Promieniowanie w środowisku

Fizyka procesów
przetwarzania energii
(1)
Źródła energii pierwotnej
Hierarchia ważności:
 aktualne wykorzystywanie
 zasoby czyli perspektywy wykorzystania w
przyszłości
Uwaga:
Wszystkie przedstawiane liczby wynikające ze
statystycznych informacji należy traktować jako dane
orientacyjne. Brak jest jednolitych danych statystycznych
we wszystkich krajach. Poza tym dane statystyczne mówią
o energii ze sprzedaży komercyjnej. Szacuje się, że poza
statystyką pozostaje 12-15% całkowitego zużycia energii.
Źródła energii mogące być mieć duże
znaczenie w przyszłości (energia odnawialna)








Odnawialne źródła energii:
Biomasa
Hydroenergia
Energia wiatru
Energia maremotoryczna
(fale i prądy morskie)
Energia maretermalna
(ciepło oceanów)
Energia geotermalna
Bezpośrednie wykorzystanie energii
słonecznej
Źródła energii: aktualnie wykorzystywane i
mogące być wykorzystane w przyszłości

Odnawialne źródła energii:
(czasopismo: Energia – Gigawat -2006 rok)






Biomasa
Hydroenergia
Energia geotermalna
Energia wiatru
Energia mórz i oceanów
Energia słoneczna
44.0
9.63
0.60
0.19
0.21
~10%
2.15%
0.13%
0.04%
~ 0%
0.05%
Biomasa







Biomasa to drewno opałowe, słoma, nasiona i
inne części roślin a także resztki zwierzęce i
odpadki komunalne.
Wartość opałowa:
Słoma żółta 14,3 MJ/kg
Słoma szara 15,2 MJ/kg
Drewno opałowe 13,0 MJ/kg
Trzcina
14,5 MJ/kg
(Węgiel 29,3 MJ/kg – jeden kilogram
wysuszonej biomasy jest równoważny około
0,5 kg węgla )
Biomasa
Tworzenie się biomasy to
naturalny (realizowany w
przyrodzie) sposób
magazynowania energii
słonecznej. W procesie tym
rośliny pobierają z
atmosfery CO2, który
podczas spalania biomasy
wraca do atmosfery.
Dlatego przyjmuje się, że
stosowanie biomasy nie
przysparza atmosferze
dodatkowego dwutlenku
węgla
Biomasa
Zastosowanie biomasy:


Bezpośrednie spalanie (podnosi się argument, że
jest to wprowadzanie do atmosfery dwutlenku
węgla, który pochodzi z atmosfery. Proces ten nie
zwiększa koncentracji dwutlenku węgla bo to nie
jest spalanie węgla odłożonego przed milionami
lat. Jednak wydajność procesu spalania w
palenisku jest mała stąd spalanie w specjalnych
kotłowniach)
Przetwarzanie na paliwo płynne lub gazowe (do
bezpośredniego użycia lub aby ułatwić transport
energii z miejsca wytworzenia biomasy do
miejsca wykorzystania energii finalnej.)
Technologie wykorzystania
biomasy
Sposoby wykorzystania biomasy do
wytwarzania energii:




Spalanie
Gazyfikacja
Pyroliza
Procesy biochemiczne – przerób biomasy na
paliwa płynne
Biomasa (spalanie)
Porównanie niektórych parametrów biomasy,
węgla kamiennego i gazu ziemnego
Drewno bardziej
wilgotne od słomy
Mało popiołu !
Mało siarki
Duży procent frakcji
lotnej !
50% wartości
opałowej węgla
Technologie wykorzystania
biomasy - spalanie
Spalanie wykorzystywane jest do produkcji energii
cieplnej i elektrycznej. Spalanie odbywa się przy
użyciu specjalnych kotłów.
Efektywne i przyjazne dla środowiska spalanie
powinno odbyć się w 3 fazach:



Suszenie i odgazowanie materiału drzewnego
(kawałki drewna, zrębki, trociny, słoma….)
Spalanie gazu drzewnego w temperaturze 1200oC
Dopalanie gazu i oddawanie ciepła w wymienniku
Wysoka temperatura, dostęp tlenu i długi czas
spalania powodują stosunkowo niską emisję CO,
węglowodorów i węglowodorów aromatycznych
Technologie wykorzystania
biomasy - spalanie
Specyfika spalania biomasy:
Nielotne związki węgla stanowią:

