ROŚLINY ENERGETYCZNE – SPOSOBY PRZETWARZANIA NA BIOPALIWA Adam Kryłowicz; Kazimierz Chrzanowski; Janusz Usidus Stowarzyszenie Elektryków Polskich Oddział w Zamościu ROŚLINY ENERGETYCZNE – SPOSOBY PRZETWARZANIA NA BIOPALIWA CHEŁM 28 marca 2008 r.

Wprowadzenie Główne surowce służące obecnie do wytwarzania energii cieplnej, mechanicznej oraz elektrycznej to ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel. Wykorzystanie tych surowców wiąże się jednak z emisją CO2 oraz innych zanieczyszczeń do atmosfery, co przyczynia się do powstawania efektu cieplarnianego. Alternatywą dla tego typu surowców są paliwa odnawialne, np. biomasa. Uzyskiwanie energii z biomasy jest obecnie realizowane na dwa podstawowe sposoby. Pierwszy oparty jest na procesie spalania biomasy i wytwarzania pary wodnej, która napędza turbinę parową sprzężoną z generatorem prądu elektrycznego. Rozwiązanie to charakteryzuje się bardzo niską sprawnością. Na przykład w projekcie Lubań (kotły parowe opalane słomą) sprawność wytwarzania energii elektrycznej wyniesie 16,4%. Drugi sposób to uzyskiwanie biogazu w wyniku fermentacji metanowej. Uzyskiwany biogaz służy do napędu agregatu prądotwórczego.

Alternatywne wykorzystanie gruntów rolniczych na cele niezwiązane z produkcją żywności ze szczególnym uwzględnieniem energetyki W miarę wzrostu zapotrzebowania na paliwa i zmniejszania się ich zasobów ceny paliw kopalnych szybko rosną. Tabela 1. Ceny gazu ziemnego w poszczególnych latach. cena w 1996 r. 1999 r. 2000 r. 2001 r. 2006 r. 2008 r. 0,36 zł/m3 0,82 zł/m3 0,92 zł/m3 1,18 zł/m3 1,57 zł/m3 1,71 zł/m3 Alternatywą dla tego typu surowców są paliwa odnawialne, np. biomasa. Z biomasy pozyskiwać można i wytwarzać paliwa stałe, ciekłe i gazowe.

Rośliny energetyczne Rolnicza produkcja roślinna w całości lub zdecydowanej części uzależniona jest od czynników przyrodniczych, ekonomicznych, społeczno-gospodarczych, itp. Przy współczesnym poziomie rozwoju gospodarczego klimat i gleba są podstawowymi czynnikami przyrodniczymi, które w naszych warunkach naturalnych wpływają na plony uprawianej rośliny. Za rośliny energetyczne uważać należy te rośliny, które w naszych warunkach klimatycznych i glebowych charakteryzuję się wysoką wydajnością z ha, przekraczającą np. 15-20 ton suchej masy z ha (tsm/ha) oraz możliwością dużej produkcji danego paliwa stałego, ciekłego czy gazowego z tony suchej masy.

Drzewa Plantacje drzew do pozyskania surowca energetycznego (plantacje energetyczne) zakładane są z gatunków szybko odnawiających się z odrośli. Stosuje się w nich skrócone cykle produkcyjne 3-10 letnie. topole robinia akacjowa wierzba

Rośliny energetyczne niezdrewniałe buraki kukurydza topinambur trawy spartina preriowa miskant olbrzymi miskant cukrowy ślazowiec pensylwański

Współspalanie węgla z biomasą Jako jedno z najprostszych rozwiązań założono współspalanie biomasy z węglem. Za podstawową biomasę kierowaną do współspalania stosuje się drewno, które łatwiej jest rozdrobnić w młynach węglowych niż np. słomę. Niemniej pozyskiwanie drewna z lasu do współspalania prowadzi do rabunkowej gospodarki drewnem. Drewno jest jednak innym paliwem niż węgiel. Doświadczenie wykazało, że przekroczenie 5% udziału drewna w węglu prowadzi do różnych niedogodności w procesie przygotowania mieszanki paliwowej i jej spalania (wybuchy w młynach) a przekroczenie 10% udziału drewna w węglu wyraźnie obniża sprawność kotła parowego. Istotne okazują się również straty składowania biomasy w pryzmie.

