OPIS ZADANIA BADAWCZEGO (CAŁOŚCI)

Transkrypt

1 Załącznik nr 1 do Aneksu nr 6 do umowy nr SP/E/4/65786/10 OPIS ZADANIA BADAWCZEGO (CAŁOŚCI) Spis treści A. Cele Zadania Badawczego oraz planowane rezultaty (H49) Znaczenie tematyki. Spójność z priorytetami i strategią Państwa. Możliwości przemysłu Integracja środowiska. Możliwości realizacji Zadania. Konsorcjum Podział na bloki tematyczne Cele zadania badawczego Cele ogólne Szczegółowe cele i rezultaty Bloków Tematycznych Planowane główne instalacje pilotażowe i demonstracyjne. Zestawienie Kompleks kogeneracyjny oparty na kotle wielopaliwowym z układem ORC o mocy turbogeneratora ok MWe Kompleks kogneracyjny przystosowany dla zakładów przetwórstwa biomasy Układ kogeneracyjny gazowo/parowy z silnikiem /turbiną gazową i układem ORC Mikrobiogazownie pilotażowe fermentacyjne o mocy kwe Mikrobiogazownia pilotażowa pirolityczna o mocy kwe Instalacja powietrznego zgazowania biomasy w złożu stałym o mocy ~500kW Instalacja pilotażowa układu zgazowania pirolitycznego odpadów komunalnych i ściekowych z siłownią kogeneracyjną Biorafineria lignocelulozowa produkcja bioetanolu Instalacja oczyszczania biogazu i odzysku ciepła na bazie metody SFR Instalacja oczyszczania syngazu Instalacja prototypowa do rozproszonej produkcji wodoru z biogazu w plazmie wyładowania mikrofalowego Układ mikro-chp ze stosem SOFC o mocy 2.5 kw Uwarunkowania administracyjno-prawne budowy instalacji pilotażowych B. Opis i uzasadnienie działań planowanych w celu realizacji zadania badawczego - zgodnie z harmonogramem (z podziałem na etapy oraz części realizowane przez poszczególnych członków konsorcjum/sieci) (H50) Podział Zadania Badawczego na bloki tematyczne i etapy wraz z harmonogramem realizacji Szczegółowy opis merytoryczny etapów realizacji zadania badawczego

2 Etap 1. Teoretyczne, numeryczne i eksperymentalne badania spalania gazów niskokalorycznych w silnikach spalinowych, turbinach i mikroturbinach gazowych agregatów kogeneracyjnych Etap 2. Układy zasilania i sterowania układów kogeneracyjnych przystosowanych do spalania gazów niskokalorycznych Etap 3. Badania eksperymentalne poligeneracyjnego układu ORC o mocy kwe zasilanego z obiegu oleju termalnego Etap 4. Opracowanie kompleksowego projektu wielopaliwowego kotła do współpracy z układem oleju termalnego Etap 5. Opracowanie projektu strumienicowego układu chłodniczego do współpracy z poligeneracyjnym układem ORC; budowa instalacji demonstracyjnej oraz badania charakterystyk cieplnych i przepływowych układu strumienicowego Etap 6. Opracowanie wymienników ciepła dla układu ORC Etap 7. Opracowanie i badania własności przepływowych mechanicznych i dynamicznych turbogeneratora dla siłowni parowej ORC Etap 8. Zagospodarowanie energetyczne ciepła odpadowego z agregatów prądotwórczych Etap 9. Opracowanie systemu sterowania oraz diagnostyki wielowariantowego kompleksowego systemu poligeneracyjnego opartego na silniku spalinowym oraz kotle wielopaliwowym z układem ORC Etap 10. Dokumentacja typoszeregu układów kogeneracyjnych na bazie silnika spalinowego, z turbiną lub mikroturbiną gazową, ORC oraz układów gazowoparowych Etap 11. Budowa pilotażowego układu kogeneracyjnego z silnikiem spalinowym na syngaz dla zakładów przetwórstwa biomasy Etap 12. Budowa pilotażowego układu kogeneracyjnego w Żychlinie (kocioł wielopaliwowy, układ ORC) powiązanego funkcjonalnie z koncepcją modernizacji lokalnych ciepłowni do układów skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej Etap 13. Budowa badawczego układu kogeneracyjnego gazowo/parowego w IMPPAN (silnik spalinowy/turbina gazowa + układ ORC, Etap 14. Opracowanie koncepcji modernizacji lokalnych ciepłowni małej mocy (do 50 MWt mocy zainstalowanej) do układów skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej CHP na przykładzie ciepłowni w Żychlinie. Studium wykonalności Etap 15. Założenia systemowe biogazowni i mikrobiogazowni rolniczej. Optymalizacja parametrów konstrukcyjnych biogazowni i mikrobiogazowni Etap 16. Pilotażowa mikrobiogazownia fermentacyjna Etap 17. Pilotażowa mikrobiogazownia pirolityczna Etap 18. Badania zgazowania wybranych gatunków biomasy w reaktorze ze złożem stałym (GAZELA) w skali 20kg/h Etap 19. Budowa i rozruch instalacji pilotowej zgazowania biomasy w złożu stałym (GAZELA) Etap 20. Optymalizacja produkcji energii elektrycznej i ciepła ze zgazowania biomasy w skali pilotowej oraz ocena opłacalności wdrożenia technologii i jej wpływu na środowisko

3 Etap 21. Modyfikacja i optymalizacja małoskalowego procesu zgazowania IEn (KAJOT) do zasilania stosu ogniw paliwowych 2.5kWe Etap 22. Aplikacja procesu zgazowania (KAJOT) w skali ok. 800kW Etap 23. Analiza i charakterystyka energetyczna wywaru gorzelnianego jako paliwa oraz dobór sposobu obniżenia jego wilgotności przegląd rozwiązań technicznych i technologicznych. Analiza i charakterystyka popiołu powstającego w wyniku spalania wywaru gorzelnianego pod kątem jego wpływu na proces i urządzenia technologiczne np. szlakowanie, korozja i inne, oraz pod kątem sposobu jego zagospodarowania Etap 24. Badania procesu oraz optymalizacja zgazowania wywaru gorzelnianego w instalacji pilotowej. Opracowanie projektu technologicznego oraz analizy techniczno-ekonomicznej procesu wykorzystania energetycznego wywaru gorzelnianego Etap 25. Dokumentacja typoszeregu + instalacja pilotażowa układu zgazowania i siłowni kogeneracyjnej zasilanej gazem generatorowym uzyskanym ze zgazowania pirolitycznego odpadów komunalnych i ściekowych Etap 26. Badania i rozbudowa zintegrowanego układu zagospodarowania energetycznego trudno utylizowalnych odpadów zwierzęcych Etap 27. Opracowanie wysokosprawnego układu poligeneracyjnego zintegrowanego ze zgazowaniem biomasy i wykorzystaniem ciepła odpadowego wraz z analizą efektywności energetycznej i ekonomicznej dla różnych układów technologicznych m.in. elektrociepłowni, pieca obrotowego w cementowni i in Etap 28. Ślazowiec Sida hermaphrodita (L.) Rusby jako substrat biogazowni rolniczej oraz ocena uwarunkowań środowiskowych Etap 29. Procesy konwersji odpadów przemysłu rolno-spożywczego (wywar gorzelniany, serwatka) i biopaliwowego (faza glicerynowa) do biogazu Etap 30. Dedykowana produkcja biomasy lignocelulozowej na użytkach rolnych o niskiej bonitacji gleb oraz uwarunkowania środowiskowe i ekonomiczne Etap 31. Konwersja lignocelulozy do bioetanolu Etap 32. Założenia systemowe funkcjonowania biorafinerii lignocelulozowej i biorafinerii oleju z alg Etap 33. Dokumentacja i instalacja demonstracyjna do produkcji bioetanolu z masy lignocelulozowej Etap 34. Wykonanie modelu funkcjonalnego instalacji stacjonarnej oczyszczania biogazu i odzysku/wymiany ciepła na bazie SFR Etap 35. Wykonanie pierwszej wersji instalacji pilotażowej oczyszczania biogazu i odzysku/wymiany ciepła na bazie SFR oraz wstępna analiza ekonomiczna Etap 36. Wykonanie ostatecznej wersji instalacji pilotażowej oczyszczania biogazu i odzysku/wymiany ciepła na bazie SFR oraz analiza ekonomiczna Etap 37. Wykonanie instalacji oczyszczania syngazu Etap 38. Badania i optymalizacja układu oraz opracowanie wytycznych dla instalacji pilotażowej Etap 39. Wykonanie stanowiska do produkcji wodoru z biogazu, badania i optymalizacja układu oraz opracowanie wytycznych dla instalacji pilotażowej

4 Etap 40. Wykonanie i badania rozwojowe instalacji pilotażowej do produkcji wodoru z biogazu Etap 41. Badanie, wytwarzanie, charakteryzacja i testowanie nowych materiałów do produkcji stosu ogniw paliwowych SOFC Etap 42. Rozwój technologii wytwarzania pełnowymiarowych ogniw SOFC na podłożu anodowym do zastosowań w module stosów SOFC Etap 43. Badania modelowe, określenie konfiguracji i opracowanie założeń konstrukcyjnych modułowego stosu ogniw paliwowych SOFC Etap 44. Badania krótkich stosów ogniw SOFC skonstruowanych z zastosowaniem nowych materiałów i technologii Etap 45. Projekt wykonawczy, konstrukcja i badania modułowego stosu ogniw paliwowych o mocy elektrycznej 2.5 kw Etap 46. Opracowanie założeń konstrukcyjnych układu sprzężonej generacji energii elektrycznej i ciepła w oparciu o skalowalny moduł stosu ogniw SOFC Etap 47. Projekt wykonawczy, konstrukcja i badania układu sprzężonej generacji energii elektrycznej i ciepła na bazie ognia paliwowego Etap 48. Separacja dwutlenku węgla z biogazu z wykorzystaniem cieczy jonowych Etap 49. Fotokonwersja dwutlenku węgla do lekkich węglowodorów Etap 50. Diagnostyka spalania biednych mieszanek biogazowych w silnikach i turbinach spalinowych Etap 51. Materiały oraz technologie wytwarzania kluczowych elementów układów ORC Etap 52. Nowe materiały funkcjonalne dla elementów układów energetyki rozproszonej Etap 53. Zasady przyłączania elektroenergetycznych źródeł wytwórczych do sieci 110 kv OSD (sieci zarządzanej przez Operatora Systemu Dystrybucyjnego). Opracowanie projektu wytycznych przyłączania elektroenergetycznych źródeł wytwórczych do sieci OSD, przeznaczonych do stosowania przez Operatora Systemu Dystrybucyjnego, Urząd Regulacji Energetyki i Ministerstwo Gospodarki Etap 54. Analiza potencjału rynku usług regulacyjnych dla potrzeb OSD, możliwych do wytworzenia przez lokalne źródła energii elektrycznej w sieci SN (w szczególności opracowanie podstaw wprowadzenia do praktyki usługi zastępowalności inwestycji sieciowych przez lokalne źródła energii). Opracowanie projektu katalogu usług regulacyjnych i zasad ich wyceny dla potrzeb taryfowania usług przesyłowych realizowanych za pomocą sieci OSD, przeznaczonych do wykorzystania przez Operatora Systemu Dystrybucyjnego, Urząd Regulacji Energetyki i Ministerstwo Gospodarki Etap 55. Opracowanie zasad planowania rozwoju sieci dystrybucyjnej 110kV, SN i nn, uwzględniających pracę rozproszonych źródeł wytwórczych - wytyczne planowania rozwoju sieci dystrybucyjnych przeznaczone dla Operatora Systemu Dystrybucyjnego Etap 56. Opracowanie koncepcji oraz modelu technicznego i biznesowego sieci inteligentnej (Smart Grid) na poziomie średniego napięcia (SN) w kontekście współpracy lokalnych źródeł energii w sytuacjach normalnej pracy oraz awarii sieci (możliwość pracy wyspowej)

5 Etap 57. Ocena wpływu rozwoju segmentu biomasowych technologii energetycznych (w tym sieci franczyzowej mikrobiogazowni rolniczych) na kształtowanie oddolnego filaru bezpieczeństwa energetycznego i realizację celów Pakietu 3x Etap 58. Badania w tym homologacja/certyfikacja na zgodność z polskimi normami i unijnymi wymaganiami urządzeń/instalacji (mikrobiogazowni/ mikroelektrowni) C. Opis metod i sposobu realizacji zadania badawczego z uzasadnieniem (H 51) Blok Tematyczny 1 - Siłownie poligeneracyjne (systemy produkcji energii elektrycznej, ciepła i chłodu) zintegrowane z układami produkcji paliw z biomasy. (etapy 1 14) Blok tematyczny 2. Mikrobiogazownia domowa, Blok tematyczny 3. Układy zgazowania termicznego biomasy oraz odpadów rolnych, komunalnych, ściekowych i in., Blok tematyczny 4, Układy produkcji paliw gazowych i płynnych metodami konwersji biologicznej biomasy (Biogazownia rolnicza, Biorafineria). (etapy 15-33) Blok tematyczny 5 Oczyszczanie i uszlachetnianie (w tym reforming do wodoru) produktów gazowych zgazowania fermentacyjnego i termicznego (biogazu). (etapy 34-40) Blok tematyczny 6 Układ kogeneracji energii elektrycznej i ciepła na bazie ogniwa paliwowego o mocy 2,5 kwe. (etapy 41-47) Blok tematyczny 7 Badania wyprzedzające nowych technologii procesowych i materiałowych dla energetyki rozproszonej. (etapy 48-52) Blok tematyczny 8 Integracja energetyki rozproszonej z siecią elektroenergetyczną (etapy 53-58) D. Nowoczesność proponowanych rozwiązań w porównaniu do rozwiązań dotychczas stosowanych w kraju i za granicą (szczególnie w krajach Unii Europejskiej i w USA) (H52) Blok tematyczny 1 Siłownie poligeneracyjne (systemy produkcji energii elektrycznej, ciepła i chłodu) zintegrowane z układami produkcji paliw z biomasy Blok tematyczny 2. Mikrobiogazownie domowe, Blok tematyczny 3. Układy zgazowania termicznego biomasy oraz odpadów rolnych, komunalnych, ściekowych i in., Blok tematyczny 4. Układy produkcji paliw gazowych i płynnych metodami konwersji biologicznej biomasy (Biogazownia rolnicza, Biorafineria) Blok tematyczny 5 - Oczyszczanie i uszlachetnianie (w tym reforming do wodoru) produktów gazowych zgazowania fermentacyjnego i termicznego (biogazu) Blok tematyczny 6 Układ kogeneracji energii elektrycznej i ciepła na bazie ogniwa paliwowego o mocy 2,5 kw Blok tematyczny 7 - Badania wyprzedzające nowych technologii procesowych i materiałowych dla energetyki rozproszonej

6 19. Blok tematyczny 8 - Integracja energetyki rozproszonej z siecią elektroenergetyczną E. Proponowany program komercjalizacji oczekiwanych wyników zadania badawczego (H 53) stan na 2010 r Program komercjalizacji w Grupie ENERGA Deklaracje udziału pozostałych partnerów przemysłowych stan na maj Komercjalizacja innych wyników Zadania Badawczego F. Wykaz i Karty Instalacji demonstracyjnych. Aktualny stan zaawansowania Wykaz instalacji z podziałem na Wykonawców Karty instalacji Aktualny stan zaawansowania na koniec grudnia 2014 r G. Planowany sposób zarządzania realizacją zadania badawczego (H54) H. Słowa kluczowe charakteryzujące zadanie badawcze (H 55)

7 A. Cele Zadania Badawczego oraz planowane rezultaty (H49) 1. Znaczenie tematyki. Spójność z priorytetami i strategią Państwa. Możliwości przemysłu. W dniu 5 czerwca 2009 roku w Dzienniku Unii Europejskiej opublikowano Pakiet klimatyczno-energetyczny, a wchodząca w jego skład dyrektywa UE 2009/28/WE 1 z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE, określiła krajowe cele ogólne w zakresie udziału energii ze źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto w 2020 roku. Cel ten dla Polski wynosi 15%, podczas gdy wartość referencyjna z 2005 roku to 7,2%. W zakresie udziału energii ze źródeł odnawialnych w użyciu energii w transporcie cel ten jest taki sam, tj. 10% w każdym państwie członkowskim. Innym ważnym dokumentem istotnym z punktu widzenia przyszłej komercjalizacji wyników zadania badawczego jest dyrektywa 2010/75/UE o emisjach przemysłowych i dyrektywa 2009/28/WE w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych. Niezależnie od powyższych bazowych aktów prawnych warto odnotować wystąpienie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi na konferencji zorganizowanej w Sopocie dnia 16 lipca 2011 roku z okazji polskiej Prezydencji w UE, gdzie zaprezentowane zostało stanowisko polskiego Rządu w kwestii energetycznego wykorzystania biomasy pochodzenia rolniczego. Stwierdzono tam mianowicie, że Energetyka rozproszona oparta na odnawialnych źródłach energii jest uzupełnieniem a nie konkurentem energetyki systemowej. Na konferencji prasowej 25 lipca 2011 w Sejmie RP minister Sawicki stwierdził: 50% energii z OZE w 2050 r. to nie marzenie, to realny plan gospodarczy. Polska stoi więc przed wyzwaniem, które stanowi jednocześnie wielką szansę dla rozwoju gospodarczego poszczególnych regionów jak i całego kraju. Wzrasta więc potrzeba rozwoju technologii wykorzystujących bogate zasoby biomasy, w tym biomasy z dedykowanych upraw energetycznych oraz biomasy odpadowej. Choć zmiany przepisów prawa spowodowały większe zainteresowanie budową biogazowni, do roku 2014 w Polsce powstało ok. 50 biogazowni rolniczych, z czego dziewięć zlokalizowane są w województwie pomorskim. Ministerstwo Gospodarki we współpracy z Ministrem Rolnictwa i Rozwoju Wsi przygotowało program Innowacyjna Energetyka 1 DYREKTYWA PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE; 7

