Energetyczne wykorzystanie biomasy Projekt „Chwytamy słońce” Autor: Tytko Ryszard

Biomasa jest substancją organiczną pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, może powstawać w wyniku tzw. metabolizmu społecznego. Występuje ona zwykle w formie drewna, słomy, osadów ściekowych, odpadów komunalnych, roślin energetycznych.

Produkcja energii z biomasy w Unii Europejskiej w latach 2006 i 2007 w Mtoe

W Polsce w roku 2008 produkcja energii elektrycznej w technologiach wykorzystujących biomasę i biogaz wynosiła ok. 3200GWh (razem ze współspalaniem)

Możliwości produkcji energii z surowców roślinnych

Instalacja do produkcji pelet z drewna

Plantacja wierzby energetycznej

Wysadza się 20÷60 tys. sadzonek na 1 ha Wysadza się 20÷60 tys. sadzonek na 1 ha. Wysokość trzyletnich pędów na cztero-letniej karpie wahała się 5,5÷6,0 m, a średnia grubość pędu wynosiła 30 mm. Plon suchej masy drewna wierzby w wynosi średnio 18,0 t/ha/rok. Około 7,5 mln zł rekompensat wypłacono w latach 2008÷2009 rolnikom którzy założyli wieloletnie plantacje roślin energetycznych. Pomoc objęła ponad 1600 ha upraw, wierzby energetycznej. Wysokość dopłat wyniosła od 30÷50% kosztów założenia 1 ha plantacji. W roku 2008 z plantacji energetycznych uzyskano ok. 31 tys. ton biomasy

Nowoczesny piec do spalania biopaliwa pochodzącego z drewna

Schemat kotła pracującego w kotłowni opalanej zrębkami drzewnymi

Budowa kotłów zgazowujących drewno

Konstrukcja kominka z płaszczem wodnym z ręcznym dozowaniem powietrza do komory spalania

Zintegrowane ogrzewanie kocioł gazowy dwufunkcyjny, turbokominek, solar zasobnik c.w.u.

Słoma, jako biopaliwo

W Polsce rocznie produkuje się ok. 25 mln ton słomy (równoważne z ok W Polsce rocznie produkuje się ok. 25 mln ton słomy (równoważne z ok. 11,5 mln ton węgla). Do celów energetycznych można wykorzystać ok. 810 mln ton. Spowoduje to zmniejszenie zużycia węgla o ok. 45 mln ton, oraz zmniejszenie emisji CO2 do atmosfery o ok. 810 mln ton. Cena tony słomy to ok. 80100 zł. Spalaniu słomy towarzyszy śladowa emisja S02, a wartość emisji NOx jest porównywalna z  misją z kotłowni węglowych.

Schemat kotła ze spalaniem przeciwprądowym

Piec na słomę

Kotły małej mocy na słomę

Obliczenia: Dom o powierzchni ok Obliczenia: Dom o powierzchni ok. 200 m2 i zapotrzebowaniu na energię cieplną Qd = 17000 kWh/ rok można ogrzać peletami lub brykietami ze słomy. Zakładając: energia cieplna peletów, brykietów ze słomy; Qs = 18 MJ/kg = 5 kWh/kg sprawność kotłów : η = 75 %.; waga peletów wyniesie; C = Qd\Qs =17000\5 * 0.75 = 5000 kg

cena 1kg peletu wynosi ok.0,35 zł; koszt ogrzewania wyniesie; K = 5000 * 0.35 = 1750 zł\rok z 1ha zbiera się ok. 2,5 tony słomy; dla potrzeb ogrzania c.w.u. i c.o. w w/w domu należy zebrać słomę z ok. 2 ha. Do pieca pelety lub brykiety ze słomy dozowane są ręcznie.

Schemat technologiczny kotłowni opalanej słomą[

Instalacja do produkcji peletów ze słomy

Zdjęcie przedstawiające pelet ze słomy

Wartość opałowa ok. 18,1 MJ/kg. Przy cenie słomy wynoszącej ok Wartość opałowa ok.18,1 MJ/kg. Przy cenie słomy wynoszącej ok. 80 zł/tonę cena peletów wynosi ok. 350÷450 zł/tonę. Słoma doskonale się peletuje (spaja) przy wilgotności 1718% z dodatkiem lepiszcza (mączka ryżowa lub kukurydziana , podawana w młynie młotkowym w ilości kilku procent do tony słomy).