Rys. 1. Straty masy drewna podczas przechowywania zrębków(%). (Scholz Rys. 1. Straty masy drewna podczas przechowywania zrębków(%) (Scholz. V., Idler Ch., 2000)

Drugim źródłem pozyskiwania paliw płynnych są rośliny oleiste. Paliwa płynne Pierwszym paliwem płynnym pozyskiwanym z biomasy był alkohol etylowy. Wydajność etanolu z różnej biomasy obrazuje tabela 2. Tabela 2. Wydajności etanolu z ziarna kukurydzy i z innych roślin [Michalski 2005]. Gatunek Średnie plony w Polsce (t/ha) Wydajność etanolu (dm3/t) Uzysk etanolu (dm3/ha) Ilość zużytego surowca na 100 dm3 etanolu Kukurydza 6,1 390 2379 256 Pszenica 3,5 340 1190 294 Ziemniaki 19,0 140 2660 714 Buraki cukrowe 45,0 100 4500 1000 Drugim źródłem pozyskiwania paliw płynnych są rośliny oleiste.

Bilans energetyczny pozyskiwania biopaliwa RME Energia dostarczona: uprawa rzepaku od zaorania, siewu, zbioru aż do otrzymania nasion 21,6 GJ/ha tłoczenie oleju 7,9 GJ/ha transestryfikacja 6,8 GJ/ha Suma energii dostarczonej (bez energii słonecznej) 36,3 GJ/ha Energia pozyskana: 1,3 m3 biopaliwa RME ma wartość energetyczną 42,5 GJ/ha Tak więc energia dostarczona do wyprodukowania biopaliwa RME stanowi 85% energii pozyskanej. Dopiero anaerobowa fermentacja metanowa produktów pozostałych, takich jak słoma rzepakowa, makuch i gliceryna pozwoli zwiększyć 2,8 razy ilość pozyskanej energii.

Paliwo BtL (Biomass to Liquids) Bardziej wydajnym procesem pozyskiwania paliwa ciekłego z biomasy jest wytwarzanie paliwa BtL. Poszczególne procesy wytwarzania paliwa BtL: 1. Suszenie biomasy 2. Proces pirolizy biomasy 3. Gazyfikacja produktów pirolizy za pomocą tlenu w wysokiej temperaturze do gazu syntezowego CO + H2 4. Synteza syngazu Fischera-Tropscha do paliwa płynnego BtL Z uwagi na stosowanie czystego tlenu i wysokich temperatur w procesie gazyfikacji biomasy jest to obecnie proces drogi.

BtL (Biomass to Liquids) Tabela 3. Parametry BtL. BtL (Biomass to Liquids) Surowce rośliny energetyczne i drewno Roczna wydajność z hektara ok. 4030 l/ha Równoważnik paliwa 1 l BtL odpowiada ok. 0,97 l oleju napędowego Cena rynkowa nie określono Redukcja CO2 >90% Informacje techniczne może być używany w czystej formie lub w mieszaninach bez jakichkolwiek przeróbek silnika Źródło: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.