8 Rolnictwo Energetyczne (wersja dokumentu z dnia r.), którego celem jest stworzenie optymalnych warunków dla rozwoju biogazowni rolniczych. Wiele czynników wskazuje na to, że region Polski Północnej jest szczególnie predysponowany do rozwoju energetyki biomasowej. Województwa pomorskie, zachodniopomorskie oraz warmińsko-mazurskie, charakteryzują znaczne zasoby biomasy leśnej oraz rolniczej, możliwe do wykorzystania dla poligeneracji (w tym, generacji energii elektrycznej, ciepła i chłodu dla potrzeb rolnictwa, np. w Gminnych Centrach Energetycznych). Ponadto, województwa te charakteryzuje duży niedobór mocy elektrycznej generowanej na ich terytorium, dlatego stanowią one idealny region dla rozwoju energetyki rozproszonej opartej na biomasie. Na terenie Makroregionu Polski Północnej działa największy w kraju Bałtycki Klaster Ekoenergetyczny ( skupiający ponad 100 jednostek przemysłowych, samorządowych i naukowych. To bardzo duży potencjał nakierowany na energetyczne wykorzystanie OZE w makroregionie. IMP PAN pełni rolę Koordynatora Klastra. Zrealizowano też kilka projektów unijnych, w tym m.in. Bioenergy Promotion ( nakierowany na współpracę krajów nadbałtyckich w zakresie przetwarzania biomasy. IMP PAN jest w tym projekcie liderem modułu BIZNES. Dążenie do zwiększenia produkcji energii elektrycznej (w tym z biomasy) znajduje poparcie zarówno w gremiach politycznych i samorządowych Pomorza (w tym w Urzędzie Marszałkowskim), jak i gospodarczych, np. u głównego dystrybutora energii elektrycznej w Grupie Kapitałowej ENERGA. Strategia Grupy przewiduje m.in. działania wspierające rozwój energetyki rozproszonej opartej o technologie Odnawialnych Źródeł Energii (OZE), w tym biomasę. 2. Integracja środowiska. Możliwości realizacji Zadania. Konsorcjum. Potencjał i doświadczenie w zakresie energetycznego przetwarzania biomasy czołowych jednostek naukowych z Makroregionu Polski Północnej (Instytutu Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku, Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie oraz Politechniki Gdańskiej) wsparte doświadczeniem w tym zakresie innych renomowanych ośrodków naukowych (Instytut Energetyki w Warszawie, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu, Politechniki Śląskiej czy Politechniki Krakowskiej) a także, co ma znaczenie kluczowe, zaangażowanie się w tą tematykę przemysłu, w tym zwłaszcza ENERGA SA, stworzyło podstawy dla zawiązania konsorcjum i innych formalnych form współpracy dla opracowania oferty i realizacji Zadania 4. W Konsorcjum tym Instytut Maszyn Przepływowych 8

9 PAN w Gdańsku (IMP PAN) pełni rolę Lidera natomiast ENERGA SA, jako zarządzająca Grupą ENERGA pełni rolę strategicznego partnera przemysłowego. Zaproponowana została struktura Konsorcjum, w której IMP PAN jako Lider Konsorcjum zawarł pakiet dwustronnych umów o współwykonawstwie prac z ośrodkami i zespołami niezbędnymi dla osiągnięcia zamierzonych celów i budowy instalacji pilotażowych. Z kolei ENERGA SA koordynować będzie prace pozostałych partnerów przemysłowych, którzy zadeklarowali chęć udziału w projekcie i złożyli stosowne oświadczenia. Strukturę Konsorcjum przedstawia Rys. A1. Rys. A1. Struktura Konsorcjum IMP-ENERGA dla realizacji Zadania Badawczego wraz z wyszczególnieniem pozostałych partnerów naukowych i przemysłowych. Zaproponowana struktura konsorcjum wydaje się być optymalna z uwagi na fakt, iż ENERGA SA angażuje bezpośrednio w badania podstawowe, przemysłowe i rozwojowe niniejszego projektu własne środki finansowe w wysokości aż 40 mln zł! Uwzględniając środki na Zadanie nr 4 z NCBIR w wysokości 70 mln zł stanowi to razem kwotę 110 mln zł. W tej sytuacji skuteczne zarządzanie finansami i pracami w układzie z tradycyjną formą konsorcjum (wszyscy partnerzy są równoprawnymi członkami konsorcjum) może być utrudnione. Ponadto ENERGA SA uruchamia prace związane z budową infrastruktury sieciowej umożliwiającej przyszłe podłączenia i wdrożenia instalacji pilotażowych na kwotę ponad 220 mln zł. 9

10 3. Podział na bloki tematyczne. Przedstawiona w ogłoszeniu konkursowym tematyka Zadania Badawczego nr 4 pt. Opracowanie zintegrowanych technologii wytwarzania paliw i energii z biomasy, odpadów rolniczych i innych została uwzględniona poprzez specyfikację 8 Bloków Tematycznych, które z kolei składają się z konkretnych etapów ich realizacji. Zestawienie bloków i etapów przedstawia rys. A2, natomiast ich szczegółowy opis przedstawiony jest w części B Opis i uzasadnienie działań. 1. Siłownie poligeneracyjne (systemy produkcji energii elektrycznej, ciepła i chłodu) zintegrowane z układami produkcji paliw z biomasy (etapy 1 14), 2. Mikrobiogazownie domowe (etapy 15 17), 3. Układy zgazowania termicznego biomasy oraz odpadów rolnych, komunalnych, ściekowych i in. (etapy 18-27), 4. Układy produkcji paliw gazowych i płynnych metodami konwersji biologicznej biomasy (Biogazownia rolnicza, Biorafineria) (etapy 28 33), 5. Oczyszczanie i uszlachetnianie (w tym reforming do wodoru) produktów gazowych zgazowania fermentacyjnego i termicznego (biogazu) (etapy 34 40), 6. Układ kogeneracji energii elektrycznej i ciepła na bazie ogniwa paliwowego o mocy 2,5 kw (etapy 41 47), 7. Badania wyprzedzające nowych technologii procesowych i materiałowych dla energetyki rozproszonej (etapy 48 52), 8. Integracja energetyki rozproszonej z siecią elektroenergetyczną (etapy 53 58). Zaproponowany podział na bloki tematyczne z jednej strony odpowiada tematom w ogłoszeniu konkursowym, a z drugiej strony odpowiada dążeniom do koncentracji wysiłku badawczego wszystkich podmiotów zaangażowanych w opracowanie niniejszej oferty. Koncentracja wysiłku wydaje się być niezwykle pożądana w świetle spodziewanych efektów końcowych, w tym zwłaszcza instalacji pilotażowych. Szacunki dotyczące potencjalnych celów biznesowych i efektów wdrożenia będące wynikiem szczegółowych analiz, głównie specjalistów ENERGA SA zostały bardziej szczegółowo opisane w części E Program komercjalizacji. Bloki tematyczne przedstawione na rys. A2 zostały rozpisane na poszczególne etapy w części B Opis i uzasadnienie działań. oraz w harmonogramie prac. 10

11 Nr Bloku Temat/Etapów Nr tematu w ogłoszeniu konkurs. Hasłowy zakres zadania Prowadzący zadanie 2010 Planowana data Finansowanie zadania (mln. zł) Kosztorys w rozbiciu na rodzaje kosztów (mln. zł) koszty (płace, mater i inne) Aktywa trwałe, wartości niematerialne i prawne Oczekiwane produkty zadania IMP PAN / NCBiR ENERGA INNE ŚRODKI WŁASNE środki trwałe wartości materialne i prawne /(1-14) 1,2 Siłownie poligeneracyjne (systemy produkcji energii elektrycznej, ciepła i chłodu) zintegrowane z układami produkcji paliw z biomasy 2/ (15-17) 1,2 Mikrobiogazownia domowa 3/ (18-27) 1 4/ (28-33) 2,3 5/(34-40) 1,2 6/( 41-47) 4 7/ (48-52) 1,2,3,4 8/ (53-58) 5,6 badania podstawowe Układy zgazowania termicznego biomasy oraz odpadów rolnych komunalnych, ściekowych i in. Kiciński, Lampart IMP Cenian, Kardaś - IMP/ Gołaszewski- UWM / Hupka - PG Ściążko 0 IChPW/ Golec - IEn/ Cenian - IMP 23,2 19,1 0,0 18,5 4,0 19,8 2,0 2,7 0,0 1,3 1,2 2,2 14,9 0,8 2,0 2,7 1,3 13,7 Układy produkcji paliw gazowych i płynnych metodami konwersji biologicznej biomasy ( Biogazownia rolnicza, Biorafineria) Gołaszewski - UWM 10,4 2,5 0,0 2,0 1,5 9,4 Oczyszczanie i uszlachetnianie (w tym reforming do wodoru) produktów gazowych zgazowania fermentacyjnego i termicznego (biogazu) Ukłąd kogeneracji energii elektrycznej i ciepła bna bazie ogniwa paliwowego o mocy 2,5 kwe Badania wyprzedzające nowych technologii procesowych i materiałów dla energetyki rozproszonej Integracja energetyki rozproszonej z siecią Cenian - IMP / Hupka - PG/ Litwin - ENERGA Golec - IEn Cenian - IMP / Hupka - PG/ Włosiński - PW Litwin - ENERGA/ Cenian - IMP 3,3 7,5 0,0 2,0 1,2 7,6 11,5 2,5 0,0 2,0 1,0 11,0 3 instalacjie pilotaż. siłowni poligeneracyjnych i kogeneracyjna (Żychlin, Szepietowo, Elbląg, IMP); DTR 2 instalacje pilotazowe mikrobiogazowni; DTR 2 instalacje pilotażowe układów zgazowania biomasy, technologia DTR Instalacja pilotażowa biorafinerii, technologia DTR 3 instalacje pilotażowe oczyszczania i uszlachetniania biogazów, technologia DTR Instalacja pilotażowa siłowni poligeneracyjnej na bazie ogniw paliwowych o mocy 2,5 kw, technologia DTR 2,7 0,8 0,0 0,6 0,3 2,6 technologia DTR 2,0 2,1 0,0 0,0 1,0 3,1 70,0 38,0 2,0 29,1 11,5 69,4 Wytyczne dla URE i MG. Analizy i opracowania Potencjalny produkt biznesowy Układ możliwy do zastosowania na osiedlach mieszkaniowych - dalszy etap Energetycznego Domu 2010/2011*) Mikrobiogazowania wchodząca w pakiet Energetycznego Domu w dalszym etapie wdrożenia *) Technologia wchodząca w pakiet Energetycznego Domu w dalszym etapie wdrożenia *) Cząstkowy produkt do wykorzystania w Energetycznym Domu oraz innych projektach energetyki rozproszonej prace przemysłowe *) Energetyczny Dom - planowany produkt biznesowy GK ENERGA. Idea kogeneracji rozproszonej i efektywności budowlanej w otoczeniu sieci inteligentnej budowa instalacji Rys. A2. Zestawienie bloków tematycznych wraz z ich kosztorysem i spodziewanymi efektami 12

12 4. Cele zadania badawczego 4.1 Cele ogólne Głównym celem Bloków Tematycznych i tym samym niniejszego zadania jest: - opracowanie i udoskonalenie aż do osiągnięcia pełnej dojrzałości, innowacyjnych technologii wytwarzania energii elektrycznej i ciepła z biomasy i odpadów, wykorzystujących metody konwersji biologicznej (zgazowania fermentacyjnego), zgazowania termicznego i pirolizy, - opracowanie technologii ukierunkowanych na wykorzystanie ogniw paliwowych zintegrowanych z układami kogeneracyjnymi do produkcji prądu i ciepła, - opracowanie efektywnej technologii produkcji paliw płynnych z biomasy rolniczej i odpadowej, - opracowanie i wykonanie 12 pilotażowych instalacji demonstracyjnych. Instalacje te, jako główny efekt niniejszego zadania, stanowić będą podstawę dla przyszłych wdrożeń nowoczesnych technologii z zakresu energetycznego przetwarzania biomasy i odpadów oraz budowy biogazowni zintegrowanych z układami kogeneracyjnymi. Planowanie, w ramach niniejszej oferty, budowy aż 12 prototypowych instalacji pilotażowych jest możliwe dzięki zaangażowaniu dużych własnych środków finansowych w badania przemysłowe i rozwojowe przemysłu, przede wszystkim ENERGA SA. Wkład własny wynosi 40 mln zł, co stanowi około 57% kwoty przewidzianej na finansowanie Zadania nr 4 przez NCBIR. 4.2 Szczegółowe cele i rezultaty Bloków Tematycznych W niniejszej części opisane zostały rezultaty i cele poszczególnych bloków tematycznych jako całości. Szczegółowe opisy etapów, z których te bloki się składają zawarte są w części B. Blok Tematyczny 1. Siłownie poligeneracyjne (systemy produkcji energii elektrycznej, ciepła i chłodu) zintegrowane z układami produkcji paliw z biomasy (etapy 1 14). Celem bloku tematycznego jest opracowanie technologii kogeneracji energii elektrycznej i cieplnej (a także chłodu) skojarzonej z technologiami produkcji paliw gazowych i płynnych wykorzystujących metody fermentacji lub zgazowania biomasy, odpadów rolnych, zwierzęcych, komunalnych, ściekowych i innych. W efekcie realizacji projektu opracowane zostaną: 13

13 technologie i urządzenia do wysokosprawnej generacji energii elektrycznej z biopaliw (w oparciu o silnik spalinowy lub turbinę gazową), modele matematyczne (wraz z weryfikacją eksperymentalną) procesów spalania paliw drugiej generacji o różnym pochodzeniu oraz układy zasilania i inteligentne systemy sterowania agregatów prądotwórczych, układy zagospodarowania ciepła odpadowego z produkcji energii elektrycznej na cele technologiczne, ciepłownicze poprzez nadbudowę agregatów prądotwórczych elektrowni kogeneracyjnych układami grzewczo-technologicznymi, wraz z opracowaniem systemu diagnostyki i automatyki kogeneracyjnego obiegu cieplnego, technologie ciepłowni poligeneracyjnej (produkcja ciepła, energii elektrycznej i chłodu) w oparciu o kocioł wielopaliwowy, organiczny obieg Rankine a ORC (ang.: Organic Rankine Cycle) z turbiną parową lub alternatywnym ekspanderem śrubowym i strumienicowym układem produkcji chłodu, technologie podnoszące sprawność produkcji energii elektrycznej w elektrowniach kogeneracyjnych poprzez nadbudowę silnika spalinowego lub turbiny gazowej układem parowym w technologii ORC, dokumentacja techniczna typoszeregów siłowni kogeneracyjnych skojarzonych z mikro-biogazowniami fermentacyjnymi oraz zgazowarkami pirolitycznymi w zakresie mocy 10-50kWe, dokumentacja techniczna typoszeregów siłowni kogeneracyjnych skojarzonych z układami produkcji biopaliw dla gminnych lub osiedlowych centrów energetycznych w zakresie mocy 100kWe-5MWe, instalacja pilotażowa o mocy ok. 0.24MWe obejmująca kompleks kogeneracyjny oparty na kotle wielopaliwowym i układzie ORC, instalacja kogeneracyjna dla zakładów przetwórstwa biomasy ze zgazowarką, układem oczyszczania syngazu, sinikiem spalinowym na syngaz oraz odzyskiem ciepła z syngazu i spalin na potrzeby suszenia biomasy, instalacja pilotażowa badawczego układu kogeneracyjnego gazowo/parowego z silnikiem / turbiną gazową i układem ORC. Główna instalacja pilotażowa (przedstawiona na rys. A3) zostanie zbudowana w Żychlinie. Obejmuje ona kompleks kogeneracyjny, na który składają się kocioł biomasowy wielopaliwowy (moc w paliwie ok. 1.8 MW), układ oleju termalnego jako układ odbierający ciepło spalin, układ siłowni ORC (z turbogeneratorem o mocy ok MWe), węzeł ciepłowniczy o mocy cieplnej ok. 1.2 MWc, system diagnostyki i sterowania kotłem wielopaliwowym, obiegiem oleju termalnego i układem ORC oraz przyłączenie do sieci energetycznej i ciepłowniczej. 14

14 Rys. A3. Schemat blokowy i ideowy układu kogeneracyjnego instalacji pilotażowej Druga instalacja pilotażowa to układ kogeneracyjny przystosowany dla zakładów przetwórstwa biomasy. W jego skład wchodzi: - zgazowarka biomasy (obecnie istniejąca), - układ oczyszczania i uszlachetniania syngazu w celu przystosowania go do spalania w silniku spalinowym, - silnik spalinowy na syngaz wraz z generatorem o mocy elektrycznej do 0.5 MW, - układy odzysku ciepła ze spalin zgazowarki, syngazu oraz spalin z silnika spalinowego na potrzeby suszenia biomasy. Kolejna instalacja pilotażowa (Rys. A4) - badawczy układ kogeneracyjny gazowo/parowy z silnikiem spalinowym / turbiną gazową i układem ORC powstanie w IMP PAN. Przewiduje się budowę modułowej kontenerowej instalacji pilotażowej o dużej efektywności produkcji energii elektrycznej (40-50%) obejmującej silnik spalinowy lub turbinę gazową spalającą biogaz (z generatorem o mocy elektrycznej do 0.5 MWe), pośredni obieg oleju termalnego (odbierający ciepło spalin i ciepło chłodzenia silnika/ turbiny gazowej), układ siłowni ORC z turbiną parową na czynnik niskowrzący (z turbogeneratorem o mocy elektrycznej do 0.2 MWe), węzeł ciepłowniczy, system diagnostyki i sterowania 15

15 podstawowym agregatem prądotwórczym, obiegiem oleju termalnego i układem ORC oraz przyłączenie do sieci. Rys. A4. Schematy wariantów instalacji kontenerowej. Istotą tego etapu jest także opracowanie szczegółowych wytycznych oraz propozycja ramowej dokumentacji technicznej w zakresie aplikacji układów kogeneracyjnych dla konkretnych obiektów, w których ENERGA S.A. jako integrator rynkowo-przemysłowy upatruje możliwości inwestycyjne w okresie zbliżonym do końcowej części realizacji Zadania badawczego. W ramach niniejszego zadania zostanie opracowana dokumentacja techniczna, która generalnie obejmie dwa warianty siłowni ORC: do pracy podstawowej, czyli współpracy z kotłem wielopaliwowym jako wersja podstawowa dla rozwoju Gminnych Centrów Energetycznych, z wykorzystaniem ciepła odpadowego siłowni ORC do wykorzystania jako ciepła użytkowego (węzeł ciepłowniczy) oraz produkcji chłodu (układy wody lodowej, zaś opcjonalnie zimno technologiczne dla składowania płodów rolnych); 16

