ke globálnímu oteplování jen o málo méně než získání stejné energie z uhlí.
Většina dusíku se ovšem při spalování biomasy přemění na NOx. Podle různých autorů se rovnají celosvětové emise NOx při hoření biomasy více než třetině emisí z pálení fosilních paliv. Toto číslo je ovšem zavádějící kvůli lesním požárům. Proto použijme opět přirovnání – tentokrát k automobilům: u motoru bez katalyzátoru je emise NOx průměrně 13 gramů na litr benzínu (10 gramů na litr nafty). V benzínovém motoru je tak "spáleno" přibližně 6 g dusíku (převážně ze vzduchu) na litr; k uvolnění stejného tepla při topení dřevem se musí spálit dusíku několikanásobně více (každý si může spočítat podle obsahu dusíku v té které biomase a výhřevnosti paliv). Je sice pravda, že ve spalovacím motoru více než polovina tepelné energie zůstane nevyužita, mnohem příznivější bilance však fosilní paliva dosahují pokud je jich použito k topení, kdy navíc oxidů dusíku vzniká mnohem méně.
Nabízí se otázka, zda nelze použít při pálení biomasy podobně jako v automobilech katalyzátory, které by přeměňovaly všechny sloučeniny dusíku na neškodný elementární dusík (N2). Je to však nereálné především kvůli nižším teplotám spalování, při nichž by katalyzátor nemohl dostatečně fungovat. Zvýšení teplot by bylo dvojsečné, protože by docházelo i ke "spalování" vzdušného dusíku. U pevného paliva také nelze dost dobře regulovat poměr paliva a vzduchu, což je ovšem pro funkci řízených katalyzátorů zásadní. Moderní katalyzátory jsou citlivé na obsah síry, kterou lze z ropy odstranit poměrně snadno, ale ze dřeva? A samozřejmě je zde otázka: stojí to za to? Dovoluji si tvrdit, že nikoliv. Ostatně v tepelných elektrárnách, v motorech letadel a lodí katalyzátory – pokud vím – rovněž nejsou, a zřejmě to má svůj důvod.
Ještě se nabízí jedna možnost: pohlcují rostliny oxidy dusíku ze vzduchu? Mohla by tak rostoucí biomasa udržovat rovnováhu podobně jako v případě uhlíku? Skutečnost se však tomuto přání trochu blíží jen velice výjimečně. Některé rostliny, z nichž známé jsou slunečnice, opravdu dokáží využívat jedovatý oxid dusičitý (NO2) jako živinu, jiné zas umí využívat amoniak, ale bez dusíku z půdy se neobejdou.
A odkud se tedy dusík v rostlinách bere? Co když je to právě ten, který může v půdě nadělat tolik škod? Pěstování biomasy ke spalování takto rozhodně brát nelze. Není třeba probírat cyklus uvnitř systému půda-rostlina, stačí bilance vstupů a výstupů. Hlavním vstupem v zemědělských půdách je hnojení, které se v evropských zemích neobejde bez umělých hnojiv. Umělá hnojiva se vyrábějí ze vzdušného dusíku N2. Jestliže se tedy ze systému nenávratně odebere určité množství dusíku v podobě biomasy, která je potom spálena, potom prakticky stejné množství musí být dodáno hnojivy - produkty umělé fixace jinak nereaktivního elementárního dusíku (N2). Výsledek je tedy (pokud jde o NOx) kvalitativně stejný, jako kdyby se N2 rovnou spálil např. ve spalovacím motoru – ale kvantitativně mnohem horší, jak je doloženo na příkladu výše.
Samozřejmě, že zemědělec pěstující biomasu může pro potěšení publika hnojit pouze místními přírodními hnojivy a na malém území udržovat v cyklu dusíku rovnováhu (nebo aspoň zdánlivou rovnováhu – významná totiž může být i fixace N2 některými rostlinami, která by v přírodě nemohla být tak významná jako např. v poli s luštěninami). Přírodní hnojiva zase budou chybět jinde a na celkové převaze umělých hnojiv to nic nezmění. A pozor - střídá-li se biomasa na spalování s jinými plodinami, potom hospodaření s dusíkem je udržitelné pouze v případě, že by ani ostatní plodiny nebyly uměle hnojeny. Že je takový případ nereálný, dokazuje nejlépe přirovnání k přírodním ekosystémům: hlavní vstup dusíku do půdy představuje odumřelá biomasa rostlin. Pokud jsou tedy rostliny sklízeny, není odkud brát "přírodní hnojivo".