Paliwa gazowe wytwarzane z biomasy Przeprowadzono szereg badań zgazowania biomasy za pomocą takich gazów jak powietrze, tlen, para wodna, wodór. Są to technologie znane z procesów zgazowania węgla. Zgazowanie najtańsze za pomocą powietrza pozwala na wytworzenie paliwa gazowego niskokalorycznego, będącego mieszaniną CO, CO2 i N2. Pozostałe czynniki stosowane do zgazowania są drogie i wymagają wysokich temperatur 850°C–1550°C. Piroliza biomasy powoduje powstawanie drobnych kropelek smoły, które szybko niszczą silniki spalinowe lub turbiny gazowe. Doświadczenie wykazało, że żywotność tak napędzanej turbiny skraca się do 5000 godzin pracy. Proces anaerobowego wytwarzania biogazu Proces ten zachodzi w środowisku wodnym przez metanowce: psychrofilne w temp. ok. 20°C, mezofilne w temp. ok. 35°C i termofilne w temp. ok. 55°C. Składa się z następujących etapów: hydrolizy biomasy, acetogenezy i metanogenezy. W obecnych zastosowaniach procesy te zachodzą w jednym zbiorniku, co jest powodem występowania czynników zakłócających zwłaszcza procesu metanogenezy. Gazem toksycznym dla metanowców jest tlen zawarty w powietrzu, dlatego proces ten należy prowadzić w komorze szczelnie zamkniętej.

Topinambur Miskant olbrzymi

Burak cukrowy korzenie 425 Burak cukrowy liście 450 Ziemniak bulwy 418 Tabela 4. Uzyski biometanu z beztlenowej fermentacji biomasy w przeliczeniu na suchą masę [Kotowski 2005] Rodzaj surowca Produkcja CH4 m3/t s.m. Kukurydza 410 Burak cukrowy korzenie 425 Burak cukrowy liście 450 Ziemniak bulwy 418 Ziemniak łęty 550 Słoma żytnia Słoma rzepakowa 340 Słoma Kukurydzy 650 Lucerna 400 Trawa łąkowa 600 Źródło: Dr inż.. Włodzimierz Majtkowski, IHAR Oddział w Bydgoszczy: „Tradycyjne gatunki rolnicze źródłem biomasy. Powrót do przeszłości”, AGROENERGETYKA nr 2(16), str. 28-32.

Rys. 2. Wydajność biogazu dla różnych roślin energetycznych Rys. 2. Wydajność biogazu dla różnych roślin energetycznych (wyniki z badań procesów fermentacji)

Biomasa jako potencjalny nośnik energii Tabela 5. Charakterystyka roślin stosowanych na plantacjach energetycznych Roślina uprawiana Wydajność suchej masy tsm/ha Wydajność biometanu m3/tsm Produkcja biometanu m3/ha Produkcja energii cieplnej MWh/ha elektrycznej MWh/ha Miskant olbrzymi 33,0 410 13 530 134,5 53,8 Spartina preriowa 24,0 540 12 960 128,8 51,5 Trawy łąkowe 8,0 4 320 42,9 17,2 Kukurydza 18,0 450 8 100 80,5 32,2 Topinambur 30,0 13 500 134,2 53,7

Węgiel kamienny opałowy 30,0 MJ/kg 30,0 450 15,00 23,4 MJ 23,4 400 Tabela 6. Koszt energii cieplnej z różnych paliw (poziom cen 2005 r. – poza węglem energetycznym) Surowiec Uzyskane paliwo Ilość paliwa Wartość opałowa przeliczona Hu Produkcja ciepła GJ Koszt surowca (paliwa) zł Koszt energii cieplnej zł/GJ Węgiel dla elektrowni 2005 r. brunatny KBW Turów 1 tona - 6,67 kamienny miał 21 MJ/kg 21,0 230 10,95 Węgiel kamienny opałowy Kopalnia Wirek 30,0 MJ/kg 30,0 450 15,00 gruby 23,4 MJ 23,4 400 17,00 Ropa naftowa surowa ropa 1 baryłka ~143,1 kg 40 MJ/kg 5,7 240 42,10 Olej napędowy olej 100 l ~ 80 kg 3,2 390 121,9 Benzyna benzyna 44 MJ/kg 3,52 420 119,3 Spirytus surowy (95%) etanol 26,8 GJ/t 26,8 3010 112,3 Gaz ziemny GZ-50 zakup gazu sprzedaż odbiorcom 1000 m3 31 MJ/kg 31 620 1570 20 50,65