16 do pracy alternatywnej w układzie wspomagania pracy silnika spalinowego, z wykorzystaniem ciepła odpadowego jako ciepła użytkowego. Instalacje wraz z dokumentacją techniczną będą stanowiły podstawę rozwiązań siłowni poligeneracyjnych w postaci Gminnych Centrów Energetycznych. Osiągnięciu celu końcowego służą prace o charakterze badań podstawowych, m.in.: - Badania spalania gazów niskokalorycznych w silnikach spalinowych, turbinach i mikroturbinach gazowych agregatów CHP, - Opracowanie układów zasilania i sterowania silników spalinowych agregatów CHP przystosowanych do spalania gazów niskokalorycznych, - Badania eksperymentalne poligeneracyjnego układu ORC o mocy kwe zasilanego z obiegu oleju termalnego, - Opracowanie projektu kotła wielopaliwowego, układu pośredniego oleju termalnego, wymienników ciepła i urządzeń rozprężnych dla siłowni parowej ORC - Opracowanie strumienicowego układu chłodniczego, - Zagospodarowanie energetyczne ciepła odpadowego z agregatów prądotwórczych, - Opracowanie systemu sterowania oraz diagnostyki układu poligeneracyjnego. Blok Tematyczny 2. Mikrobiogazownia domowa (etapy 15 17). Celem bloku tematycznego Mikrobiogazownia domowa jest opracowanie technologii zgazowania fermentacyjnego oraz termicznego dla utylizacji odpadów rolnych, przemysłu rolno-spożywczego i inn. w skali 10-50kWe w skojarzeniu z kogeneracją energii elektrycznej i ciepła na bazie agregatów prądotwórczych przystosowanych do spalania gazów niksokalorycznych. W efekcie realizacji projektu opracowane zostaną: założenia systemowe biogazowni i mikrobiogazowni rolniczej wraz z optymalizacją parametrów konstrukcyjnych biogazowni i mikrobiogazowni rolniczej, dokumentacja techniczna oraz instalacja pilotażowa mikrobiogazowni fermentacyjnej o mocy kwe z silnikiem spalinowym na biogaz z kogeneracją (z węzłem ciepłowniczym), dokumentacja techniczna oraz instalacja pilotażowa mikrobiogazowni o mocy kwe ze zgazowarką pirolityczną i z silnikiem kogeneracyjnym nadbudowanym węzłem ciepłowniczym spalającym gaz syntezowy. Opracowana zostanie ekonomicznie uzasadniona technologia produkcji gazu i energii elektrycznej z biomasy rolniczej i odpadowej gospodarstwa wiejskiego o wielkości areału ok. 30 ha. Biorąc pod uwagę ilość takich gospodarstw szacuje się wielkość rynku na ok. 100 tys. jednostek. Mikrobiogazownia fermentacyjna z kogeneracją na silniku spalinowym 17

17 (nadbudowanym węzłem ciepłowniczym) na biogaz zostanie opracowana przez zespół z UMW, PG oraz PŚl. Z kolei mikrobiogazownia ze zgazowaniem pirolitycznym również skojarzona z układem kogeneracji energii elektrycznej i ciepła powstanie w IMP PAN. Budowa instalacji pilotażowej mikrobiogazowni fermentacyjnej, której schemat przedstawiono na Rys. A5 stanowi etap finalizujący wcześniej wykonane prace w ramach niniejszego bloku dotyczące założeń systemowych oraz optymalizacji parametrów biogazowni i mikrobiogazowni rolniczej, jak również prace w bloku tematycznym 4 w odniesieniu do technologii biogazowni rolniczej. Rys. A5. Schemat koncepcyjny pilotażowej mikrobiogazowni CHP. W niniejszym pracach wykorzystane zostaną także wyniki prac z Bloku Tematycznego 1 nad przystosowaniem układu zasilania i sterowania zapłonem silnika spalinowego do spalania biogazu i gazu syntezowego. Blok Tematyczny 3. Układy zgazowania termicznego biomasy oraz odpadów rolnych, komunalnych, ściekowych i in. (etapy 18 27) Celem 3 bloku tematycznego jest: (a) określenie kryteriów przydatności różnych rodzajów biomasy do procesów konwersji termicznej, (b) opracowanie nowoczesnej, konkurencyjnej i bezpiecznej dla środowiska technologii zgazowania biomasy dla produkcji gazu, który zostanie wykorzystany do napędu silników gazowych i ogniw paliwowych, (c) wskazanie kierunków efektywnej i bezpiecznej utylizacji stałej pozostałości z procesu zgazowania biomasy, (d) dobór metod analitycznych oceny jakości gazu oraz opracowanie metodyki pobierania i przygotowania próbek do badań. 18

18 Ad. (a). Przydatność biomasy do procesu zgazowania lub innej technologii przetwórstwa termicznego determinowana jest przez jej podstawowe właściwości fizykochemiczne, które decydują o zachowaniu się paliwa w trakcie procesu konwersji oraz o właściwościach powstających produktów. Najważniejsze z nich to: o skład elementarny paliwa, o zawartość wilgoci, o zawartość części lotnych, o zawartość popiołu, o skład pierwiastkowy popiołu. Oprócz określenia podstawowych parametrów jakościowych, przydatność biomasy do procesu zgazowania może być także oceniana poprzez zestandaryzowane testy pirolizy w skali laboratoryjnej. Ad. (b). Zgazowanie biomasy stanowi drogę do otrzymywania paliw gazowych przydatnych do wykorzystania w silnikach i turbinach gazowych lub ogniwach paliwowych. Technologia zgazowania obejmująca m.in. rodzaj paliwa, konstrukcję reaktora, warunki procesu oraz rozwiązania systemu dozowania paliwa i odbioru produktów, może mieć znaczący wpływ zarówno na konkurencyjność ekonomiczną procesu, jak i wpływ na środowisko naturalne. Dobór właściwych warunków technologicznych procesu obejmujący powyższe uwarunkowania decyduje o właściwościach otrzymywanych produktów oraz konkurencyjności ekonomicznej procesu konwersji. Dla otrzymania wyników gwarantujących możliwość wdrożenia technologii niezbędne jest prowadzenie szeroko zakrojonych testów zgazowania i stopniowe powiększanie skali badań. Ad. (c) otrzymana w procesie zgazowania biomasy stała pozostałość o charakterze szlaki i/lub popiołu stanowi odpad, który należy zagospodarować, najlepiej w użyteczny sposób. Ilość oraz charakter stałej pozostałości zależy od zawartości popiołu w biomasie oraz jego składu ilościowo-jakościowego. Określenie potencjalnych kierunków zagospodarowania stałej pozostałości ze zgazowania biomasy musi uwzględnić m.in. możliwość jej zastosowania jako dodatku do produkcji betonów, ceramiki budowlanej, kruszyw etc. Działania dotyczące zagospodarowania popiołu i żużla powstających w procesie termicznej konwersji biomasy muszą również uwzględniać ich wpływ na elementy reaktora mające z tymi produktami bezpośredni kontakt. Ad. (d) bardzo ostre wymagania jakościowe zdefiniowane dla gazu przeznaczonego do silników gazowych oraz ogniw paliwowych wymagają precyzyjnej kontroli jego parametrów jakościowych. Oznaczenie zawartości zanieczyszczeń w gazie na poziomie podanym w kryteriach jakościowych wymaga dysponowania zaawansowanymi technikami analitycznymi (co spełniają realizatorzy obszaru tematycznego), ale również ciągłego ich doskonalenia. Otrzymanie wiarygodnych wyników analiz gazu gwarantuje tylko odpowiednia 19

19 metodyka poboru i przygotowania próbek do analizy. Procedury takie zostaną na bazie dotychczasowych doświadczeń wypracowane przez ośrodki uczestniczące w wykonaniu planowanych prac. Główne efekty prac w ramach niniejszego Bloku Tematycznego to: - budowa i rozruch instalacji pilotowej zgazowania biomasy w złożu stałym (GAZELA), - dokumentacja typoszeregu oraz instalacja pilotażowa układu zgazowania i siłowni kogeneracyjnej zasilanej gazem generatorowym uzyskanym ze zgazowania pirolitycznego odpadów komunalnych i ściekowych, - ulepszenia zintegrowanego układu zagospodarowania energetycznego trudno utylizowalnych odpadów zwierzęcych, - opracowanie wysokosprawnego układu poligeneracyjnego zintegrowanego ze zgazowaniem biomasy i wykorzystaniem ciepła odpadowego z pieca obrotowego w cementowni. Ważnym aspektem, który jak do tej pory jest rzadko podnoszony, jest możliwość pozyskiwania energii z biodegradowalnych odpadów komunalnych i osadów ściekowych. Już obecnie ogranicza się ilość biomasy biodegradowalnej z odpadów komunalnych dopuszczonej do deponowania na składowiskach a w przyszłości planowany jest całkowity zakaz jej deponowania. Wymusza to diametralnie inne warunki postępowania z odpadami komunalnymi. Najkorzystniej jest, aby frakcja biodegradowalna była utylizowana energetycznie w tej części, która z przyczyn ekonomicznych nie może być skierowana do odzysku bądź recyklingu surowcowego. Kolejny problem dotyczy osadów ściekowych. Osady ściekowe, o różnej strukturze, w zależności od stosowanych technologii, rodzaju produkcji czy charakteru geograficznego miejscowości, traktowane są obecnie jako odpad. Od 2016 r. w Polsce obowiązywać będzie zakaz deponowania na składowisku odpadów organicznych o wartości opałowej powyżej 6 MJ/kg co spowoduje, że pozbycie się osadu ściekowego stanie się dla oczyszczalni ścieków niebywale trudnym zadaniem. Jedynym akceptowalnym rozwiązaniem problemu będzie wprowadzenie dodatkowych procesów technologicznych mających na celu odwodnienie osadu do poziomu 20 25% wilgotności, a następnie poddanie go zgazowaniu lub zwęgleniu do postaci biokarbonu, bądź współspalaniu z węglem lub biomasą. Ekonomika instalacji utylizujących odpady biomasowe trudno utylizowalne poprzez ich zgazowanie, jak dotąd, opiera się przede wszystkim na korzyści z utylizacji odpadów i bardzo zależy od zminimalizowania kosztów oczyszczania gazów wylotowych, których skład bardzo zależy od parametrów gazu i szczegółów procesu spalania. Proponowane przedsięwzięcia mają na celu zaproponowanie rozwiązań umożliwiających połączenie instalacji zgazowującej z siłownią kogeneracyjną, co zasadniczo podniosłoby ekonomiczną 20

20 opłacalność tej przyjaznej środowisku metody utylizacji odpadów zapewniając jednocześnie pożyteczne źródło energii. Blok Tematyczny 4. Układy produkcji paliw gazowych i płynnych metodami konwersji biologicznej biomasy (Biogazownia rolnicza, Biorafineria) (etapy 28 33) Blok Tematyczny służy opracowaniu nowatorskich technologii dedykowanej produkcji biomasy zielonej i lignocelulozowej, wykorzystaniu potencjału energetycznego frakcji organicznej odpadów przemysłu rolno-spożywczego oraz opracowaniu innowacyjnych technologii wytwarzania biopaliw. Celem 4 Bloku tematycznego Biogazownie rolnicze. Biorafineria. koordynowanego przez UWM jest: - opracowanie nowatorskiej technologii produkcji ślazowca pensylwańskiego z nasion pod kątem przydatności jako substratu w procesie fermentacyjnym produkcji biogazu; - wykorzystanie potencjału energetycznego frakcji organicznej odpadów przemysłu rolno-spożywczego, w tym: wywaru gorzelnianego, odpadowej frakcji glicerynowej, koncentratu serwatkowego, gnojowicy, obornika oraz biomasy pozyskanej z upraw dedykowanych ślazowca pensylwańskiego, lucerny, kukurydzy i prosa oraz buraka pastewnego; - optymalizacja parametrów konstrukcyjnych typoszeregu biogazowni z punktu widzenia bezpieczeństwa procesowego, wpływu na środowisko naturalne oraz różnej możliwości wykorzystania produktu gazowego w układach kogeneracyjnych (silnik spalinowy, ogniwo paliwowe); - opracowanie technologii produkcji biomasy lignocelulozowej na użytkach rolnych o niskiej bonitacji gleb oraz uwarunkowania środowiskowe i ekonomiczne; - opracowanie metody otrzymywania bioetanolu z surowca lignocelulozowego oraz energetyczne wykorzystanie biopaliwa i pozostałości poprodukcyjnych; - opracowanie założeń systemowych funkcjonowania biorafinerii lignocelulozowej i biorafinerii oleju z alg; opracowanie ogniw technologicznych dla procesów konwersji biomasy do biopaliw II generacji w kontekście funkcjonalności agrokompleksu ekoenergetycznego z uwzględnieniem logistyki zaopatrzenia w biomasę, logistyki produkcji biopaliw oraz logistyki odzysku i wykorzystania pozostałości po procesach konwersji, - opracowanie innowacyjnej technologii wytwarzania biopaliwa z biomasy glonów, w tym dostosowanie technologii produkcji biopaliwa do wolumenu produkowanych 21

21 odpadów i potrzeb energetycznych przedsiębiorstwa rolno-spożywczego (głównie mleczarnie); Pierwszoplanowym efektem realizacji prac będzie powstanie dokumentacji technicznej i instalacji demonstracyjnej do produkcji bioetanolu z masy lignocelulozowej. Proces pozyskiwania etanolu na drodze fermentacji zhydrolizowanego materiału lignocelulozowego jest skomplikowany, jednak stanowi niezwykle cenną alternatywę dla otrzymywania etanolu ze źródeł roślinnych, bogatych w cukry proste. Należy pokreślić, że najistotniejszym, gdyż najsłabiej poznanym etapem tego procesu jest obróbka wstępna masy lignocelulozowej oraz procesy biokonwersji tego materiału do cukrów prostych. Ważna jest także ocena potencjału energetycznego biomasy rolniczej dla potrzeb biorafinerii i ocena uwarunkowań środowiskowych (LCA), socjoekonomicznych i prawnych funkcjonowania biorafinerii lignocelulozowej, Proponuje się opracowanie procesu technologicznego, sporządzenie dokumentacji technicznej dla biorafinerii - układu produkcji bioetanolu z masy lignocelulozowej. Założenia technologiczne: - wydajność biorafinerii 25 l zacieru etanolowego dziennie, - dzienna podaż surowca 200 kg suchej masy surowca lignocelulozowego - zabezpieczenie areału (grunty marginalne) produkcji biomasy 15 ha, - potencjalna lokalizacja gospodarstwo Kocibórz (należące do ZBD Łężany) instalacja byłaby komplementarna względem budowanych tam instalacji biopaliwowych i ekoenergetycznych biorafinerii estrów (Kocibórz) oraz termozgazowarki (Łężany), - pozostałości po produkcji etanolu (głównie lignina) zostaną wykorzystane jako paliwo w jednostce CHP. Energia cieplna i elektryczna będą wykorzystane w procesie technologicznym, a nadwyżka energii elektrycznej zostanie włączona do sieci energetycznej. Zakładamy, że docelowo biorafineria produkowałaby ok. 500 litrów etanolu dziennie, na co potrzeba ok. 2.5 ton suchej masy biomasy lignocelulozowej co oznacza, że należałoby zabezpieczyć dostawy dzienne z ok ha na glebach marginalnych lub ok ha dobrych gruntów. Zatem w skali roku należałoby zabezpieczyć dostawy z ok ha. Zakładamy, że o potencjalnych kosztach w warunkach Polski będziemy mogli mówić po pierwszych udanych próbach pozyskania etanolu. Taka biorafineria byłaby pierwszą tego typu w Polsce. 22

22 Blok Tematyczny 5. Oczyszczanie i uszlachetnianie (w tym reforming do wodoru) produktów gazowych zgazowania fermentacyjnego i termicznego (biogazu) (etapy 34 40) Celem niejszego bloku tematycznego jest: A. opracowanie skutecznego sposobu oczyszczania gazu ze zgazowania fermentacyjnego biomasy (biogazu), który w efekcie powinien umożliwić osiągnięcie poziomów zawartości zanieczyszczeń wyspecyfikowanych w Tablicy A1 (dla zastosowania gazu w silniku gazowym), oraz poziomu zanieczyszczeń przedstawionych w Tablicy A2 (dla zastosowania gazu do zasilania ogniw paliwowych typu SOFC), B. oczyszczenie syngazu z substancji smolistych i pyłów do poziomu akceptowanego przez producentów silników w technologii mycia olejem, sprawne oczyszczanie oleju i jego filtracja. C. opracowanie wydajnej i ekonomicznie uzasadnionej technologii rozproszoną produkcją wodoru z biogazu z wykorzystaniem plazmy mikrofalowej. Tablica A1. Wymagania jakościowe dla gazu zasilającego silnik gazowy. Parametr Wartość Zawartość pyłów [mg/nm 3 ] <50 Rozmiar cząstek stałych [μm] <10 Zawartość smoły [mg/nm 3 ] <100 Zawartość związków siarki (w przeliczeniu na H 2S) [mg/nm 3 ] <2000 Zawartość amoniaku [mg/nm 3 ] <50 Zawartość halogenków [mg/nm 3 ] < Zawartość związków krzemu[mg/n <10 50 Metale alkaliczne [mg/nm 3 ] brak danych Tablica A2. Wymagania jakościowe dla gazu zasilającego ogniwa paliwowe typu SOFC. Parametr Wartość Zawartość siarki (w przeliczeniu na H 2S) <1ppm Zawartość halogenków (w przeliczeniu na HCl) <1ppm Zawartość metali alkalicznych <1ppm Zawartość węglowodorów <10% Zawartość smoły <10ppm 23