Shrnutí
Pálení biomasy není trvale udržitelným způsobem získávání energie, protože významným způsobem ovlivňuje cyklus dusíku, a to i na globální úrovni. Ačkoliv k narušení cyklu dusíku zatím nevyhnutelně dochází i výrobou hnojiv pro zajištění produkce potravin a pravděpodobně ani přírodní biologické procesy nejsou vyrovnané (díky "neomezené" zásobě N2 v atmosféře), další produkce oxidů dusíku spalováním zesiluje vedle lokálního znečištění ovzduší také nežádoucí jevy jako globální oteplování a narušení ozónové vrstvy.
Pokud jde o narušování cyklu ostatních prvků, v případě jednotlivých prvků je vliv pálení biomasy s největší pravděpodobností zanedbatelný, ale nemusí tomu tak být v součtu podobných procesů u více prvků.
Komentář
Biomasa není obnovitelným zdrojem energie – mohla by tak být nazývána jen pod dojmem prakticky nevyčerpatelné zásoby dusíku ze vzduchu, s ignorováním ekologických dopadů. Srovnejme biomasu s jedním z "neobnovitelných" zdrojů – termojadernou energií. V nejbližších desetiletích pravděpodobně budou termojaderné elektrárny o výkonu srovnatelném s Temelínem spotřebovávat jen nepatrné množství vodíku a produkovat jen slabě radioaktivní odpad - stěží více než okresní nemocnice. Zásobu vodíku nelze ve vztahu k životnosti sluneční soustavy (není ani nutné odhadovat možné trvání lidské civilizace) považovat za jinou než neomezenou. Jiným proklínaným "neobnovitelným" zdrojem jsou štěpné jaderné elektrárny, ačkoliv přinejmenším v nejbližších desetiletích bude aktuální otázka přepracování paliva za vzniku odpadu již mnohem méně nebezpečného, nemluvě o dříve opomíjených typech reaktorů, jejichž energetická i ekologická účinnost je nesrovnatelně vyšší než u dnes rozšířených. Otázka pro odpůrce všech možných podob jaderné energie jako "neobnovitelného" zdroje: o co tedy vlastně jde?
Jiná věc je pěstování biomasy jako mnohdy alespoň dočasná záchrana zemědělské půdy před likvidací. Proto zdůrazňuji, že rozhodně nechci tímto příspěvkem přesvědčovat zemědělce, aby nepracovali a prodávali půdu např. na stavby hypermarketů, a přispívali tak k tomu, abychom se v budoucnu živili mořskými řasami. Je také zřejmé, že moderní způsoby výroby energie nemohou získat dominantní podíl ze dne na den. To však není důvod, abychom se jim bránili.
reklama
Mgr. Václav Procházka
Autor má vysokoškolské vzdělání v oboru geochemie, biogeochemickým a globálním cyklem dusíku se podrobně zabývá od poloviny roku 2003.
Autor má vysokoškolské vzdělání v oboru geochemie, biogeochemickým a globálním cyklem dusíku se podrobně zabývá od poloviny roku 2003.
Ekolist.cz nabízí v rubrice Názory a komentáře prostor pro otevřenou
diskuzi. V žádném případě ale nejsou zde publikované texty názorem
Ekolistu nebo jeho vydavatele, nýbrž jen a pouze názorem autora daného
textu. Svůj názor nám můžete poslat na ekolist@ekolist.cz.
Online diskuse
Redakce Ekolistu vítá čtenářské názory, komentáře a postřehy. Tím, že zde publikujete svůj příspěvek, se ale zároveň zavazujete dodržovat pravidla diskuse. V případě porušení si redakce vyhrazuje právo smazat diskusní příspěvěk