Odpady z upraw wiązanych Kukurydza 12 5 616 201,0 1 440 7,16 Tabela 7. Ceny energii cieplnej z biometanu (Hu=35,79 MJ/m3) wg cen surowca z upraw surowych i wiązanych (poziom cen 2005 r.) Roślina uprawna Wydajność suchej masy t/ha Wydajność wytwarzania biometanu m3/t Ilość wytwarzanego biometanu m3/ha Produkcja ciepła GJ Koszt zakupu surowca zł Cena energii cieplnej zł/GJ Uprawy celowe: Miskant olbrzymi 33 410 13 530 484,2 4 000 8,26 Spartina preriowa 24 540 12 960 463,8 3 600 7,76 Kukurydza zielona 18 468 8 424 301,5 3 000 9,95 Lucerna 15 6 150 220,1 1 800 8,18 Topinambur 30 450 13 500 483,2 8,28 Odpady z upraw wiązanych Kukurydza 12 5 616 201,0 1 440 7,16 Słonecznik 5 400 193,3 7,45 Słoma pszenicy 3 390 1 170 41,9 300 Trawa 6 3 240 116,0 1 200 10,35

Koszty pozyskiwania energii z różnych źródeł (wg ceny surowca energetycznego) Rys. 3. Koszt pozyskania energii z różnych źródeł (na podstawie Przeglądu Technicznego 3/2006 i opracowanie własne)

Rolnictwo energetyczne 4 mln ha 200 Tabela 8. Polskie rynki paliw i energii 2007 oraz potencjał rolnictwa energetycznego Paliwo Rynek paliw w jednostkach naturalnych na rok Rynek energii pierwotnej TWh/rok Rynek energii końcowej TWh/rok Węgiel kamienny 80 mln ton 600 300 Węgiel brunatny 60 mln ton 170 40 Gaz ziemny 10 mld m3 100 84 Ropa naftowa 22 mln ton 220 50 Energia odnawialna - 4/30 Rolnictwo energetyczne 4 mln ha (20 mld m3 biometanu) 200 Warszawa, 25 lutego 2008 r. – Jan Popczyk – Politechnika Śląska

Rynki paliwowe – uwagi do tabeli 8 Węgiel kamienny – całkowite wydobycie wynosi 100 mln t/a, 20 mln t/a stanowi eksport Gaz ziemny – całkowite zużycie wynosi 15 mld m3/a, 5 mld m3/a wykorzystuje się w przemyśle chemicznym (przede wszystkim przy produkcji nawozów sztucznych). Całe wydobycie krajowe 4,5 mld m3 jest wykorzystywane do celów energetycznych. Energia odnawialna (wykorzystanie/potencjał) – obecnie składają się na nią: biomasa wykorzystana we współspalaniu, hydroenergetyka przepływowa i energetyka wiatrowa. Czyli na rynku końcowym reprezentowana jest obecnie tylko energia elektryczna. Rolnictwo energetyczne - w tablicy ostrożnie jest oszacowany potencjał powierzchni możliwej do wykorzystania. Rynek w paliwie pierwotnym został oszacowany na podstawie wydajności kukurydzy, bez uwzględnienia potencjału postępu biotechnologicznego (wydajność topinamburu, dla którego są w Polsce już wstępne wyniki uprawy i oceny przydatności energetycznej, jest około czterokrotnie większa niż kukurydzy). Rynek energii końcowej został oszacowany przy założeniu, że cały biometan jest wykorzystywany w kogeneracji. Rynek energii końcowej - został oszacowany z uwzględnieniem sprawności energetycznej charakterystycznej dla stosowanych obecnie technologii. Warszawa, 25 lutego 2008 r. – Jan Popczyk – Politechnika Śląska