23 Adn. (5A.) Obecność w surowym gazie z procesu zgazowania biomasy całego spektrum zanieczyszczeń (pyłów, ciekłych zanieczyszczeń o charakterze związków smolistych, związków siarki, amoniaku, halogenków, etc.) stanowi poważny mankament dyskwalifikujący otrzymany gaz do bezpośrednich zaawansowanych zastosowań. Biogaz zawiera zwykle 50-70% metanu, 30-40% dwutlenku węgla oraz niewielkie ilości wodoru (5-10%), azotu (1-2%) i pary wodnej (do 0,3%); w śladowych ilościach występuje też siarkowodór (do 3000 ppm) i amoniak (do 30 ppm). Aby z surowego biogazu otrzymać gaz o właściwościach oraz składzie odpowiadających tzw. gazowi standardowemu, należy wyeliminować z niego przede wszystkim dwutlenek węgla, który istotnie zmniejsza kaloryczność. Z gazów towarzyszących szczególnie niepożądany jest siarkowodór, który w połączeniu z wilgocią zwiększa korozję urządzeń. Wszystkie zanieczyszczenia gazu uniemożliwiające jego konkretne wykorzystanie muszą być usunięte do minimalnych, wymaganych przez specyficzne technologie utylizacji gazu poziomów zawartości. Istnieje wiele metod eliminacji poszczególnych zanieczyszczeń z surowego gazu, zarówno o charakterze fizycznym, jak i chemicznym. Najkorzystniejszy wariant oczyszczania gazu powinien być dobrany indywidualnie dla gazu z konkretnego procesu konwersji termicznej. Celem zadania jest opracowanie technologii usuwania siarkowodoru i dwutlenku węgla z wykorzystania reaktora z wirującą warstwą cieczy (SFR) ze strumieni biogazu uzyskiwanego w procesie fermentacji biomasy. Efektem prac będzie dokumentacja techniczna i instalacja pilotażowa oczyszczania biogazu i odzysku ciepła na bazie metody SFR. Adn. (5B.) Najbardziej obiecującą technologią jest mycie syngazów olejem i następnie sprawne oczyszczanie oleju i jego filtracja. Obecnie w trakcie testów jest kilka systemów tego typu między innymi stosowany w instalacji zgazowania w Gussing i system firmy Dahlman. Opracowanie własnego efektywnego systemu może otworzyć możliwości rozwoju technologii wysoko efektywnej produkcji prądu. Efektem prac będzie dokumentacja techniczna i instalacja pilotażowa oczyszczania syngazu. Adn (5C.) Wynikiem prac będzie pilotażowa instalacja produkcji wodoru o parametrach: - szybkość produkcji wodoru z metanu: 10 kg H 2 / h, - wydajność energetyczna: 1 kg H 2 / kwh, - koszt jednostkowy produkcji wodoru: 2 USD / kg H 2. Instalacja bazuje na własnym generatorze plazmy mikrofalowej Rys. A6, w którym wytwarzana plazma używana jest do reformingu (konwersji) węglowodorów, co pozwala na uzyskanie efektu redukcji zawartości smół w gazie ze zgazowania biomasy, a także zwiększenie zawartości wodoru. Dla wykonania planowanych badań generator plazmy musi zostać wyposażony w urządzenia do odfiltrowania sadzy (tworzącej się zazwyczaj podczas 24

24 termicznej konwersji smół) oraz separacji gazowych produktów (np. adsorber zmiennociśnieniowy PSA lub filtr membranowy). Plazma Rys. A6. Plazma w generatorze mikrofalowym fotografia z badań doświadczalnych. Blok Tematyczny 6. Układ kogeneracji energii elektrycznej i ciepła na bazie ogniwa paliwowego o mocy 2,5 kwe (etapy 41 47). Celem 6 Bloku tematycznego jest: (a) opracowanie technologii skalowalnego modułu stosu ogniw paliwowych SOFC, umożliwiającego wykorzystanie szerokiego zakresu paliw gazowych oraz wzrost sprawności w trakcie łączenia modułów w jednostki o wyższej mocy (IEn); (b) opracowanie technologii (dokumentacji technicznej oraz prototypu) sprzężonej generacji energii elektrycznej i ciepła (mikro-chp) o mocy elektrycznej 2,5 kw, z wykorzystaniem ciepła odpadowego stosu ogniw SOFC. Adn (6a.) W wyniku prac badawczych w zakresie materiałowo-konstrukcyjnym elementów stosu ogniw (przegrody planarnych ogniw paliwowych na podłożu anodowym, uszczelnienia, interkonektory), konfiguracji stosu oraz integracji cieplnej stosu z pomocniczymi jednostkami procesowymi, przewiduje się uzyskanie sprawności elektrycznej w granicach 30-45% w zależności od rodzaju zasilającego paliwa oraz osiągów przegrody ogniwa, przy mocy elektrycznej prototypowego modułu badawczego w zakresie 2,5 kw. Jednocześnie opracowana zostanie metoda skalowania modułu stosów umożliwiająca radykalny wzrost sprawności elektrycznej w miarę zwiększania mocy układu. W ramach zadania spodziewane jest również, w przypadku osiągnięcia postawionych parametrów technologicznych przegrody ogniwa, opracowanie technologii wytwarzania przegród ogniwa paliwowego w skali ćwierć-technicznej (IEn Cerel). Adn. (6b.) Dla zademonstrowanego prototypu badawczego układu mikro-chp spodziewana jest sprawność całkowita w granicach 75-90% przy zasilaniu wyselekcjonowanym biopaliwem. Porównanie sprawności elektrycznych dla różnych metod generacji mocy elektrycznej (punkty demonstracje prototypowe z uwzględnieniem 25

25 technologii ogniw planarnych oraz ogniw tubularnych, działających w wyższym zakresie temperatur) przedstawia rys. A7. Wykres opisuje spodziewany zakres osiągów prototypu badawczego modułu stosów SOFC. Głównym efektem realizacji bloku tematycznego będzie opracowanie projektu wykonawczego, budowa i uruchomienie, instalacji pilotażowej układu sprzężonej generacji energii elektrycznej i ciepła na bazie ogniwa paliwowego. Wdrożenie układu μ-chp/sofc ułatwi modyfikację koncepcji energetyki wielkoprzemysłowej i scentralizowanej w strukturę energetyki rozproszonej w interesującym zakresie rynkowym mocy rzędu pojedynczych kilowatów mocy elektrycznej. Zakres ten obejmuje m.in. układy zasilania domów jednorodzinnych w energię elektryczną i ciepłą wodę (przy wykorzystaniu wysokiej jakości ciepła odpadowego układu). Rys. A7. Porównanie sprawności elektrycznych dla różnych metod generacji mocy elektrycznej. Blok Tematyczny 7. Badania wyprzedzające nowych technologii procesowych i materiałowych dla energetyki rozproszonej (etapy 48 52). Istotą proponowanego Bloku Tematycznego jest spełnienie oczekiwań związanych z ciągłym zapotrzebowaniem na nowoczesne, przyjazne środowisku technologie, jak również rozwiązanie zagrożeń związanych z rosnącą zawartością CO 2 w powietrzu. Celem utylitarnym przedstawionego do finansowania zadania jest określenie możliwości wykorzystania cieczy jonowych (ILs - ang. ionic liquids) do usuwania CO 2 ze strumieni gazowych, na przykładzie biogazu. Podjęcie opisanego problemu jest istotne dla potencjalnego przemysłowego zastosowania cieczy jonowych do separacji gazów. Wnioskodawcy proponują zastosowanie zaawansowanej technologii wykorzystującej właściwości membran polimerowych i ceramicznych będącej połączeniem klasycznej ekstrakcji oraz separacji membranowej. 26

26 Efektem badań będzie innowacyjna technologia efektywnej separacji CO 2 z mieszanin gazowych. Celem innego zadania Bloku Tematycznego jest zastosowanie odnawialnego źródła energii - energii słonecznej - do fotokonwersji CO 2 do lekkich węglowodorów (głównie metanu i etenu) i opracowanie nowych fotokatalizatorów o wysokiej wydajności kwantowej w reakcji fotoredukcji. Proponowane rozwiązanie odnosząc się do problematyki paliw, może stanowić propozycję dla realizacji idei otrzymywania węglowodorów w małej skali z udziałem energii słonecznej i innych źródeł energii odnawialnej. Celem Bloku jest także opracowanie i doskonalenie plazmowych i spektroskopowych metod diagnostycznych umożliwiających kontrolę procesu spalania bogatych i biednych mieszanek węglowodorowych, szczególnie w obszarze warstwy przyściennej. Rozwój w dziedzinie innowacyjnych technik spalania jest niezwykle istotny z punktu widzenia ekonomii oraz ekologii. Spalanie ubogich mieszanek gazowych może być procesem niestabilnym i powolnym, zaś ich zapłon wymaga zastosowania specjalnych technik. Stąd zastosowanie przemysłowe spalania biednych mieszanek wymaga budowy odpowiednich komór zapewniających właściwe mieszanie, zapłon oraz powtarzalność procesu. Dużą rolę w ograniczeniu poziomu zanieczyszczenia powietrza odgrywają metody ograniczające zanik płomienia w warstwie przyściennej oraz metody diagnostyczne w celu kontroli i eliminacji niestabilności spalania. Kolejnym celem bloku jest prześledzenie obecnie istniejących rozwiązań materiałowych oraz przedstawienie nowych propozycji dla wybranych elementów siłowni poligeneracyjnych wykorzystujących energię biomasy tj. elementy turbiny, łopatki, wirnika, łożyska, wymiennika ciepła, układu ORC, kotła, i in. ; - zbadanie nowe technologii materiałów funkcjonalnych dla elementów układów kogeneracyjnych i katalitycznych; - zbadanie innowacyjnych nanotechnologii wytwarzania powłok o ulepszonych parametrach użytkowych dla energetyki odnawialnej; oraz - opracowanie metod oceny i prognozowania procesów zużycia elementów układów CHP w warunkach występowania endogennych losowych czynników degradacyjnych. Celem jest opracowanie podstaw technologii wytwarzania oraz aplikacji nanopowłok materiałów funkcjonalnych oraz kompozytów matrycowych, przeznaczonych do stosowania w elementach małych siłowni nowej generacji, pracujących w warunkach zmiennych, znacznych obciążeń temperaturowych i środowiskach agresywnych chemicznie, rys. A8. Rezultatem zadania będzie zweryfikowana doświadczalnie procedura wytwarzania, oraz zastosowanie w elementach konstrukcji pilotowych układów kogeneracji, cienkowarstwowych materiałów funkcjonalnych oraz kompozytowych powłok ochronnych 27

27 typu MMC. Będą się one odznaczać odpowiednio: znacznym stopniem rozwinięcia powierzchni, oraz wymaganymi parametrami eksploatacyjnymi, takimi jak: wytrzymałość mechaniczna, odporność na korozję i erozję wysokotemperaturową oraz oddziaływanie chemiczne środowiska, wynikające z szerokiego zakresu obciążeń cieplnych oraz spalania biomasy. Rys. A8. Kompozyt matrycowy badany w IMP PAN, mikrostruktura oraz przekroje (SEM) szybkość ścierania (AISI 52100) znacznie spada: od 20 x 10 4 do 3 x 10 4 mm 3 /N m Efektem prac mają być dokumentacje techniczne innowacyjnych technologii procesowych i materiałowych. Blok Tematyczny 8. Integracja energetyki rozproszonej z siecią (etapy 53 58) W ramach tego Bloku Tematycznego zakłada się cztery cele badawcze związane z integracją jednostek energetyki rozproszonej z siecią energetyczną: - Opracowanie procedur techniczno-administracyjnych przyłączania elektroenergetycznych źródeł wytwórczych do sieci 110kV OSD (sieci zarządzanej przez Operatora Systemu Dystrybucyjnego). Opracowanie projektu wytycznych przyłączania elektroenergetycznych źródeł wytwórczych do sieci OSD, przeznaczonych do stosowania przez Operatora Systemu Dystrybucyjnego, Urząd Regulacji Energetyki i Ministerstwo Gospodarki. - Analiza potencjału rynku usług regulacyjnych dla potrzeb OSD, możliwych do wytworzenia przez lokalne źródła energii elektrycznej w sieci SN (w szczególności opracowanie podstaw wprowadzenia do praktyki usługi zastępowalności inwestycji sieciowych przez lokalne źródła energii). Opracowanie projektu katalogu usług regulacyjnych i zasad ich wyceny dla potrzeb taryfowania usług przesyłowych realizowanych za pomocą sieci OSD, przeznaczonych do wykorzystania przez Operatora Systemu Dystrybucyjnego, Urząd Regulacji Energetyki i Ministerstwo Gospodarki. 28

28 - Opracowanie zasad planowania rozwoju sieci dystrybucyjnej 110kV, SN i nn, uwzględniających pracę rozproszonych źródeł wytwórczych - wytyczne planowania rozwoju sieci dystrybucyjnych przeznaczone dla Operatora Systemu Dystrybucyjnego. - Opracowanie koncepcji oraz modelu technicznego i biznesowego sieci inteligentnej (Smart Grid) na poziomie średniego napięcia (SN) w kontekście współpracy lokalnych źródeł energii w sytuacjach normalnej pracy oraz awarii sieci (możliwość pracy wyspowej). 5. Planowane główne instalacje pilotażowe i demonstracyjne. Zestawienie 5.1. Kompleks kogeneracyjny oparty na kotle wielopaliwowym z układem ORC o mocy turbogeneratora ok MWe Instalacja ta obejmuje kocioł biomasowy wielopaliwowy (moc cieplna ok 1.8 MW), układ oleju termalnego jako układ odbierający ciepło spalin, układ siłowni ORC (z turbogeneratorem o mocy ok MWe), węzeł ciepłowniczy o mocy cieplnej ok. 1.2 MWc, system diagnostyki i sterowania kotłem wielopaliwowym, obiegiem oleju termalnego i układem ORC oraz przyłączenie do sieci energetycznej i ciepłowniczej Kompleks kogneracyjny przystosowany dla zakładów przetwórstwa biomasy. W skład kompleksu wchodzi: - zgazowarka biomasy (obecnie istniejąca), - układ oczyszczania i uszlachetniania syngazu w celu przystosowania go do spalania w silniku spalinowym, - silnik spalinowy na syngaz wraz z generatorem o mocy elektrycznej do 0.5MW, - układy odzysku ciepła ze spalin zgazowarki, syngazu oraz spalin z silnika spalinowego na potrzeby suszenia biomasy Układ kogeneracyjny gazowo/parowy z silnikiem /turbiną gazową i układem ORC Układ ten powstanie w IMPPAN. Przewiduje się budowę modułowej kontenerowej instalacji pilotażowej o dużej efektywności produkcji energii elektrycznej (40-50%) obejmującej silnik spalinowy lub turbinę gazową spalającą biogaz (moc elektryczna 0.5 MWe), pośredni obieg oleju termalnego (odbierający ciepło spalin i ciepło chłodzenia silnika/ turbiny gazowej), układ siłowni ORC z turbiną parową na czynnik niskowrzący (o mocy turbogeneratora do 0.2 MWe), węzeł ciepłowniczy, system diagnostyki i sterowania 29

29 podstawowym agregatem prądotwórczym, obiegiem oleju termalnego i układem ORC oraz przyłączenie do sieci Mikrobiogazownie pilotażowe fermentacyjne o mocy kwe Przewiduje się opracowanie dokumentacji technicznej i budowę instalacji pilotażowych mikrobiogazowni fermentacyjnej o mocy kwe z silnikiem spalinowym z kogeneracją (nadbudowany węzłem ciepłowniczym) na biogaz; mikrobiogazownia zostanie opracowana przez zespół z UMW, PG oraz PŚl Mikrobiogazownia pilotażowa pirolityczna o mocy kwe Przewiduje się opracowanie dokumentacji technicznej i budowę instalacji pilotażowej o mocy kwe ze zgazowaniem pirolitycznym i z silnikiem kogeneracyjnym (z węzłem ciepłowniczym) spalającym gaz syntezowy; układ zgazowania powstanie w IMP PAN Instalacja powietrznego zgazowania biomasy w złożu stałym o mocy ~500kW W oparciu o wyniki badań własnych prowadzonych z wykorzystaniem instalacji badawczej powietrznego zgazowania biomasy w złożu stałym o mocy ~80kW, firma SYNGAZ Sp. z o.o. we współpracy z IChPW wybuduje i uruchomi pilotową (demonstracyjną) instalację zgazowania biomasy o mocy ~ 500kWe. W instalacji tej biomasa poddawana konwersji - poprzez zintegrowany system magazynowania i załadunku wprowadzana jest do reaktora zgazowania. Zastosowany prototypowy reaktor zgazowania w złożu stałym jest pionowym cylindrycznym reaktorem, w którym paliwo podlega sekwencyjnym procesom suszenia, pirolizy, spalania i zgazowania. Podstawowe parametry operacyjne instalacji będą następujące: wydajność - ~ kg biomasy/h, moc cieplna - ~500kW, temperatura złoża - <1300 o C, temperatura gazu - ~ o C, ciśnienie atmosferyczne, wartość opałowa gazu - ~8 10MJ/m 3. Instalacja będzie w pełni zautomatyzowana. 30

30 5.7. Instalacja pilotażowa układu zgazowania pirolitycznego odpadów komunalnych i ściekowych z siłownią kogeneracyjną W skład instalacji wchodzi: - zgazowarka biomasy (odpadów ściekowych i komunalnych), - silnik spalinowy na syngaz wraz z generatorem o mocy elektrycznej do 20 kw, - układy odzysku ciepła dla podgrzewu wody użytkowej Biorafineria lignocelulozowa produkcja bioetanolu Zadanie służy opracowaniu nowatorskich technologii dedykowanej produkcji biomasy zielonej i lignocelulozowej, wykorzystaniu potencjału energetycznego frakcji organicznej odpadów przemysłu rolno-spożywczego oraz opracowaniu innowacyjnych technologii wytwarzania biopaliw. Założenia technologiczne: - wydajność biorafinerii 25 l zacieru etanolowego dziennie, - dzienna podaż surowca 200 kg suchej masy surowca lignocelulozowego - zabezpieczenie areału (grunty marginalne) produkcji biomasy 15 ha, - potencjalna lokalizacja gospodarstwo Kocibórz (należące do ZBD Łężany) instalacja byłaby komplementarna względem budowanych tam instalacji biopaliwowych i ekoenergetycznych biorafinerii estrów (Kocibórz) oraz termozgazowarki (Łężany), - pozostałości po produkcji etanolu (głównie lignina) zostaną wykorzystane jako paliwo w jednostce CHP. Energia cieplna i elektryczna będą wykorzystane w procesie technologicznym, a nadwyżka energii elektrycznej zostanie włączona do sieci energetycznej Instalacja oczyszczania biogazu i odzysku ciepła na bazie metody SFR Opracowany zostanie model funkcjonalny reaktora cyklonowego zapewniającego dużą efektywność absorpcji CO 2 dla oczyszczania biogazu. Planowana moc instalacji w zakresie 0,5-1 MW Instalacja oczyszczania syngazu. Przewiduje się opracowanie dokumentacji technicznej oraz budowę i testowanie instalacji oczyszczania syngazu z substancji smolistych i pyłów o mocy 1,5 MW. Zastosowana zostanie technologia mycia gazów olejem i następnie oczyszczanie tego oleju i jego filtracja. 31