Ok. 20% masy drewna

45-60% masy węgla
brunatnego

60-80% masy węgla
kamiennego

Ponad 95% masy koksu
Kocioł do spalania drewna (biomasy) musi zapewnić warunki do
efektywnego spalania lotnych produktów rozpadu termicznego drewna.
Niezupełne spalanie powoduje zwiększoną emisję szkodliwych
substancji do atmosfery i pogarsza sprawność procesu spalania.
Do spalania słomy stosuje się jeszcze inne specjalne kotły bo słoma
daje mało energii na jednostkę objętości (spalanie całych lub
rozdrobnionych bel słomy).
Urządzenia do spalania biomasy
Przykłady kotłów dla indywidualnych gospodarstw rolniczych
Przykłady większych kotłownii (Trzcianka k. Wałcza – kotłownia
spalająca wierzbę z własnej plantacji, Borne Sulinowo – kotłownia
miejska spalająca zrębki drewna)
Przygotowanie biomasy do spalania
Spalanie biomasy w Polsce: aktualny
komentarz z pozycji polityka - rolnika





Biomasa lignino-celulozowa produkowana jest obecnie w
Polsce na niewielkiej powierzchni ok. 10 tys. ha.
Głównie pochodzi ona z wieloletnich plantacji wierzby,
miskanta i ślazowca.
Powierzchnia tych upraw w Polsce nie rośnie, podobnie jak
nie rośnie ona w wielu krajach UE, mimo że była wspierana
częściowym zwrotem kosztów ponoszonych na zakładanie
plantacji.
Jest to zjawisko niepokojące, ponieważ biomasa ta ma być
źródłem energii odnawialnej nie tylko dla przemysłu
paliwowego, ale również energetyki.
Istotnymi powodami takiej sytuacji są: stosunkowo wysokie
koszty założenia plantacji, długi okres zwrotu
zainwestowanych środków, niedojrzały rynek, niska
opłacalność w stosunku do tradycyjnych upraw oraz brak
systemu kontraktacji zapewniającego opłacalność produkcji
w perspektywie żywotności plantacji (15-20 lat).
Biomasa
Koszt ogrzewania przy użyciu biomasy:
Biomasa jest tanim źródłem energii cieplnej, jeśli jest używana na miejscu,
bez konieczności transportu
Technologie wykorzystania
biomasy - gazyfikacja
Gazyfikacja biomasy to proces przetwarzania biopaliw stałych w gaz,
który poprzedza późniejsze spalanie w kotłach
Proces gazyfikacji przebiega dwustopniowo:


W komorze z niedoborem powietrza, w temperaturze 450-800oC
paliwo zostaje odgazowane. W wyniku powstaje gaz palny i
mineralna pozostałość (węgiel drzewny)
W drugim etapie w komorze dopalania w temperaturze około
1200oC w obecności nadmiaru tlenu spala się powstały gaz
Zaletą takiej technologii gazyfikacji jest wysoka efektywność około
35%. Kotły do jednostopniowego spalania biomasy mają
efektywność 15-20%.
Technologie wykorzystania
biomasy - pyroliza
Pyroliza biomasy to proces rozszczepienia cząstek związków
chemicznych o dużej masie cząsteczkowej na cząsteczki mniejsze.
Prowadzony jest w temperaturze 600oC bez dostępu powietrza.
Produktem jest ciekłe biopaliwo zwane olejem pyrolitycznym
będącym mieszaniną utlenionych węglowodorów. Zaletą jest
późniejsza łatwość transportu tego ciekłego produktu. Technologia
produkcji oleju jest ciągle w stadium badań. Produktem
wyjściowym jest na ogół drewno.
W wyniku pyrolizy powstaje:
Produkt ciekły – olej pyrolityczny (do 75%)
Produkt stały – wegiel drzewny (ok..12%)
Mieszanina gazów palnych (ok.. 13%)
Technologia pyrolizy może być pierwszym etapem przeróbki biomasy.
Kolejne etapy to gazyfikacja i spalanie.
Technologie wykorzystania biomasy –
procesy biochemiczne
Niektóre formy biomasy zawierają zbyt dużo wody by można je skutecanie
spalać. Ich wykorzystanie na cele energetyczne jest możliwe dzięki
procesom biochemicznym
Fermentacja alkoholowa – proces rozkładu węglowodanów
zachodzący po dodaniu drożdży bez dostępu tlenu. Surowce do
fermentacji to: zboża, winigrona, ziemniaki, buraki cukrowe.
Produktem jest alkohol
Estryfikacja oleju – przemiana oleju zawartego w roślinach (rzepak,
soja, gorczyca) w estry metylowe. Powstaje biodiesel.
Fermentacja metanowa – proces rozkładu wielkocząsteczkowych
substancji organicznych (białka, tłuszcze…) do alkoholi, kwasów
organicznych, metanu. Produktem jest biogaz (metan i CO2).
Wykorzystuje się odchody zwierzęce, odpady komunalne i odpady
przemysłu spożywczego
Produkcja biopaliwa
Uprawa dedykowanych roślin
Ten rodzaj biomasy może zawierać dużo wody bo nie
przeszkadza to w procesie produkcji biomasy tak jak w
przypadku spalania
Administracyjne wspomaganie produkcji biopaliwa:
Wskazane zużycie OZE w Polsce zostało określone w dyrektywie UE. W 2020
roku 15% zużywanej energii ma pochodzić z odnawialnych źródeł.
W przypadku paliw płynnch 10% paliw mają to być biopaliwa.
Cele te zostały rozpisane na źródła. Biomasa ma dostarczyć w sumie 83%
OZE. Największa jej alokacja (57%) ma dotyczyć ciepłownictwa. Polityka
naszego państwa stawia więc na rozproszone wykorzystywanie biomasy.
Biopaliwa pierwszej generacji





