rola i możliwości małych elektrowni biometanowych w zaopatrzeniu

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
niezwiązane
z
produkcją
uwzględnieniem energetyki
gruntów rolniczych na cele
żywności
ze
szczególnym
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.
cena w
1999 r.
cena w
2000 r.
cena w
2001 r.
cena w
2006 r.
cena w
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
warunkach klimatycznych i glebowych
wydajnością z ha, przekraczającą np. 15-20
oraz możliwością dużej produkcji danego
gazowego z tony suchej masy.
te rośliny, które w naszych
charakteryzuję się wysoką
ton suchej masy z ha (tsm/ha)
paliwa stałego, ciekłego czy
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. V., Idler Ch., 2000)
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.
Tabela 3. Parametry BtL.
BtL (Biomass to Liquids)
Surowce
rośliny energetyczne i drewno
Roczna wydajność z hektara
ok. 4030 l/ha
Równoważnik paliwa
Cena rynkowa
1 l BtL odpowiada ok. 0,97 l
oleju napędowego
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
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
450
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
(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
Miskant olbrzymi
33,0
410
Spartina preriowa
24,0
Produkcja energii
cieplnej
elektrycznej
13 530
134,5
53,8
540
12 960
128,8
51,5
8,0
540
4 320
42,9
17,2
Kukurydza
18,0
450
8 100
80,5
32,2
Topinambur
30,0
450
13 500
134,2
53,7
Trawy łąkowe
MWh/ha
MWh/ha
Tabela 6. Koszt energii cieplnej z różnych paliw (poziom cen 2005 r. – poza węglem energetycznym)
Uzyskane
paliwo
Ilość
paliwa
Wartość
opałowa
przeliczona Hu
Produkcja
ciepła
GJ
Koszt surowca
(paliwa)
zł
Koszt energii
cieplnej
zł/GJ
brunatny
KBW Turów
1 tona
-
-
-
6,67
kamienny miał
1 tona
21 MJ/kg
21,0
230
10,95
Kopalnia Wirek
1 tona
30,0 MJ/kg
30,0
450
15,00
gruby
1 tona
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
40 MJ/kg
3,2
390
121,9
benzyna
100 l
~ 80 kg
44 MJ/kg
3,52
420
119,3
etanol
1 tona
26,8 GJ/t
26,8
3010
112,3
zakup gazu
sprzedaż
odbiorcom
1000 m3
31 MJ/kg
31
620
1570
20
50,65
Surowiec
Węgiel dla elektrowni
2005 r.
Węgiel kamienny
opałowy
Benzyna
Spirytus surowy (95%)
Gaz ziemny GZ-50
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
Uprawy celowe:
Miskant olbrzymi
Spartina preriowa
Kukurydza zielona
Lucerna
Topinambur
Odpady z upraw wiązanych
Kukurydza
Słonecznik
Słoma pszenicy
Trawa
Wydajność
suchej masy
Ilość
wytwarzanego
biometanu
m3/ha
Produkcja
ciepła
Koszt zakupu
surowca
Cena energii
cieplnej
t/ha
Wydajność
wytwarzania
biometanu
m3/t
GJ
zł
zł/GJ
33
24
18
15
30
410
540
468
410
450
13 530
12 960
8 424
6 150
13 500
484,2
463,8
301,5
220,1
483,2
4 000
3 600
3 000
1 800
4 000
8,26
7,76
9,95
8,18
8,28
12
12
3
6
468
450
390
540
5 616
5 400
1 170
3 240
201,0
193,3
41,9
116,0
1 440
1 440
300
1 200
7,16
7,45
7,16
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)
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
-
-
4/30
4 mln ha
200
170
Energia
odnawialna
Rolnictwo
energetyczne
(20 mld m3 biometanu)
Warszawa, 25 lutego 2008 r. – Jan Popczyk – Politechnika Śląska
Rynki paliwowe – uwagi do tabeli 8
1.
2.
3.
4.
5.
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