31 5.11. Instalacja prototypowa do rozproszonej produkcji wodoru z biogazu w plazmie wyładowania mikrofalowego Instalacja bazuje na własnym generatorze plazmy mikrofalowej, w którym wytwarzana plazma używana jest do reformingu (konwersji) węglowodorów, co pozwala na uzyskanie efektu redukcji zawartości smół w gazie ze zgazowania biomasy, a także zwiększenie zawartości wodoru. Dla wykonania planowanych badań generator plazmy musi zostać wyposażony w urządzenia do odfiltrowania sadzy (tworzącej się zazwyczaj podczas termicznej konwersji smół) oraz separacji gazowych produktów (np. adsorber zmiennociśnieniowy PSA lub filtr membranowy). Parametry techniczne: Szybkość produkcji wodoru z metanu: 10 kg H 2 / h Wydajność energetyczna: 1 kg H 2 / kwh Koszt produkcji: 2 USD / kg H Układ mikro-chp ze stosem SOFC o mocy 2.5 kw Na bazie modułu stosu ogniw SOFC opracowana zostanie technologia układu sprzężonej generacji energii elektrycznej i ciepła (mikro-chp) o mocy elektrycznej do 2,5 kw z wykorzystaniem ciepła odpadowego stosu ogniw SOFC do ogrzewania strumienia wody. Planowane są również badania nad konstrukcją palnika bezpłomieniowego umożliwiającego dopalenie gazu resztkowego ze stosu ogniw paliwowych o niskiej zawartości paliwa (20%), z wykorzystaniem gazu katodowego o niskiej zawartości tlenu (11-15%). Projekt wykonawczy obejmował będzie również układ naboru danych i sterowania, umożliwiający pełną identyfikację układu energetycznego. Kolejnymi działaniami będzie konstrukcja, testy rozruchowe, oraz badania układu sprzężonej generacji mocy i ciepła (mikro-chp). Określone zostaną charakterystyki osiągów pracy w tym sprawność elektryczna i sprawność całkowita układu zasilanego rzeczywistym lub symulowanym oczyszczonym biopaliwem. Przewidywana jest sprawność elektryczna w zakresie min %. Sprawność elektryczna uzależniona jest m.in. od rodzaju paliwa zasilającego oraz od stopnia integracji cieplnej układu Uwarunkowania administracyjno-prawne budowy instalacji pilotażowych. Budowa wymienionych powyżej instalacji pilotażowych wymaga analizy uwarunkowań o charakterze administracyjno-prawnym, które powinny zostać spełnione w trakcie budowy instalacji. Podstawowym uwarunkowaniem, jakie kojarzy się z realizacją 32

32 instalacji pilotażowych, jest wymóg uzyskania pozwolenia na budowę związanych z instalacjami obiektów budowlanych oraz fundamentów pod maszyny i urządzenia, wynikający z przepisów Prawa Budowlanego, w szczególności art.3 pkt.3 Prawa Budowlanego. We wszystkich przypadkach, w których okaże się to konieczne jednostka realizująca instalację wystąpi o uzyskanie pozwolenia na budowę. Innego rodzaju uwarunkowania o charakterze administracyjno-prawnym wiążą się z przepisami o ochronie środowiska, w szczególności z ustawą z dnia 3 października 2008 roku o udostępnianiu informacji o środowisku i jego ochronie, udziale społeczeństwa w ochronie środowiska oraz o ocenach oddziaływania na środowisko (Dz.U. 2013, poz.1235) [Ustawa o Udostępnianiu Informacji o Środowisku]. Z przepisów art. 59 ust.1 i 2 tej Ustawy wynika, że przeprowadzenia oceny oddziaływania na środowisko wymaga realizacja następujących, planowanych przedsięwzięć: (1) przedsięwzięć mogących zawsze znacząco oddziaływać na środowisko; (2) przedsięwzięć mogących potencjalnie znacząco oddziaływać na środowisko, jeżeli obowiązek przeprowadzenia oceny oddziaływania przedsięwzięcia na środowisko został stwierdzony na podstawie art. 63 ust. 1 tej Ustawy. Przepisy te mają istotne znaczenie, gdyż w razie zakwalifikowania instalacji pilotażowych do takich przedsięwzięć, ich budowa musiałaby zostać poprzedzona przeprowadzeniem formalnego postępowania administracyjnego w sprawie oceny oddziaływania przedsięwzięcia na środowisko, które ostatecznie - może się zakończyć wydaniem decyzji środowiskowej, określającej rygory i warunki realizacji takiego przedsięwzięcia. W ramach prac nad przygotowaniem głównych instalacji kogeneracyjnych prowadzone będą analizy możliwych zagrożeń dla środowiska, jakie niesie funkcjonowanie zarówno instalacji pilotażowych, jak i instalacji komercyjnych zbudowanych na bazie instalacji pilotażowych. W tych przypadkach zostanie opracowana i przedłożona karta informacyjna przedsięwzięcia w zgodzie z Art. 3 ust. 1 pkt. 5 ustawy o udostępnianiu informacji o środowisku. Powyższa karta zawiera m.in. następujące informacje: rodzaj, skala i usytuowanie przedsięwzięcia i rodzaj technologii, przewidywana ilość wykorzystywanej wody, surowców, materiałów, paliw oraz energii, rozwiązania chroniące środowisko, rodzaje i przewidywane ilości wprowadzanych do środowiska substancji lub energii przy zastosowaniu rozwiązań chroniących środowisko, w tym: ilość i sposób odprowadzania ścieków technologicznych, ilość i sposób odprowadzania ścieków bytowych, 33

33 ilość i sposób odprowadzania wód opadowych z zanieczyszczonych powierzchni utwardzonych (parkingi, drogi, itp.), rodzaj, przewidywane ilości i sposób postępowania z odpadami (segregacja, gromadzenie w szczelnych pojemnikach), ilość, rodzaje zainstalowanych i planowanych urządzeń emitujących hałas, zanieczyszczenia powietrza, odpady, ścieki, pola elektromagnetyczne lub inne uciążliwości (np. odory). W czasie trwania projektu tworzone instalacje pilotażowe służą realizacji prac doświadczalno-badawczych. Przyjmuje się, że instalacje demonstracyjne budowane w ramach projektu nie będą nastręczać trudności potencjalnym użytkownikom w przypadku ich wdrożenia i już na etapie ich projektowania uwzględniają ścieżkę dojścia do odpowiedniej koncesji. Szczegółowa analiza uwarunkowań administracyjno-prawnych funkcjonowania instalacji pilotażowych i komercyjnych zostanie przeprowadzona w ramach zadań bloku tematycznego 1 i 8. 34

34 B. Opis i uzasadnienie działań planowanych w celu realizacji zadania badawczego - zgodnie z harmonogramem (z podziałem na etapy oraz części realizowane przez poszczególnych członków konsorcjum/sieci) (H50) W niniejszym rozdziale przedstawiono harmonogram realizacji poszczególnych etapów tworzących bloki tematyczne oraz szczegółowy opis merytoryczny etapów. 6. Podział Zadania Badawczego na bloki tematyczne i etapy wraz z harmonogramem realizacji Blok Tematyczny Nr etapu Nr zadania z oferty Zadania/etapy Prowadzący zadanie/etap Planowana data Teoretyczne, numeryczne i eksperymentalne badania spalania gazów niskokalorycznych w silnikach spalinowych, turbinach i mikroturbinach IMP / PŚl / gazowych agregatów kogeneracyjnych UWM / ZUT BLOK TEMATYCZNY 1: Siłownie poligeneracyjne (systemy produkcji energii elektrycznej, ciepła i chłodu) zintegrowane z układami produkcji paliw z biomasy Układy zasilania i sterowania układów kogeneracyjnych przystosowanych do spalania gazów niskokalorycznych Badania eksperymentalne poligeneracyjnego układu ORC o mocy kwe zasilanego z obiegu oleju termalnego Opracowanie kompleksowego projektu wielopaliwowego kotła do współpracy z układem oleju termalnego Opracowanie projektu strumienicowego układu chłodniczego do współpracy z poligeneracyjnym układem ORC; budowa instalacji demonstracyjnej oraz badania charakterystyk cieplnych i przepływowych układu strumienicowego Opracowanie wymienników ciepła dla układu ORC Opracowanie i badania własności przepływowych, mechanicznych i dynamicznych turbogeneratora dla siłowni parowej ORC Zagospodarowanie energetyczne ciepła odpadowego z agregatów prądotwórczych Opracowanie systemu sterowania oraz diagnostyki wielowariantowego kompleksowego systemu poligeneracyjnego opartego na silniku spalinowym oraz kotle wielopaliwowym z układem ORC ( w tym zakup 2 stacji roboczych do akwizycji i obróbki danych pomiarowych oraz analizy modeli diagnostycznych i prognostycznych) IMP / UWM / PŚl IMP / ZUT / PKosz PKr / IMP IMP / PWr IMP / PG IMP IMP / PKr / ZUT IMP / PŚl / PBi 35

35 Dokumentacja typoszeregu układów kogeneracyjnych na bazie silnika spalinowego, z turbiną lub mikroturbiną gazową, ORC oraz układów gazowoparowych. IMP / PŚl / UWM 11 Nowy etap Budowa pilotażowego układu kogeneracyjnego z silnikiem spalinowym na syngaz dla zakładów przetwórstwa biomasy Budowa pilotażowego układu kogeneracyjnego w Żychlinie (kocioł wielopaliwowy, układ ORC) powiązanego funkcjonalnie z koncepcją modernizacji lokalnych ciepłowni do układów skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej. Budowa badawczego układu kogeneracyjnego gazowo/parowego w IMPPAN (silnik spalinowy/turbina gazowa + układ ORC) ENERGA / IMP ENERGA / IMP IMP BLOK TEMATYCZNY 2: Mikrobiogazownie domowe BLOK TEMATYCZNY 3 Układy zgazowania termicznego biomasy oraz odpadów rolnych, komunalnych, ściekowych i in. 14 Nowy etap ,7 Opracowanie koncepcji modernizacji lokalnych ciepłowni małej mocy (do 50 MWt mocy zainstalowanej) do układów skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej CHP na przykładzie ciepłowni w Żychlinie. Studium wykonalności. Założenia systemowe biogazowni i mikrobiogazowni rolniczej. Optymalizacja parametrów konstrukcyjnych biogazowni i mikrobiogazowni Pilotażowa mikrobiogazownia fermentacyjna Pilotażowa mikrobiogazownia pirolityczna Badania zgazowania wybranych gatunków biomasy w reaktorze ze złożem stałym (GAZELA) w skali 20kg/h Budowa i rozruch instalacji pilotowej zgazowania biomasy w złożu stałym (GAZELA). Optymalizacja produkcji energii elektrycznej i ciepła ze zgazowania biomasy w skali pilotowej oraz ocena opłacalności wdrożenia technologii i jej wpływu na środowisko. Modyfikacja i optymalizacja małoskalowego procesu zgazowania IEn (KAJOT) do zasilania stosu ogniw paliwowych 2.5kWe. Aplikacja procesu zgazowania (KAJOT) w skali ok. 800kW Analiza i charakterystyka energetyczna wywaru gorzelnianego jako paliwa oraz dobór sposobu obniżenia jego wilgotności - przegląd rozwiązań technicznych i technologicznych. Analiza i charakterystyka popiołu powstającego w wyniku spalania wywaru gorzelnianego. pod kątem jego wpływu na proces i urządzenia technologiczne np. szlakowanie, korozja i inne, oraz pod kątem sposobu jego zagospodarowania. Badania procesu oraz optymalizacja zgazowania wywaru gorzelnianego w instalacji pilotowej. Opracowanie projektu technologicznego oraz analizy ENERGA / IMP UWM / IChTJ / IMP PG / UWM / PŚl IMP IChPW IChPW IChPW IEn IEn PWr PWr 36

36 techniczno-ekonomicznej procesu wykorzystania energetycznego wywaru gorzelnianego. 25 3,8 26 3,9 Dokumentacja typoszeregu + instalacja pilotazowa układu zgazowania i siłowni kogeneracyjnej zasilanej gazem generatorowym uzyskanym ze zgazowania pirolitycznego odpadów komunalnych i ściekowych. Badania i rozbudowa zintegrowanego układu zagospodarowania energetycznego trudno utylizowalnych odpadów zwierzęcych. IMP / PCz UWM / IMP / UWa BLOK TEMATYCZNY 4 Układy produkcji paliw gazowych i płynnych metodami konwersji bilogicznej biomasy (Biogazownia rolnicza, Biorafineria) BLOK TEMATYCZNY 5 Oczyszczanie i uszlachetnianie (w tym reforming do wodoru) produktów gazowych zgazowania fermentacyjnego i termicznego (biogazu) Opracowanie wysokosprawnego układu poligeneracyjnego zintegrowanego ze zgazowaniem biomasy i wykorzystaniem ciepła odpadowego wraz z analizą efektywności energetycznej i ekonomicznej dla różnych układów technologicznych m.in. Elektrociepłowni, pieca obrotowego w cementowni i in. Ślazowiec Sida hermaphrodita (L.) Rusby jako substrat biogazowni rolniczej oraz ocena uwarunkowań środowiskowych Procesy konwersji odpadów przemysłu rolno-spożywczego (wywar gorzelniany, serwatka) i biopaliwowego (faza glicerynowa) do biogazu Dedykowana produkcja biomasy lignocelulozowej na użytkach rolnych o niskiej bonitacji gleb oraz uwarunkowania środowiskowe i ekonomiczne Konwersja lignocelulozy do bioetanolu , ,4 38 5,5 39 5,6 IMP / ISCMOiB / PP UWM UWM / UP / UW / IChTJ / IMP UWM / IUNG / PIMOT UWM / UJ / PW / IChTJ / PIMOT / IKiFP / PAN Założenia systemowe funkcjonowania biorafinerii lignocelulozowej UWM Dokumentacja i instalacja demonstracyjna do produkcji bioetanolu z masy lignocelulozowej UWM Wykonanie modelu funkcjonalnego instalacji stacjonarnej oczyszczania biogazu i odzysku/wymiany ciepła na ENERGA / bazie SFR PG Wykonanie pierwszej wersji instalacji pilotażowej oczyszczania biogazu i odzysku/wymiany ciepła na bazie SFR ENERGA / oraz wstepna analiza ekonomiczna PG Wykonanie ostatecznej wersji instalacji pilotażowej oczyszczania biogazu i odzysku/wymiany ciepła na bazie SFR ENERGA / oraz analiza ekonomiczna PG Wykonanie instalacji oczyszczania syngazu UWa Badania i optymalizacja układu oraz opracowanie wytycznych dla instalacji pilotażowej UWa / UWM Wykonanie stanowiska do produkcji wodoru z biogazu, badania i optymalizacja układu oraz opracowanie wytycznych dla instalacji pilotażowej IMP 37

37 BLOK TEMATYCZNY 6 Układ kogeneracji energii elektrycznej i ciepła na bazie ogniwa paliwowego o mocy 2,5 kwe 40 5, Wykonanie i badania rozwojowe instalacji pilotażowej do produkcji wodoru z biogazu Badania, wytwarzanie, charakteryzacja i testowanie nowych materiałów do produkcji stosu ogniw paliwowych SOFC Rozwój technologii wytwarzania pełnowymiarowych ogniw SOFC na podłożu anodowym do zastosowań w module stosów SOFC Badania modelowe, określenie konfiguracji i opracowanie założeń konstrukcyjnych modułowego stosu ogniw paliwowych SOFC Badania krótkich stosów ogniw SOFC skonstruowanych z zastosowaniem nowych materiałów i technologii Projekt wykonawczy, konstrukcja i badania modułowego stosu ogniw paliwowych o mocy elektrycznej 2.5 kw Opracowanie założeń konstrukcyjnych układu sprzężonej generacji energii elektrycznej i ciepła w oparciu o skalowalny moduł stosu ogniw SOFC Projekt wykonawczy, konstrukcja i badania układu sprzężonej generacji energii elektrycznej i ciepła na bazie ogniwa paliwowego IMP IEn IEn IEn IEn IEn IEn IEn BLOK TEMATYCZNY 7 Badania wyprzedzające nowych technologii procesowych i materiałowych dla energetyki rozproszonej ,5 Separacja dwutlenku węgla z biogazu z wykorzystaniem cieczy jonowych Fotokonwersja dwutlenku węgla do lekkich węglowodorów Diagnostyka spalania biednych mieszanek biogazowych w silnikach i turbinach spalinowych Materiały oraz technologie wytwarzania kluczowych elementów układów ORC Nowe materiały funkcjonalne dla elementów układów energetyki rozproszonej PG PG IMP PWa IMP BLOK TEMATYCZNY 8 Integracja energetyki rozproszonej z siecią 53 8,1 Zasady przyłączania elektroenergetycznych źródeł wytwórczych do sieci 110 kv OSD (sieci zarządzanej przez Operatora Systemu Dystrybucyjnego). Opracowanie projektu wytycznych przyłączania elektroenergetycznych źródeł wytwórczych do sieci OSD, przeznaczonych do stosowania przez Operatora Sysytemu Dystrybucyjnego, Urząd Regulacji Energetyki i Ministerstwo Gospodarki. ENERGA 38

38 54 8,2 55 8,3 Analiza potencjału rynku usług regulacyjnych dla potrzeb OSD, możliwych do wytworzenia przez lokalne źródła energii elektrycznej w sieci SN (w szczególności opracowanie podstaw wprowadzenia do praktyki usługi zastępowalności inwestycji sieciowych przez lokalne źródła energii). Opracowanie projektu katalogu usług regulacyjnych i zasad ich wyceny dla potrzeb taryfowania usług przesyłowych realizowanych za pomocą sieci OSD, przeznaczonych do wykorzystania przez Operatora Sysytemu Dystrybucyjnego, Urząd Regulacji Energetyki i Ministerstwo Gospodarki. Opracowanie metod planowania rozwoju sieci dystrybucyjnej 110kV, SN i nn, uwzględniających pracę rozproszonych źródeł wytwórczych - wytyczne planowania rozwoju sieci dystrybucyjnych przeznaczone dla Operatora Systemu Dystrybucyjnego. ENERGA ENERGA Nowy etap ,6 Opracowanie koncepcji oraz modelu technicznego i biznesowego sieci inteligentnej (Smart Grid) na poziomie średniego napięcia (SN) w kontekście współpracy lokalnych źródeł energii w sytuacjach normalnej pracy oraz awarii sieci (możliwość pracy wyspowej). Ocena wpływu rozwoju segmentu biomasowych technologii energetycznych (w tym sieci franczyzowej mikrobiogazowni rolniczych) na kształtowanie oddolnego filaru bezpieczeństwa energetycznego i realizację celów Pakietu 3x20. Badania w tym homologacja/certyfikacja na zgodność z polskimi normami i unijnymi wymaganiami urządzeń/instalacji (mikrobiogazowni/mikroelektrowni) ENERGA IMP PAN IMP PAN badnia podstawowe prace przemysłowe budowa instalacji Tab. B1. Podział Zadania Badawczego na bloki tematyczne i poszczególne etapy realizacji zadania wraz ze skróconym harmonogramem realizacji - Zestawienie 39