Biopaliwa pierwszej generacji uzyskiwane są z substancji
organicznej pochodzenia roślinnego bądź zwierzęcego.
Ich produkcja jest jednak nieco kontrowersyjna ze względu
na to, iż te same surowce stanowią pożywienie dla ludzi lub
zwierząt hodowlanych, należą do nich skrobia, cukry,
tłuszcze zwierzęce i oleje roślinne.
Do źródeł tych surowców należą m. in.: ziemniaki, ziarna
zbóż, trzcina cukrowa, buraki cukrowe, kukurydza, rzepak
i soja.
Produkcja biopaliw pierwszej generacji nie wymaga dużych
nakładów energii.
Biopaliwa wytwarzane są na drodze fermentacji materii
organicznej, bądź estryfikacji
Biopaliwa pierwszej generacji

1. Biodiesel.
Biodiesel jast najpopularniejszym rodzajem bioplaliwa, wykorzystywanym
w Europie. Wytwarza się go w procesie transestryfikacji wyższych kwasów
tłuszczowych, poprzez dodanie metanolu oraz wodorotlenku sodu bądź
potasu do olejów roślinnych. W Europie głównym surowcem do produkcji
biodiesla jest olej rzepakowy, w USA – sojowy. Drugi rodzaj biodiesla
pierwszej generacji to estry metylowe i etylowe otrzymywane z odpadów
olejowych, czyli olejów posmażalniczych. Biodiesel może być stosowany
we wszystkich typach silników wysokoprężnych, bez zmian
konstrukcyjnych.

2. Bioalkohole
Do bioalkoholi produkowanych w celach pozyskiwania energii należą
bioetanol (BioEtOH), biopropanol i biobutanol. Najpopularniejszym z nich
jest bioetanol. Najstarszym i do tej pory najlepiej poznanym procesem
biotechnologicznym prowadzącym do pozyskania etanolu jest fermentacja
alkoholowa. Surowcami do produkcji bioetanolu są produkty zawierające
skrobię lub sacharozę. Do tych pierwszych zalicza się m. in. ziarna zbóż
i bulwy ziemniaka, do drugiej grupy buraki cukrowe i trzcinę cukrową.
Obecnie bioetanol jest stosowany jedynie jako 5 % dodatek do benzyny
Biogaz




Biogaz najczęściej produkowany jest na drodze fermentacji
anaerobowej materii organicznej. Do jego wytworzenia można użyć
właściwie każdego rodzaju biomasy, włączając muł, ścieki, odpady
komunalne, odchody zwierzęce, czy odpady przemysłu rolno –
spożywczego.
Wyprodukowany biogaz składa się głównie z metanu i dwutlenku węgla
oraz niewielkiej ilości innych gazów (tlenku węgla, siarkowodoru,
amoniaku).Odpady pozostałe po wytworzeniu biogazu mogą służyć
jako nawóz.
Spalanie biogazu powoduje znacznie mniejszą emisję szkodliwych
tlenków azotu niż dzieje się to w wyniku spalania paliw kopalnych.
Biogaz znalazł swoje zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu.
Może być stosowany jako paliwo do generatorów prądu, jako źródło
energii grzewczej, jak również, po uprzednim oczyszczeniu
i sprzężeniu, może stanowić paliwo do silników samochodowych dla
instalacji CNG (compressed natural gas).
Biopaliwa drugiej generacji