Produkcja brykietów ze słomy

Brykiet ze słomy

Zalety i wady wykorzystania słomy do celów energetycznych:

ZALETY: -redukcja emisji CO2, SO2, NOx; -redukcja palenia słomy na polach (uniknięcie degradacji -naturalnego środowiska); -wysoka sprawność urządzeń; zmniejszenie nakładów robocizny przy obsłudze kotłów (nakładanie paliwa jedynie na stół podawczy, zapas na 68 godzin); -okresowe czyszczenie kotła (np. kocioł 1 MW wymaga --czyszczenia raz na tydzień); -zakres pracy kotła od 20% do 100%; -znaczne zmniejszenie kosztów produkcji 1 GJ energii cieplnej; -wykorzystanie lokalnego, odnawialnego źródła energii; -poprawa opłacalności produkcji rolniczej; -dodatkowe miejsca pracy dla ludności lokalnej przy dostawie -paliwa; -zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego; -dopływ na lokalny rynek pieniędzy za produkcję „zielonej energii”

Wady: -niska kaloryczność - ok Wady: -niska kaloryczność - ok. 15 GJ/t - dynamicznie spada wraz ze wzrostem wilgotności słomy; -wysokie koszty: pozyskania, przetwarzania, transportu, magazynowania; -brak wystarczającej ilości pieców do spalania słomy; -mała ilość maszyn do peletowania; -brak gwarancji w ciągłe zaopatrzenie dużych elektrociepłowni; -istniejące przepisy prawne nie przewidują premii finansowych za ciepło uzyskane ze słomy w instalacjach małej mocy; -w czasie spalania wydzielają się: związki chloru, potasu powodujące korozję oraz duże ilości metali alkaicznych, przyczyniające się do powstawania szlaki.

Produkcja energii z biogazu w Unii Europejskiej w latach 2006 – 2007 w ktoe

W roku 2009 całkowita moc zainstalowana w polskich biogazowniach wyniosła ok. 64 MW. Biogaz nadający się do celów energetycznych może powstawać w procesie fermentacji beztlenowej: odpadów zwierzęcych i kiszonek roślin w biogazowniach rolniczych; osadu ściekowego w oczyszczalniach ścieków; odpadów organicznych na komunalnych wysypiskach śmieci. Fermentacja beztlenowa jest złożonym procesem biochemicznym zachodzącym w warunkach beztlenowych.

Substancje organiczne rozkładane są przez bakterie na związki proste - głównie metan i dwutlenek węgla. W czasie procesu fermentacji beztlenowej do 60% substancji organicznej jest zamienione w biogaz. Biogaz składa się głównie z metanu (CH4) - 55÷70%, 32÷37% CO2, 0,2÷0,4% NO2 oraz 6 g/100 m3 H2S przed odsiarczaniem i poniżej 0,01 g/100 m3 H2S po wykonaniu tego zabiegu. Tempo rozkładu zależy w głównej mierze od rodzaju i masy surowca, temperatury oraz optymalnie dobranego czasu trwania procesu. Optymalna temperatura fermentacji wynosi ok. 35÷40°C dla bakterii mezofilnych i 50÷60°C dla bakterii termofilnych. Na utrzymanie takich temperatur w komorach fermentacyjnych zużywa się od 20÷40% uzyskanego biogazu.

Biogaz o dużej zawartości metanu (powyżej 40%) może być wykorzystany do celów użytkowych, głownie do celów energetycznych lub w innych procesach technologicznych. Typowe przykłady wykorzystania obejmują: produkcję energii elektrycznej w silnikach iskrowych lub turbinach napędzających prądnice; produkcję energii cieplnej w przystosowanych kotłach gazowych; produkcję energii elektrycznej i cieplnej w jednostkach skojarzonych (CHP); dostarczanie (po oczyszczeniu) gazu do sieci gazowej; wykorzystanie gazu jako paliwa do silników trakcyjnych/pojazdów; wykorzystanie gazu w procesach technologicznych, np. w produkcji metanolu, nawozów.