39 7. Szczegółowy opis merytoryczny etapów realizacji zadania badawczego. Etap 1. Teoretyczne, numeryczne i eksperymentalne badania spalania gazów niskokalorycznych w silnikach spalinowych, turbinach i mikroturbinach gazowych agregatów kogeneracyjnych W niniejszym etapie przewiduje się wykonanie następujących podetapów: A: Spalanie biogazu z biogazowni fermentacyjnej oraz gazowych produktów palnych z procesu pirolizy - opracowanie modelu matematycznego spalania biogazu i gazu syntezowego w silniku o zapłonie samoczynnym (ZS) i jego weryfikacja eksperymentalna. B: Spalanie produktów palnych z procesu estryfikacji tłuszczów zwierzęcych oraz produktów fermentacji alkoholowej i produktów ciekłych procesu pirolizy (syndiesla) - opracowanie modelu matematycznego spalania estrów kwasów tłuszczowych i alkoholu w silniku tłokowym o ZS i jego weryfikacja eksperymentalna. C: Badania wstępne na stanowisku pomiarowym, modelowanie i optymalizacja wybranych parametrów pracy silnika spalinowego o zapłonie iskrowym (ZI) zasilanego syngazem (względnie jego mieszaniny z biogazem). D: Opracowanie modeli matematycznych głównych modułów zespołu turbin gazowych i programów obliczeniowych umożliwiających: analizę procesu spalania dla paliw o różnej wartości liczb Wobbego, określenie charakterystyk i zakresu bezpiecznej pracy turbin zasilanych paliwem niskokalorycznym, znalezienie charakterystyk statycznych i quasistatycznych oraz dynamicznych zespołów turbin gazowych o różnej strukturze technologicznej. E: Opracowanie niezbędnych modyfikacji komór spalania i innych modułów zespołu turbin gazowych oraz układów gazowo-parowych dla rozszerzenia pola ich zastosowań. Studia konstrukcyjne zespołów turbin gazowych przystosowanych do zadanego rodzaju paliwa, przyjętej koncepcji eksploatacyjnej oraz przyjętej struktury technologicznej mikrosiłowni (algorytmy obliczeń cieplno-przepływowych, koncepcja stopni modelowych, problemy skalowania, zagadnienia wytrzymałościowe, wymienniki regeneracyjne i inne). F: Numeryczne i eksperymentalne badania spalania biogazu w mikroturbinie gazowej o mocy kwe. Budowa instalacji demonstracyjnej mikroturbiny gazowej ze spalaniem biogazu. Opracowanie systemów diagnostyki i sterowania pracą mikroturbiny gazowej. G: Oczyszczanie spalin z silników spalinowych metodami elektrostatycznymi. 40

40 Zasadniczym elementem każdego układu kogeneracyjnego jest urządzenie do generacji mocy mechanicznej, które jest napędzane ciepłem pochodzącym ze spalania, przy czym prace badawcze ograniczono do spalania gazów niskokalorycznych. Niniejszy etap obejmuje dwie grupy urządzeń do generacji mocy mechanicznej: silniki spalinowe o zapłonie samoczynnym oraz turbiny gazowe. Zagadnienia dotyczące układów kogeneracyjnych z silnikami o zapłonie samoczynnym są realizowane w ramach tematów A, B oraz C. W ramach projektu w Katedrze Mechatroniki UWM zostanie opracowana technologia skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła z paliw o różnym pochodzeniu oparta na instalacji silnika o zapłonie samoczynnym ZS (Rys. B1). Opracowana technologia pozwoli na przetwarzanie różnego rodzaju materiałów biologicznych, a także odpadów (komunalnych, pochodzenia roślinnego i zwierzęcego), na paliwa, które mogą być wykorzystane do zasilania silników spalinowych; a w efekcie do efektywnego wytwarzania energii elektrycznej. Rys. B1. Schemat instalacji silnikowej agregatu CHP 41

41 W ramach badań technologii produkcji energii z biopaliw w agregatach elektrowni kogeneracyjnych przewiduje się opracowanie modeli numerycznych spalania w silnikach spalinowych, w tym dwuwymiarowego modelu matematycznego spalania wielopaliwowego (paliw płynnych i gazowych II generacji) w silniku o ZS, jego eksperymentalną weryfikację oraz opanowanie zjawisk spalania detonacyjnego. Opisany zostanie proces spalania w komorze spalin silników tłokowych podczas zasilania równoczesnego lub podobnego mieszaniu paliw płynnych i gazowych (dla silników o ZS) oraz gazowych (dla silników o ZI) i modyfikowanych (z ZS na ZI). W tradycyjnych rozwiązaniach tłokowe silniki spalinowe z zapłonem iskrowym, zasilane są typowymi paliwami lub biopaliwami ciekłymi. Choć paliwo ciekłe można w tych silnikach zastąpić odpowiednio dobranym paliwem gazowym, zabieg ten w przypadku stosowania syngazu lub biogazu jest niezwykle trudny. Stąd zasadniczym celem podejmowanych tu zagadnień jest: - opracowanie wysokosprawnej generacji energii elektrycznej w oparciu o silnik spalinowy zasilany gazem generatorowym lub biogazem, - maksymalizacja wskaźników energetycznych układu kogeneracyjnego z tłokowym silnikiem spalinowym, - minimalizacja emisji substancji toksycznych powstających w spalinach silnika spalinowego. Planuje się przeprowadzić wielowymiarową optymalizację składu gazu w szerokich granicach jego wartości opałowej. Procesowi optymalizacji poddane zostaną przede wszystkim parametry regulacyjne silnika spalinowego. Przeprowadzone zostaną badania eksperymentalne na istniejącym stanowisku w Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Badaniom podlegać będą energetyczne oraz ekologiczne wskaźniki pracy silnika spalinowego zasilanego syngazem (względnie jego mieszaniny z biogazem) w zależności od zadanych parametrów regulacyjnych oraz składu biopaliwa. W celu pełnej analizy procesu konwersji energii chemicznej gazu od procesów zachodzących wewnątrz komory spalania silnika spalinowego, aż do pracy efektywnej występującej na wale korbowym, wykonane zostaną badania szczegółowe połączone z techniką indykacji. Jak wskazano powyżej drugą grupą zagadnień rozwijanych w ramach tego etapu jest budowa układów kogeneracyjnych opartych na turbinie gazowej. Zagadnienia te są rozwijane w ramach tematów badawczych D, E oraz F. Zasadniczą przesłanką podjęcia rozwiązania układu kogeneracyjnego alternatywnego wobec silnika spalinowego jest to, iż układy z turbinami gazowymi cechują się bardzo wysoką sprawnością wytwarzania energii elektrycznej. Większość dostępnych komercyjnie turbin gazowych przystosowanych jest jednak do spalania paliwa wysokokalorycznego. W dziedzinie wykorzystania gazów niskokalorycznych jak biogazy i gazy ze zgazowania termicznego w turbinach gazowych 42

42 istnieje wiele niewyjaśnionych zagadnień - szczególnie w zakresie małych mocy. Przystosowanie turbin do pracy z paliwem o niższej wartości opałowej (co ma miejsce w przypadku wykorzystania biogazu) wymaga zmian w układzie komory spalania oraz zmian w układzie przepływowym (sprężarka, komora spalania, turbina). Kompleksowa analiza układów wykorzystania biomasy musi być zatem uzupełniona o dane umożliwiające ocenę pracy układu w różnych warunkach i stanach pracy. W niniejszym etapie określone zostaną niezbędne modyfikacje komór spalania i układu przepływowego w celu dostosowania turbin gazowych do spalania gazu niskokalorycznego. Wytyczne w zakresie przystosowania turbin gazowych do pracy z wykorzystaniem gazu niskokalorycznego opracowane zostaną w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej. Jednym z rezultatów niniejszego etapu będzie określenie zmian, jakie należy dokonać w układzie turbin gazowych w celu dostosowani ich do zmiany paliwa. Analizy przeprowadzone będą dla kilku turbin gazowych. Efektem będzie również określenie charakterystyk turbin po zmianie paliwa, ustalenie zakresu parametrów bezpiecznej pracy oraz określenie parametrów i charakterystyk komór spalania i określenie ich niezbędnych modyfikacji. W celu realizacji zadania podjęte będą następujące działania: budowa modeli matematycznych kilku turbin gazowych, opracowanie charakterystyk turbin gazowych zasilanych paliwem wysokokalorycznym i ich weryfikacja w celu oceny uzyskanych modeli, określenie charakterystyk, parametrów i zakresu bezpiecznej pracy turbin zasilanych paliwem niskokalorycznym, budowa modeli komór spalania turbin gazowych, określenie charakterystyk komór spalania po zmianie paliwa na biogaz, określanie niezbędnych modyfikacji komór w celu przystosowania do spalania paliwa niskokalorycznego. Eksperymenty numeryczne przeprowadzone w zadaniu pozwolą uniknąć wielu zagrożeń podczas badań doświadczalnych rozważanych układów. Prace nad turbinami gazowymi urządzeń kogeneracyjnych w małej skali na poziomie 10-50kWe prowadzone będą w Instytucie Maszyn Przepływowych PAN. Przewiduje się zastosowanie tych urządzeń w skojarzeniu z mikrobiogazowniami fermentacyjnymi na odpady rolne i zwierzęce, na które istnieje w kraju ogromne zapotrzebowanie określane na ponad szt. Efektywne wykorzystanie biogazu wiąże się tu z doborem odpowiednich urządzeń, którymi mogą być mikroturbiny gazowe, które są zdecydowanie bardziej niezawodne, oraz charakteryzujące się znacznie dłuższym okresem eksploatacji, niż silniki tłokowe. 43

43 Przewiduje się budowę stanowiska badawczo-demonstracyjnego do badania spalania gazów o niskiej jakości w mikroturbinie gazowej. Przeprowadzone zostaną badania numeryczne i eksperymentalne komór spalania biogazu w mikroturbinach gazowych. Określone zostaną charakterystyki komór spalania po zmianie paliwa na biogaz oraz charakterystyki pracy mikroturbin w zależności od obciążenia urządzeń oraz kaloryczności biogazu. W efekcie podejmowanych działań zbudowana zostanie instalacja demonstracyjna układu kogeneracyjnego o mocy 10-50kWe z mikroturbiną gazową zasilana biogazem niskokalorycznym. W związku z szeregiem regulacji prawnych UE w kwestii ograniczenia emisji szkodliwych substancji przewiduje się w IMP PAN także zbadanie składu chemicznego i fizycznego spalin z silnika spalinowego, opracowanie metod ograniczenia emisji przy pomocy metody elektrostatycznej. Zbudowana zostanie także prototypowa instalacja elektrostatyczna usuwania zanieczyszczeń ze spalin. Podsumowując w efekcie podejmowanych działań w ramach niniejszego podetapu - powstaną dwie technologie kogeneracji wykorzystującej biogaz o niskiej jakości: w oparciu o silnik spalinowy o zapłonie samoczynnym oraz z mikroturbiną gazową. Badania w zakresie wykorzystania niskokalorycznego biogazu w układach kogeneracyjnych będą kontynuowane w ramach etapu 2. Etap 2. Układy zasilania i sterowania układów kogeneracyjnych przystosowanych do spalania gazów niskokalorycznych W niniejszym etapie przewiduje się wykonanie następujących podetapów: A: Opracowanie głowicy pomiarowej (metan, tlenek węgla, wodór, tlen) gazów dolotowych i prototypu układu zasilania silnika o ZS agregatu CHP. Opracowanie algorytmów inteligentnego sterowania i systemów diagnostyki pokładowej silnika agregatu CHP zasilanego metanem lub tlenkiem węgla. B: Opracowanie prototypów układu zasilania silnika o ZS. Opracowanie algorytmów inteligentnego sterowania silnikiem agregatu CHP zasilanego estrami tłuszczów zwierzęcych, alkoholem lub syndieselem. C: Opracowanie algorytmu sterowania silnika o ZI zasilanego syngazem (względnie jego mieszaniny z biogazem). W ramach niniejszego etapu prowadzone będą prace nad doborem układów zasilania agregatów CHP z inteligentnym systemem sterowania, umożliwiającym rozpoznanie przez sterownik rodzaju i cech stosowanego paliwa i automatyczny dobór parametrów sterowania (właściwych map optymalnych) dla osiągnięcia mocy η max i spełnienia poziomu emisji CO 2min. Zagadnienia te mają kluczowe znaczenie z aplikacyjnego punktu widzenia stąd realizowane będą w ramach osobnego etapu. 44

44 Prace te w zakresie silników spalinowych o zapłonie samoczynnym będą prowadzone w Katedrze Mechatroniki UWM oraz w IMP PAN. Opracowane zostaną wymagania w stosunku do paliw płynnych i gazowych II generacji, używanych do napędu agregatu CHP w zakresie składu chemicznego oraz zanieczyszczeń. Jako nadrzędne cele w rozważanej grupie badawczej przyjmuje się: - spalanie metanu (gazów pofermentacyjnych) tlenku węgla (z pirolizy) w silniku o ZS bez efektu detonacji; - spełnienie normy ISO 8178 B1 i B2 w zakresie emisji spalin; - uzyskanie możliwie wysokiej sprawności ogólnej układu CHP. Na bazie analizy wyników badań oraz obliczeń uzyskanych w etapie 1, w Instytucie Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej w Gliwicach opracowany zostanie algorytm sterowania silnikiem gazowym. Ze względu na przeznaczenie silnika spalinowego jako elementu układu kogeneracyjnego energii elektrycznej i cieplnej, konieczne będzie zbudowanie mikroprocesorowego sterownika umożliwiającego nadzór oraz monitoring całej instalacji. W tym punkcie określona zostanie minimalna liczba sygnałów wejściowych do jednostki sterującej pracą silnika zapewniająca jego poprawną pracę pod względem ekologicznym i energetycznym. Ponadto przygotowana zostanie mapa składu mieszanki palnej oraz zapłonu silnika spalinowego zasilanego biogazem. Etap 3. Badania eksperymentalne poligeneracyjnego układu ORC o mocy kwe zasilanego z obiegu oleju termalnego W niniejszym etapie przewiduje się wykonanie następujących podetapów: A: Analiza uwarunkowań technicznych, logistycznych, ekonomicznych oraz prawnych budowy cieplnych układów kogeneracji i poligeneracji zintegrowanej z produkcją biopaliwa. B: Opracowanie koncepcji poligeneracyjnego układu ORC (ang.: Organic Rankine Cycle) o mocy kwe wykorzystującego ciepło niskotemperaturowe. C: Projekt i budowa układu oleju termalnego współpracującego z układem ORC. D: Faza wstępnej realizacji budowy instalacji demonstracyjnej i opracowanie narzędzi do modelowania układu. E: Badania eksperymentalne i optymalizacja demonstracyjnego układu ORC z obiegiem oleju termalnego w aspekcie współpracy z kotłem wielopaliwowym. W ramach niniejszego etapu zostaną podjęte prace nad opracowaniem rozwiązania układu kogeneracji lub poligeneracji zasilanego biopaliwem, które przeznaczone jest do znacznie większych mocy właściwych Gminnym Centrom Energetycznym. Jedną 45

45 z najbardziej obiecujących technologii generacji mocy mechanicznej w takich centrach są układy siłowni realizujące obieg Clausiusa-Rankine a z zastosowaniem czynników organicznych. Układy te określane są jako układy ORC (ang. Organic Rankine Cycle). W niniejszym etapie zostanie zatem rozwinięta kolejna technologia generacji mocy mechanicznej. Należy podkreślić, iż siłownie ORC mogą stanowić podstawowy układ generacji mocy mechanicznej, ale równie dobrze mogą być stosowane do nadbudowy innych układów opartych na silniku spalinowym bądź turbinie gazowej. Wówczas siłownia ORC, pracująca w układzie kombinowanym z silnikiem spalinowym lub turbiną gazową pozwala na znaczne zwiększenie sprawności generacji energii elektrycznej. Są to zatem urządzenia o znacznym potencjale zastosowań co uzasadnia podjęcie rozwinięcia tej technologii w ramach niniejszego etapu, czyniąc realizację Zadania badawczego bardziej kompleksową. Niniejszy etap stanowi fazę opracowywania układów poligeneracyjnych z zastosowaniem technologii obiegu ORC. Jest to technologia polegająca na realizacji podstawowego obiegu cieplnego siłowni z zastosowaniem czynników łatwo-wrzących zamiast pary wodnej. Istotną cechą takiego obiegu jest przede wszystkim możliwość generacji energii elektrycznej ze źródła ciepła o znacznie niższej temperaturze, niż w układach energetyki zawodowej, oraz w znacznie mniejszej skali. Ta właśnie cecha sprawia, iż tego rodzaju obiegi stanowią jedną z kluczowych technologii dla rozwoju energetyki rozproszonej. Co więcej realizacja takiego obiegu daje bezpośrednią możliwość wykorzystania ciepła odpadowego obiegu jako ciepła użytkowego łącznie z możliwością budowy układu poligeneracyjnego z wytwarzaniem chłodu w układach chłodniczych o napędzie cieplnym. Kolejną wreszcie cechą takich obiegów jest to, iż mogą one być stosowane zarówno w wersji z kotłem wielopaliwowym, jak również mogą stanowić nadbudowę silników spalinowych bądź turbin gazowych zasilanych biopaliwem - wykorzystując do napędu ciepło odpadowe pochodzące z tych urządzeń. W ten sposób można uzyskać znaczący wzrost efektywności energetycznej biopaliwa w układach kogeneracyjnych lub poligeneracyjnych. Siłownia z obiegiem ORC współpracuje ze źródłem ciepła napędowego poprzez układ czynnika pośredniczącego jest nim najczęściej obieg oleju termalnego. Omawiana technologia znacznie rozszerza możliwości wykorzystania odnawialnych źródeł energii, głównie zaś biomasy i biogazu oraz ciepła odpadowego z procesów technologicznych. Wielką zaletą układów bazujących na ORC jest możliwość utylizacji różnych rodzajów paliwa, a w szczególności wszelkich biopaliw jak to przedstawiono na schemacie koncepcyjnym zamieszczonym na Rys. B2. Dodatkową przesłanką o kluczowym znaczeniu dla realizacji Zadania badawczego jest fakt, iż główny partner przemysłowy realizujący niniejsze Zadanie ENERGA SA jest zainteresowany rozwojem tego typu technologii 46