1. Bioetanol lignocelulozowy jest to etanol otrzymywany
z lignocelulozy pochodzącej z biomasy (z wyłączeniem produktów
przeznaczonych do przemysłu spożywczego), uzyskany na drodze
zaawansowanych procesów hydrolizy i fermentacji. Drożdże są zdolne
jedynie do przekształcania celulozy ze ścian komórkowych roślin,
zatem w celu rozkładu lignocelulozy konieczne jest zastosowanie
innych mikroorganizmów, często genetycznie modyfikowanych, co
znacząco podnosi koszty produkcji bioetanolu
2. Biopaliwa syntetyczne, będące produktem przetwarzania biomasy
poprzez zgazowanie i odpowiednie reakcje pozwalające na
przekształcenie produktu w stan ciekły (technologie BtL – biomass to
liquid).
3. Biodiesel II generacji otrzymywany jest w wyniku rafinacji wodorem
(hydrogenizacji) olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych, głównie
odpadowych. Przykładem biodiesla drugiej generacji, stanowiącym
biopaliwo bądź komponent paliwowy do silników o zapłonie
samoczynnym jest bio – DME (dimetyloeter)
Efekty uboczne

Produkcja biopaliw może doprowadzić do zmniejszenia
różnorodności biologicznej, podwyżki cen żywności

Stosowanie niektórych biopaliw zwiększa emisje tlenków azotu do
środowiska.



Powstawanie kolejnych generacji biopaliw, wg naukowców, ma
wyeliminować dotychczasowe negatywne aspekty produkcji
biopaliw
Biopaliwa mają również wiele wad eksploatacyjnych, jak np.
pogorszenie właściwości rozruchowych silnika w obniżonych
temperaturach otoczenia, mniejsza trwałość paliw, czy
ograniczenia dotyczące mieszania niektórych biopaliw z paliwami
konwencjonalnymi
Wprowadzenie ich do obiegu niesie ze sobą konsekwencje
w postaci konieczności wprowadzenia zmian konstrukcyjnych
i materiałowych w silnikach
Biomasa - komentarz
Jaki obszar musi zajmować uprawa biomasy




Wydajność 15-30 ton suchej masy /ha rok
Moc elektrownii 5kW/ha
Siłownia o mocy 1000 MW (takiej jaką ma
typowa siłownia jądrowa, która w całości zajmuje
zwykle obszar ok..1km2) wymaga uprawy na
obszarze 200 000 ha czyli 2 000 km2.
Powierzchnia upraw na potrzeby jednej dużej
elektrownii to obszar o rozmiarach
100 km * 20 km
Wady: Konieczność transportu, związki organiczne
w spalinach
Sugerowana struktura OZE w Polsce w
2020 r.
EC – energia cieplna
EE – energia elektryczna
Gdyby rolnictwo miało pokryć
całe zapotrzebowanie na
biomasę określone w
"Polityce.."
bez wykorzystania produktów
ubocznych (np. słomy)
musiałoby na ten cel
przeznaczyć 3,1 mln ha
gruntów, co odpowiada 27%
użytkowanych obecnie
gruntów ornych
Produkcja biogazu i etanolu w Europie
Produkcja
biogazu
Produkcja
etanolu
Produkcja energii elektrycznej z biomasy w
Europie
Produkcja biopaliwa w Polsce: komentarz z
pozycji polityka – rolnika (2010 rok)



O opłacalności surowców do produkcji biopaliw płynnych,
takich jak: rzepak (biodesel) i zboża (bietanol) decyduje
sytuacja na rynku polskim, UE i krajów trzecich.
Rynek tych produktów nie jest stabilny i w konsekwencji
wysoce zmienna jest opłacalność produkcji. Mimo to, w
bliskiej perspektywie nie należy oczekiwać jakiegoś
dodatkowego wsparcia produkcji na te cele.
Konstatacja tego faktu, jak również to, że do etyliny
dodawano w niektórych latach 60% importowanego
bioetanolu, w miejsce promowania wykorzystania
krajowych surowców, nie stymuluje tej produkcji, a
przyczynia się do ugruntowywania się przeświadczenia, że
beneficjantem obecnej i przyszłej produkcji biopaliw
płynnych nie jest rolnictwo, lecz przemysł
Ile energii biomasy zużywa ludzkość w
postaci żywności
Normalna dieta dzienna człowieka to 2400 kcal
2400 kcal równoważne jest energii około 10 000 000 J
Na Ziemi żyje około 6 mld ludzi
Zapotrzebowanie roczne na energię w postaci żywności
wynosi:
10 MJ * 6 109 * 365 dni = 2.2 * 1019 J
Energia biomasy, która zapewniałaby żywność dla 6 mld
ludności świata, powinna wynosić rocznie 2.2 * 10 19 J czyli
520 Mtoe.
Energia biomasy przeznaczanej na żywność stanowi około
6% energii zużywanej obecnie przez ludzi na wszystkie
inne potrzeby