Możliwości pozyskiwania i wykorzystania biogazu

Budowa odpowiednich instalacji do utylizacji gnojowicy może przynosić następujące korzyści: produkcja biogazu do celów grzewczych lub wytwarzania energii elektrycznej; produkcja nawozu mineralno-organicznego ze szlamu po fermentacji; obniżenie uciążliwości produkcji hodowlanej dla środowiska; rozwiązanie problemu składowania odpadów. Do najważniejszych substratów pochodzenia rolniczego, znajdujących zastosowanie w produkcji biogazu, zaliczyć należy kiszonkę z kukurydzy. Spośród upraw celowych do produkcji biogazu najlepiej nadaje się kiszonka z kukurydzy gdyż; uzyskuje się wysoką wydajność produkcji biogazu (ok. 0,52 m3/kg); cechuje ją niski koszt pozyskiwania; nie wymaga zmian w dotychczas stosowanej technologii upraw i zbioru; jest łatwa w magazynowaniu; uzyskuje się plon wynoszący ok. 45 t/ha.

Przykładowo biogazownia o mocy 500 kW, w której przerabia się 55 ton gnojowicy świńskiej na dobę, wymaga wsadu 22 t/dobę kiszonki z kukurydzy. Biogaz produkowany przez taką instalację będzie posiadał ok. 54% metanu, o kaloryczności ok. 6 kWh/m3, gęstości ok. 0,72 kg/m3. Koszt budowy biogazowni to ok. 500 euro/kW(Niemcy)

Schemat biogazowni rolniczej

Biodiesel

Pod względem chemicznym biodiesel to ester metylowy kwasów tłuszczowych. Powstaje on w wyniku reakcji chemicznej: olej roślinny (tłuszcz) + alkohol metylowy (w obecności katalizatora) = ester metylowy (RME) + gliceryna. Wartość energii 37 MJ/kg lub 33 MJ/l = 10kWh/kg. Biodiesel może być stosowany, jako paliwo do większości silników diesla. Może być mieszany lub używany samodzielnie.

Zasadniczym surowcem wyjściowym do produkcji biodiesla w Polsce są nasiona rzepaku. Produkcja biodiesla jest procesem dwuetapowym, łączącym znane technologie mechaniczne stosowane w przemyśle olejarskim z technologiami stosowanymi w przemyśle chemicznym.

Schemat instalacji do produkcji biodiesla

Mała instalacja do produkcji biopaliwa

Dla odzyskania nakładów inwestycyjnych na koniec okresu amortyzacji (dla przyjętych założeń) dochód z produkcji 1 l biopaliwa z rzepaku musi wynosić ok. 0,35 zł.; aby uzyskać opłacalność produkcji biopaliwa, minimalna cena zbytu powinna wynosić ok. 3,80 zł.

Trudności związane wykorzystaniem biomasy wynikają m. in Trudności związane wykorzystaniem biomasy wynikają m.in. z następujących przyczyn:

-brak świadomości dużych korzyści ekonomicznych związanych z wytwarzaniem energii elektrycznej i energii cieplnej z biomasy; -nadwyżka podaży energii z paliw kopalnych oraz zbyt niskie ceny konwencjonalnych paliw nieodnawialnych, nieuwzględniające kosztów zanieczyszczenia środowiska i zagrożenia dla zdrowia i życia ludzkiego; -wysoka cena peletów z drewna (ok. 400 zł/t) nie jest ceną konkurencyjną w stosunku do węgla, gazu; -duża objętość biomasy stwarza problem z jej magazynowaniem; -utrudniona dystrybucja biomasy; właściciele pieców na biomasę sygnalizują problemy z brakiem równomiernej pracy pieca w całym cyklu spalania;

-produkcja pelet w roku 2007 osiągnęła wartość ok. 200 tys -produkcja pelet w roku 2007 osiągnęła wartość ok. 200 tys. ton, potencjał produkcyjny to ok. 1 mln ton rocznie zbyt powolny postęp techniczny dotyczący nowych technologii wytwarzania ciepła i elektryczności z biomasy zwłaszcza w dużej energetyce; -kłopoty związane ze sprzedażą lokalnie wytwarzanej energii cieplnej; -brak doświadczenia organizacyjnego dotyczącego ewentualnych wdrożeń stosowania odnawialnych nośników energii w planach zaopatrzenia w ciepło w gminach wiejskich

W opracowaniu wykorzystano materiały z podręcznika ,,Odnawialne Źródła Energii” autor: Ryszard Tytko gdzie zacytowano również materiały źródłowe Dziękuję za uwagę ;-) Ryszard Tytko