46 poprzez aplikację uzyskanych w ramach projektu rozwiązań technicznych w inwestycjach na poziomie Gminnych Centrów Energetycznych. We wstępnej części tego etapu (podetap A) zostanie opracowana baza kluczowych uwarunkowań dla powstających w ramach niniejszego Zadania Badawczego projektów typoszeregów układów kogeneracyjnych oraz instalacji demonstracyjnych i pilotażowych opartych na technologii ORC. W szczególności rozpatrzone zostaną uwarunkowania techniczne - zwłaszcza dotyczące szczegółowej oceny podstawowych parametrów energetycznych i cieplno-przepływowych zintegrowanych układów kogeneracyjnych i poligeneracyjnych opartych na technologii ORC; uwarunkowania logistyczne dotyczące głównie zagadnień związanych z dostępnością biomasy i infrastrukturą odbiorczą ciepła i chłodu oraz uwarunkowania ekonomiczne i prawne. Rys. B2. Schemat koncepcyjny poligeneracyjnego układu z zastosowaniem technologii ORC Opracowywana w projekcie technologia kogeneracji opierać się będzie na układzie ORC współpracującym z ekologicznym kotłem wielopaliwowym. Podstawowymi elementami składowymi mikrosiłowni są: kocioł, turbina z generatorem, wymienniki ciepła (podgrzewacz, parownik, przegrzewacz, regenerator, skraplacz), pompa obiegowa czynnika i pompa obiegowa oleju. W ramach niniejszego zadania opracowane zostaną ostateczne założenia projektowe mikrosiłowni o mocy elektrycznej kWe. Określone zostaną podstawowe wymagania co do czynnika roboczego w obiegu ORC, parametrów termodynamicznych pracy obiegu, trybu pracy urządzenia, jego gabarytów itp. do wybranego zastosowania 47

47 w zależności od dostępnego źródła ciepła. Podstawowym źródłem ciepła ma być kocioł przystosowany do spalania biomasy i biopaliw. Opracowane zostaną kryteria doboru czynnika roboczego pod względem parametrów pracy, oczekiwanej sprawności obiegu, współczynników wymiany ciepła, kompatybilności ze stosowanymi materiałami w elementach mikrosiłowni, toksyczności, wpływu na środowisko naturalne i bezpieczeństwa pracy dla różnych źródeł ciepła. Dla wybranych czynników roboczych dokonana zostanie optymalizacja parametrów pracy obiegu. Dzięki narzędziom stworzonym w tym podetapie - możliwa będzie szybka analiza alternatywnych rozwiązań: obiegu, zastosowanych typów urządzeń i czynników roboczych. Na podstawie powyższych analiz zaproponowany zostanie obieg termodynamiczny z wybranym czynnikiem roboczym o konkretnych parametrach pracy, który stanowić będzie punkt wyjścia dla prac nad elementami składowymi siłowni ORC. Zakłada się, że moc cieplna kotła wielopaliwowego oraz ciepło odpadowe z silnika spalinowego traktowane jako ciepło napędowe dla układu ORC będą wynosiły 1.0 MWc, co pozwoli na uzyskanie mocy elektrycznej obiegu ORC co najmniej na poziomie 100 kwe. Za kluczowe w realizacji niniejszego etapu należy uznać opracowanie rozwiązania obiegu oleju termalnego. W powiązaniu z etapem 4 zostanie dla przyjętych szczegółowych parametrów cieplno-przepływowych układu opracowany projekt wymiennika ciepła dla odbioru ciepła napędowego przez olej termalny. W skład tego obiegu wchodzą: wymiennik ciepła kotłowy lub odzysknicowy wymienniki ciepła pomocnicze pompa generator pary w obiegu ORC. W etapie 6 będą opracowywane dedykowane wymienniki ciepła dla układu ORC. W niniejszym etapie przewiduje się aplikację wymienników płaszczowo-rurowych w wykonaniu standardowym (wymienniki podstawowe: parownik oraz skraplacz) lub płytowych (wymienniki pomocnicze). W trakcie prac w etapie 6 będą odpowiednio modyfikowane tak, aby poprzez intensyfikację wnikania ciepła w przemianach fazowych czynnika roboczego uzyskać znacznie mniejsze różnice temperatury, a wskutek tego podnieść efektywność energetyczną obiegu ORC. W niniejszym etapie zostanie zatem zbudowana podstawowa część obiegu ORC wraz z układem oleju termalnego. Z kolei w ramach etapu 5 powstanie układ produkcji chłodu, który w niniejszym etapie 3 zostanie podłączony do obiegu ORC, co ma stanowić bazę do rozwijania własnej konstrukcji układu poligeneracyjnego. W finalnej części tego etapu zostaną przeprowadzone badania ewaluacyjne współpracy układu oleju termalnego ze źródłem ciepła, a także układu oleju termalnego z generatorem pary układu ORC oraz współpracy układu ORC i układu produkcji chłodu. Ważnym elementem układu ORC jest jego automatyka. Przeprowadzone zostaną wielowariantowe badania regulacji automatycznej układu ORC dla szerokiego zakresu obciążeń cieplnych układu z uwzględnieniem zmian parametrów kotła olejowego. 48

48 Etap 4. Opracowanie kompleksowego projektu wielopaliwowego kotła do współpracy z układem oleju termalnego Podstawowy układ ORC, jak to przedstawiono powyżej może pracować zarówno jako podstawowy układ generacji mocy mechanicznej, jak również w nadbudowie z silnikiem spalinowym bądź turbina gazową. Jeśli układ ten zostanie zastosowany jako układ podstawowy wówczas wymaga on zastosowania układu generacji ciepła napędowego, bowiem siłownia ORC to w zasadzie silnik o spalaniu zewnętrznym. Stąd w ramach niniejszego etapu podjęte zostaną prace w zakresie opracowania rozwiązania wielopaliwowego kotła wytwarzającego ciepło napędowe dla układu kogeneracyjnego lub poligeneracyjnego. Zagadnienie to jest niezwykle istotne z punktu widzenia rozwoju Gminnych Centrów Energetycznych elementu strategii GK Energa, partnera przemysłowego odpowiadającego za koordynację celów Przemysłowo Rozwojowych w Konsorcjum powołanym dla przygotowanie wspólnej oferty konkursowej w zakresie 4 Zadania Badawczego Opracowanie zintegrowanych technologii wytwarzania paliw i energii z biomasy, odpadów rolniczych i innych. W ramach tego etapu zostanie opracowane rozwiązanie kotła wielopaliwowego, który może być zasilany peletami, drewnem, biogazem bądź innym paliwem. Spaliny wylotowe ochładzane będą w kotle odzyskowym; ciepło spalin wylotowych wykorzystane będzie do produkcji pary zasilającej turbinę przeciwprężną w układzie z czynnikiem niskowrzącym, jednak zastosowany będzie tutaj obieg pośredni z olejem termalnym. W ramach niniejszego etapu zostaną zrealizowane następujące prace: Przeprowadzenie obliczeń cieplnych obiegu siłowni kogeneracyjnej z kotłem wielopaliwowym i analiza wyników obliczeń pod kątem projektowanego kotła; Koncepcja konstrukcji kotła; Obliczenia cieplne, hydrauliczne kotła odzyskowego do siłowni kogeneracyjnej, w której do napędu generatora zastosowano kocioł wielopaliwowy; Analiza pracy kotłowych wymienników ciepła z rur gładkich i ożebrowanych w warunkach nieustalonych. Proponowane kotły odznaczają się bardzo nowoczesną konstrukcją. Przeprowadzone zostaną obliczenia zjawisk przepływowo-cieplnych i wytrzymałościowych zachodzących w kotłach odzyskowych przy użyciu komercyjnych programów takich jak Ansys CFX w celu poprawy sprawności urządzeń. W ich projektowaniu wykorzystane zostaną kilkunastoletnie wyniki badań, symulacji CFD a także doświadczenie autorów 49

49 projektu w obliczeniach i projektowaniu różnego rodzaju kotłów. Przesłanką do podjęcia prac w ramach tego etapu jest to, iż obecnie nie jest dostępna komercyjnie konstrukcja kotła wielopaliwowego. Planuje się, iż wyniki prac i nowe propozycje rozwiązań zostaną wdrożone w ramach instalacji pilotażowej. Prowadzenie badań doświadczalnych w zakresach wartości zmiennych wielkości (pomiar sprawności, kontrolowanie procesu) pozwoli zoptymalizować parametry pracy wymienionych urządzeń. W wyniku realizacji zadania opracowany zostanie kocioł odzysknicowy dedykowany do zastosowania w siłowni kogeneracyjnej lub poligeneracyjnej, w której paliwem może być biometan z procesów fermentacyjnych, gaz wysypiskowy, biogaz z miejskich oczyszczalni ścieków i zgazowania różnego rodzaju roślin, olej rzepakowy, pelety z drewna, siana, słomy i odpadów pofermentacyjnych oraz innego rodzaju biomasy. Warto dodać, iż z uwagi na rosnące ceny węgla kamiennego stosowanego szeroko w gospodarstwach domowych należy spodziewać się dużego zainteresowania opracowanymi kotłami i siłowniami kogeneracyjnymi Etap 5. Opracowanie projektu strumienicowego układu chłodniczego do współpracy z poligeneracyjnym układem ORC; budowa instalacji demonstracyjnej oraz badania charakterystyk cieplnych i przepływowych układu strumienicowego Etap dotyczy optymalizacji pracy zintegrowanej siłowni pod kątem bardziej efektywnego wykorzystania energii cieplnej w postaci układu trójgeneracji. W okresie letnim oraz przejściowym ciepło użytkowe wytwarzane w siłowni (w całości lub w części) może być zastosowane dla celów wytwarzania chłodu, w efekcie czego siłownia produkuje z ciepła napędowego: energię elektryczną, ciepło użytkowe oraz chłód. W etapie proponuje się zastosowanie najnowszych rozwiązań w zakresie produkcji zimna, czyli układów strumienicowych. Układy te, jako wysokoefektywne obiegi napędzane ciepłem odpadowym siłowni - doskonale nadają się do współpracy z siłownią ORC, stwarzając możliwość zaopatrzenia odbiorcy końcowego w klimatyzację komfortu. Realizacja tak postawionego zadania wymaga dokonania wyboru optymalnego obiegu realizowanego w strumienicowym urządzeniu klimatyzacji oraz opracowania podstawowych typoszeregów wymienników ciepła (w tym kondensatora i parownika) a także strumienicy napędowej, dostosowanych do parametrów roboczych siłowni. Istotna przesłanką do podjęcia tego zagadnienia jest to, iż aktualnie nie są dostępne komercyjnie układy strumienicowe. Charakteryzują się one znacznie niższymi kosztami inwestycyjnymi w porównaniu z dostępnymi na rynku układami sorpcyjnymi oraz większą efektywnością energetyczną. Oznacza to, iż w ramach niniejszego 50

50 etapu zostanie opracowane własne innowacyjne rozwiązanie układu produkcji chłodu z ciepła odpadowego. Rys. B3. Schemat ideowy strumienicowego układu klimatyzacji Zasadność budowy siłowni jako układu trójgeneracyjnego wynika również z dodatkowej przesłanki, jaką jest konieczność zdecydowanego obniżenia poziomu emisji gazów cieplarnianych spowodowanej funkcjonowaniem klasycznych urządzeń klimatyzacyjnych. Realizacja proponowanego układu stanowi zatem rozwiązanie o szczególnie wysokim stopniu pro-ekologiczności. Obciążenie środowiska naturalnego przez te urządzenia wynika z jednej strony z obecności płynu roboczego w układzie, którego emisja zagraża środowisku naturalnemu, zaś z drugiej wynika z emisji dwutlenku węgla oraz innych zanieczyszczeń powstających przy produkcji energii elektrycznej do napędu klasycznej wersji tych urządzeń. Zastosowanie trójgeneracji prowadzi do znacznego ograniczenia tychże emisji z uwagi na: zastosowanie obiegu strumienicowego napędzanego ciepłem odpadowym zamiast energią elektryczną; zastosowanie w obiegu nie-obciążających środowisko czynników roboczych. Należy dodatkowo podkreślić, że potrzeba ograniczenia emisji gazów cieplarnianych istnieje nie tylko dla średnich i dużych instalacji, lecz również dla urządzeń o najmniejszych mocach napędowych, gdyż z racji wielkiej ilości jednostek - ich udział w globalnej emisji tych gazów oraz w konsumpcji energii uznaje się za bardzo znaczący. Szczególnego znaczenia nabierają zatem rozwiązania umożliwiające wykorzystanie cieplnej energii odpadowej, co jest możliwe w urządzeniach sorpcyjnych lub strumienicowych. W krajowych placówkach naukowo-badawczych nie podjęto jak dotąd kompleksowych prac w zakresie wyżej przedstawionej problematyki, nie jest wiec również możliwe podjecie współpracy z przedsiębiorstwami, które mogłyby oferować systemy chłodnicze spełniające wskazane 51

51 powyżej wymagania proekologiczne. Biorąc powyższe pod uwagę zastosowanie w układzie siłowni obiegu strumienicowego dla celów klimatyzacji komfortu jest rozwiązaniem spełniającym warunki jednego z najbardziej kluczowych priorytetów energetycznych, tj. ograniczania emisji gazów cieplarnianych. Schemat ideowy strumienicowego układu klimatyzacji przedstawiono na Rys. B3. Ciepłem napędowym układu jest ciepło użytkowe niskotemperaturowe Q odprowadzane z mikro-siłowni za pomocą obiegu pośredniczącego. W wymienniku ciepła (generatorze pary) czynnik roboczy pobiera ciepło Q, co powoduje jego odparowanie. Należy założyć, iż z wymiennika ciepła wypływa para nasycona (w praktyce para mokra o niewielkim zawilgoceniu), toteż za zasadne należy uznać zastosowanie separatora, którego zadaniem jest odseparowanie fazy ciekłej, która następnie jest zwracana do wymiennika ciepła. Para wypływająca z separatora jest parą napędową. Zasila ona dyszę napędową strumienicy, która dzięki wymianie pędu zasysa parę z parownika. W strumienicy następuje proces sprężenia pary. Sprężona para wpływa do skraplacza, w którym następuje jej skroplenie. Skraplacz wymaga odprowadzenia ciepła skraplania dotoczenia, przy czym to ciepło może być, w zależności od parametrów pracy obiegu, traktowane jako ciepło użytkowe. Część ciekłego czynnika roboczego poprzez zawór rozprężny dopływa do parownika, gdzie czynnik ten odparowując pobiera z ochładzanego ośrodka ciepło określane jako wydajność chłodnicza. Pozostała część ciekłego czynnika jest kierowana do wymiennika ciepła, co zamyka układ. Jako aktualnie dostępne czynniki dla układu strumienicowego należy uznać: czynniki syntetyczne o niskim potencjale tworzenia efektu cieplarnianego: HFE 7100, HFC236fa; wodę oraz czynniki naturalne: metanol, izobutan. Należy podkreślić, iż zaproponowany system wymaga opracowania szczegółowych rozwiązań w zakresie optymalizacji obiegu oraz jego elementów składowych (strumienicy, dedykowanych wymienników ciepła, układu sterowania) co wynika z chęci zastosowania naturalnych, bezpiecznych dla środowiska płynów roboczych. Warto także podkreślić, iż w aspekcie zastosowania niskoparametrowego ciepła napędowego proponuje się dotąd systemy absorpcyjne, które są układami bardzo skomplikowanymi, droższymi inwestycyjnie oraz bardziej wrażliwymi na zakres temperatur ciepła napędowego w porównaniu z układami strumienicowymi. Te ostatnie, z racji na prostszą budowę, wyższą efektywność energetyczną oraz szerszy zakres parametrów ciepła napędowego mogą być uznane za układy perspektywiczne w systemach trójgeneracji. W ramach niniejszego etapu planuje się wykonanie następujących prac: Sformułowanie zakresu parametrów pracy dostosowanych do typoszeregu siłowni poligeneracyjnej; 52

52 Dobór czynnika roboczego dla układu strumienicowego oraz czynnika pośredniczącego; Analiza termodynamiczna oraz przepływowa obiegów strumienicowych dla wybranego czynnika roboczego; Dobór wymienników ciepła układu strumienicowego; Opracowanie geometrii strumienicy parowej oraz separatora dla siłowni poligeneracyjnej o zadanej mocy wraz z weryfikacją eksperymentalną pracy tych elementów; Budowa wstępnej wersji prototypowego kompletnego układu strumienicowego dla siłowni poligeneracyjnej o zadanej mocy oraz eksperymentalna weryfikacja osiągalnych parametrów roboczych; Analiza poprawności pracy elementów układu strumienicowego oraz optymalnej konfiguracji układu pod kątem jego zwartości oraz funkcjonalności; Budowa ostatecznej wersji prototypowego kompletnego układu strumienicowego oraz eksperymentalna weryfikacja osiągalnych parametrów roboczych; Aplikacja układu strumienicowego do siłowni poligeneracyjnej o zadanej mocy oraz analiza współpracy układu strumienicowego z siłownią poligeneracyjną; Opracowanie koncepcji typoszeregu układów strumienicowych dla typoszeregu siłowni poligeneracyjnej; Analiza efektywności energetycznej, egzergetycznej oraz środowiskowej pracy klimatyzacji strumienicowej w porównaniu z układami klasycznymi napędzanymi energią elektryczną. Etap 6. Opracowanie wymienników ciepła dla układu ORC W niniejszym etapie przewiduje się wykonanie następujących podetapów: A: Projekt, wykonanie oraz analiza cieplno-przepływowa wymienników ciepła z intensyfikacją wymiany ciepła do układu ORC oraz ich implementacja w instalacji demonstracyjnej, B: Projekt, wykonanie oraz analiza cieplno-przepływowa minikanałowych wymienników ciepła do układu ORC. Zagadnienia podejmowane w ramach niniejszego etapu obejmują w sposób kompleksowy układy kogeneracyjne lub poligeneracyjne małej oraz dużej mocy. odnoszą się zatem one do realizacji dużych Gminnych Centrów Energetycznych, jak również centrów energetycznych odpowiadających potrzebom odbiorców indywidualnych. Zagadnienia opracowania dedykowanych wymienników dla większych siłowni ORC zrealizowane będą w ramach Podetapu A, zaś dla układów w skali układów dla odbiorców indywidualnych (mikrobiogazownie kogeneracyjne) w Podetapie B. 53

53 W zakresie układów kogeneracyjnych oraz poligeneracyjnych większych mocy (Podetap A) odpowiadających zapotrzebowaniu Gminnych Centrów Energetycznych najczęściej stosowane są w aktualnie stosowanych rozwiązaniach układów ORC płaszczowo-rurowe wymienniki ciepła. Zasadniczym problemem związanym z tego typu wymiennikami jest problem intensyfikacji wnikania ciepła, w szczególności zaś wnikania ciepła w przemianach fazowych czynnika łatwo wrzącego, gdzie zazwyczaj uzyskuje się stosunkowo niskie wartości współczynnika wnikania ciepła. Ma to szczególne znaczenie w omawianym zadaniu badawczym, bowiem oczekuje się, iż opracowany układ ORC będzie posiadał sprawność konkurencyjną w odniesieniu do istniejących rozwiązań. Jednym z podstawowych działań, oprócz rozwiązania samej maszyny ekspansyjnej w postaci turbiny lub ekspandera śrubowego jest uzyskanie jak najwyższego w danych warunkach obciążenia cieplnego ciśnienia nasycenia w parowniku obiegu oraz jak najniższego ciśnienia w skraplaczu. Ciśnienia te są jednak uwarunkowane wprost wymianą ciepła w parowniku oraz skraplaczu, bowiem poprzez zintensyfikowanie wymiany ciepła w tych aparatach można uzyskać znaczne obniżenie różnicy temperatur, co skutkuje oczekiwaną zmianą temperatur, a w ślad za tym ciśnień nasycenia. W zakresie metod intensyfikacji wnikania ciepła w przemianach fazowych za szczególnie atrakcyjne pod względem aplikacyjnym należy uznać metody nowej generacji, polegające na połączeniu metod pasywnych (rozwinięcie powierzchni z wykorzystaniem efektów kapilarnych) z metodami aktywnymi (w przypadku niniejszego etapu zastosowanie silnego pola elektrycznego metoda EHD). Należy wziąć pod uwagę, iż zwłaszcza zastosowanie metod EHD powoduje znaczną intensyfikację wnikania ciepła przy wrzeniu oraz skraplaniu, zaś z racji tego, że czynnik roboczy jest dielektrykiem nie ma w tym przypadku dodatkowej konsumpcji energii. Zespół wykonawców tego etapu posiada doświadczenie w zakresie stosowania tego typu rozwiązań dla czynników łatwo-wrzących. Jako rozwiązanie alternatywne dla procesu wrzenia zostanie rozpatrzone zastosowanie powłok porowatych, które również w efektywny sposób pozwala zintensyfikować wymianę ciepła w parowniku. Zespół wykonawców posiada w tym zakresie szczególnie obszerne, wieloletnie doświadczenie badawcze oraz w znaczącej mierze niezbędne wyposażenie techniczne w zakresie instalacji demonstracyjnej pracującej z takimi wymiennikami. Prace realizowane w ramach niniejszego etapu będą dotyczyły wymienników ciepła dedykowanych do układów ORC o mocy w zakresie 0.2 MWe. W ramach niniejszego etapu planuje się wykonanie następujących prac: 54

54 Przeprowadzenie obliczeń cieplnych obiegu siłowni kogeneracyjnej z kotłem wielopaliwowym oraz układem oleju termalnego i analiza wyników obliczeń pod kątem projektowanych wymienników ciepła dla zadanego czynnika roboczego; Opracowanie metody intensyfikacji wymiany ciepła w parowniku układu ORC poprzez zastosowanie mikro-ożebrowania wraz z metodą EHD; ocena spodziewanych efektów intensyfikacji wnikania ciepła wraz z oceną zastosowania pokryć porowatych; Obliczenia cieplno-przepływowe płaszczowo-rurowego parownika dla układu ORC, dobór geometrii wymiennika; Projekt płaszczowo-rurowego parownika dla układu ORC; Opracowanie metody intensyfikacji wymiany ciepła w skraplaczu układu ORC poprzez zastosowanie mikro-ożebrowania wraz z metodą EHD; ocena spodziewanych efektów intensyfikacji wnikania ciepła; Obliczenia cieplno-przepływowe skraplacza płaszczowo-rurowego dla układu ORC, dobór geometrii wymiennika; Projekt płaszczowo-rurowego skraplacza dla układu ORC; Implementacja wymienników w demonstracyjnym układzie ORC oraz analiza cieplnoprzepływowa ich pracy. Jednym z kluczowych wyzwań dla systemów kogeneracyjnych o małych mocach (Podetap B), np. skojarzonych z mikrobiogazownią domową lub układów mikrosiłowni ORC jest uzyskanie wysokiej efektywności energetycznej, znacznej zwartości, a także jak najniższego małego napełnienia układu czynnikiem roboczym. Pierwsze dwa z wymienionych uwarunkowań są powszechnie znane, natomiast uwarunkowanie dotyczące minimalizacji napełniania czynnikiem łatwo-wrzącym wynika przede wszystkim z tego, iż są to najczęściej substancje o relatywnie wysokim potencjale tworzenia efektu cieplarnianego. Zazwyczaj szczególnie wysoką efektywność energetyczną układów ORC uzyskuje się przy zastosowaniu takich właśnie czynników, w związku z czym minimalizację efektów środowiskowych potencjalnego wycieku takiego czynnika osiągnąć można nie tylko poprzez zagwarantowanie wysokiej szczelności układu, lecz przede wszystkim poprzez minimalizację jego napełnienia. Z pozoru wydaje się, że jednoczesne spełnienie wszystkich z trzech powyższych uwarunkowań nie jest możliwe do spełnienia, jednak efektywne rozwiązanie istnieje i jest planowane do realizacji w niniejszym etapie: są to mianowicie minikanałowe wymienniki ciepła. W wymiennikach tych uzyskuje się szczególnie wysokie wartości współczynników wnikania ciepła powoduje to spadek różnicy temperatur w skraplaczu oraz parowniku układu ORC, a to z kolei powoduje wzrost sprawności obiegu. Jednocześnie zastosowanie takich wymienników powoduje znaczący spadek gabarytów układu oraz zmniejszenie stopnia napełnienia instalacji czynnikiem łatwo-wrzącym. 55

55 Zespół wykonawców tego etapu posiada szczególnie wysokie doświadczenie w zakresie mini kanałowych wymienników ciepła, co stanowi podstawę do podjęcia wyzwania, jakim jest aplikacja takich wymienników w układzie ORC. W ramach tego etapu zostaną wykonane następujące prace dotyczące wymienników ciepła dla układu kogeneracyjnego mikrobiogazowni i układu ORC o mocy 10 kwe: Przeprowadzenie obliczeń cieplnych obiegu siłowni kogeneracyjnej z kotłem wielopaliwowym oraz układem oleju termalnego i analiza wyników obliczeń pod kątem projektowanych wymienników ciepła dla zadanego czynnika roboczego; Obliczenia cieplno-przepływowe parownika i skraplacza minikanałowego dla układu ORC, dobór geometrii wymiennika; Projekt minikanałowego parownika i skraplacza dla układu ORC; Implementacja wymienników w demonstracyjnym układzie ORC oraz analiza cieplnoprzepływowa ich pracy. Etap 7. Opracowanie i badania własności przepływowych mechanicznych i dynamicznych turbogeneratora dla siłowni parowej ORC W niniejszym etapie przewiduje się wykonanie następujących podetapów: A: Projekt, wykonanie, badania przepływowe i wytrzymałościowe turbiny parowej różnej konstrukcji dla obiegu ORC: B: Badania własności dynamicznych i wytrzymałościowych podstawowych elementów turbogeneratora siłowni poligeneracyjnej C: Projekt, wykonanie, badania przepływowe, wytrzymałościowe i dynamiczne i układu sterowania różnych konstrukcji alternatywnego ekspandera dla obiegu ORC: Podstawowym urządzeniem rozprężnym dla obiegu ORC jest turbina parowa na czynnik niskowrzący. W pierwszym etapie prac (Podetap A) nad turbiną parową z generatorem dla obiegu ORC zostaną wykonane obliczenia projektowe kilku wersji turbiny ORC, w tym turbiny osiowej (wielostopniowej), turbiny promieniowej odśrodkowej oraz turbiny promieniowo-osiowej. Przeprowadzona zostanie analiza termodynamiczna i przepływowa turbiny. Po wyznaczeniu optymalnych parametrów projektowych opracowany zostanie projekt turbiny, połączony z doborem generatora elektrycznego i przeprowadzeniem analizy charakterystyk generatora. Opracowana zostanie dokumentacja konstrukcyjna elementów turbiny, wykonana z wykorzystaniem rezultatów badań eksperymentalnych na stanowisku modelowym w warunkach pracy odpowiadających siłowni ORC. Przeprowadzone zostaną też szczegółowe, sprawdzające obliczenia wytrzymałościowe konstrukcji turbiny 56

56 oraz opracowane zostaną technologie poszczególnych elementów konstrukcyjnych i technologia montażu turbiny. Etap ten zakończy wykonanie i montaż turbozespołu. Turbogenerator jest kluczowym elementem siłowni poligeneracyjnej (zwłaszcza małej mocy). Integralną częścią prac podejmowanych w ramach niniejszego etapu jest przeprowadzenie dokładnej analizy dynamicznej oraz wytrzymałościowej układu, a także opracowanie ułożyskowania. Zwłaszcza zagadnienia ułożyskowania turbiny wymagają podjęcia prac dedykowanym zagadnieniom współpracy środka smarnego kompatybilnego z czynnikiem roboczym obiegu ORC. Podjęte zatem zostaną prace w zakresie zastosowania specjalnych łożysk smarowanych niekonwencjonalnymi czynnikami. Badania własności dynamicznych i wytrzymałościowych podstawowych elementów turbogeneratora siłowni poligeneracyjnej (Podetap B) przebiegać będą w kilku fazach: Faza I. Badania Symulacyjne. Przewiduje się przeprowadzenie badań związanych z uzyskaniem optymalnej konstrukcji węzłów łożyskowych. Będą realizowane symulacyjne obliczenia numeryczne pracy łożysk oraz innych elementów turbogeneratora (takich jak: wirniki, tarcze łopatkowe czy korpusy). Wyniki obliczeń pozwolą na wstępny wybór rozwiązań konstrukcyjnych, które spełniają pod względem wytrzymałościowym oraz dynamicznym kryteria wynikające z charakteru pracy siłowni ORC. Obliczenia symulacyjne są bardzo wydajnym i powszechnie stosowanym narzędziem, wykorzystywanym na wszystkich etapach realizacji maszyn i urządzeń technicznych. W ramach projektu badawczego zostaną opracowane nowe modele numeryczne zarówno wirujących elementów roboczych turbogeneratora (takich jak: wirnik, tarcza łopatkowa, generator, łożyska), jak również pozostałych elementów konstrukcyjnych turbiny (np. korpusu). Wirtualny model poszczególnych podzespołów oraz całej turbiny pozwoli na przeprowadzenie pełnej analizy pracy układu już we wczesnych etapach rozważań, zanim urządzenie to zostanie wykonane i przeprowadzone zostaną pierwsze badania laboratoryjne. Oprócz modelowania wybranych elementów turbiny przeprowadzone będą również obliczenia sprzężone, uwzględniające wzajemne oddziaływania pomiędzy poszczególnymi podzespołami oraz pomiędzy płynem i ciałem stałym, co jest konieczne do przeprowadzenia symulacji pracy całej maszyny przepływowej. Podczas modelowania poszczególnych podzespołów prowadzona będzie weryfikacja eksperymentalna, która pozwoli na opracowanie wiarygodnych modeli obliczeniowych. Wyniki obliczeń uzyskane na podstawie takich modeli będą wykorzystywane nie tylko podczas opracowywania konstrukcji turbiny, ale również podczas optymalizacji oraz diagnostyki tego urządzenia. Faza II. Badania eksperymentalne, prace projektowe i obliczenia numeryczne turbogeneratora. Wykonanie turbiny napędzającej generator elektryczny należy do najtrudniejszych i najbardziej odpowiedzialnych zadań całego projektu budowy siłowni ORC. 57

57 Zgodnie z założeniami mała moc cieplna siłowni implikuje małe wartości mocy elektrycznej. Stanowi to poważny problem dla konstruktora turbiny, gdyż silniki te osiągają najlepsze wskaźniki w zakresie dużych i bardzo dużych mocy. Stosunkowo niewielkie, jak założone w projekcie, wartości mocy turbiny realizowane są przy umiarkowanych natężeniach przepływu czynnika roboczego. W celu znalezienia optymalnych rozwiązań prowadzone będą prace projektowe, konstrukcyjne i badawcze, łącznie z obliczeniami numerycznymi elementów turbogeneratora Należy podkreślić fakt, że projektując turbozespół na niewielkie moce, nie można bezpośrednio wykorzystać charakterystyk przepływowych typowych palisad łopatkowych ani standardowych wskaźników i metod projektowych stopni turbinowych. Dla zapewnienia odpowiednio wysokiej sprawności urządzenia i ułatwienia doboru generatora elektrycznego przewiduje się analizę różnych alternatywnych typów konstrukcji turbin: promieniowej, jednostopniowej osiowej oraz osiowej wielostopniowej. Oddzielny problem stanowi technologia budowy turbozespołu, wymagająca wysokiej precyzji wykonania poszczególnych elementów i montażu. Z powyższych względów realizacja tematów wymaga specjalnych obliczeń projektowych i konstrukcyjnych, weryfikacji doświadczalnej pojedynczych węzłów i badań całego turbozespołu. Wykonalność zadania zostaje zapewniona dzięki szczegółowej analizie projektowej wariantów turbozespołu i analizie konstrukcji poszczególnych elementów, ze szczególnym uwzględnieniem zagadnień wytrzymałości, niezawodności i bezpieczeństwa eksploatacyjnego. Najważniejszymi wynikami Fazy II będzie budowa pierwszej wersji turbogeneratora oraz stanowiska do jego badań. Wyniki badań eksperymentalnych posłużą do określenia założeń projektowych i technicznych dla prototypu turbogeneratora. Zadanie to wykorzystywać będzie wyniki prac Fazy I. Faza III. Badania eksperymentalne i prace projektowe zespołów łożysk, uszczelnień, wirników wysokoobrotowych oraz korpusów turbiny. Turbina parowa siłowni ORC będzie złożona z elementów konstrukcyjnych, które muszą spełniać szereg wymagań wynikających z jednej strony z jej parametrów roboczych, z drugiej natomiast z zastosowanego w obiegu termodynamicznym czynnika. W związku z tym do budowy takiej maszyny przepływowej konieczne będzie opracowanie nowych rozwiązań konstrukcyjnych łożysk, uszczelnień, wirników oraz korpusów. Dostępne na rynku podzespoły nie spełniają bowiem występujących w tym przypadku specyficznych wymagań. Podczas realizacji zadania opracowane zostaną projekty koncepcyjne podzespołów turbiny, które po wykonaniu zostaną poddane obszernym testom w warunkach laboratoryjnych, na specjalnie do tego celu przystosowanych stanowiskach badawczych. Następnie dla różnego typu małogabarytowych wirników przeprowadzone zostaną badania eksperymentalne, które pozwolą na wybór optymalnego sposobu łożyskowania (w tym przy 58

58 wyższych prędkościach obrotowych). W warunkach charakterystycznych dla pracy turbin siłowni ORC, w obecności czynników przewidzianych do zastosowania w obiegu termodynamicznym, zostaną przeprowadzone też badania eksperymentalne różnego typu uszczelnień spoczynkowych oraz ruchowych. W odniesieniu do wszystkich najważniejszych podzespołów turbiny zostaną więc przeprowadzone obszerne badania eksperymentalne, które pozwolą na wybór najlepszych rozwiązań oraz wprowadzanie dodatkowych usprawnień, tak aby podzespoły te możliwie najlepiej spełniały przewidziane funkcje. Wyniki badań eksperymentalnych, przeprowadzonych na rozbudowanych stanowiskach badawczych, zostaną również wykorzystane do weryfikacji nowych modeli obliczeniowych podstawowych podzespołów turbogeneratora oraz innych elementów konstrukcyjnych. W układach ORC małych oraz średnich mocy, oprócz turbin wolnobieżnych, będących przedmiotem Podetapów A oraz B, szerokie zastosowanie znaleźć mogą także alternatywne maszyny rozprężne. Rozwiązanie alternatywnego ekspandera zostanie opracowane w ramach Podetapu C. W ramach niniejszego etapu zostaną przeprowadzone prace w zakresie aplikacji różnych konstrukcji ekspandera do układu ORC z uwzględnieniem specyficznej jego cechy, jaką jest geometryczny stosunek ciśnień. Planuje się, iż ekspander będzie posiadał możliwość regulacji stosunku ciśnień w ograniczonym zakresie, ale co ważniejsze będzie posiadał wbudowaną ciągłą regulację wydajności poprzez upust wewnętrzny. Sposób regulacji stosunku ciśnień oraz wydajności realizowany za pomocą zmiany czynnej długości wirnika jest prosty, niezawodny i tani co skłania do zastosowania takiego właśnie rozwiązania. Niezwykle istotną cechą tej maszyny rozprężnej jest to, że ekspander taki nie jest wrażliwy na zwiększoną wartość stopnia suchości rozprężającej się pary czynnika łatwowrzącego ma to istotne znaczenie z eksploatacyjnego punktu widzenia, bowiem siłownia ORC wyposażona w taki ekspander będzie posiadała w efekcie zastosowania regulacji stosunku ciśnień oraz wydajności możliwość bardzo elastycznej współpracy z siłownią w znacznie szerszym zakresie, niż w przypadku turbiny. W przypadku ekspandera można pracować zatem w warunkach znacznie większych zmian parametrów pary zasilającej (związanej na przykład z chwilową zmianą wydajności urządzenia kotłowego lub wymiennika odzysknicowego spowodowaną zmianą kaloryczności paliwa). Posiada to kluczowe znacznie z eksploatacyjnego punktu widzenia. Oczekuje się także, iż z racji wykorzystania w projekcie gotowych wirników dostępnych dla sprężarek śrubowych będzie można zaproponować alternatywną maszynę rozprężną bardziej atrakcyjną cenowo oraz eksploatacyjnie, niż turbina parowa. W ramach niniejszego etapu zostaną wykonane następujące prace: 59

59 Sformułowanie zakresu parametrów pracy ekspandera dla typoszeregu siłowni ORC; Analiza termodynamiczna oraz przepływowa ekspandera dla typoszeregu siłowni ORC; Projekt oraz wykonanie wstępnej wersji ekspandera dedykowanego do pracy w układzie siłowni ORC; Adaptacja instalacji demonstracyjnej do weryfikacji eksperymentalnej pracy alternatywnego ekspandera; Weryfikacja eksperymentalna pracy ekspandera w warunkach pracy odpowiadającym siłowni ORC; Projekt oraz wykonanie prototypowej wersji ekspandera; Projekt i wykonanie niezbędnych (niestandardowych) elementów obiegu dedykowanych do pracy w prototypowej wersji siłowni; Implementacja ekspandera do demonstracyjnego układu siłowni ORC o zadanej mocy oraz eksperymentalna weryfikacja osiągalnych parametrów roboczych; Analiza poprawności pracy układu siłowni ORC z alternatywnym ekspanderem oraz optymalnej konfiguracji układu pod kątem jego zwartości oraz funkcjonalności; Opracowanie koncepcji typoszeregu siłowni ORC z alternatywnym ekspanderem. Etap 8. Zagospodarowanie energetyczne ciepła odpadowego z agregatów prądotwórczych W niniejszym etapie przewiduje się wykonanie następujących podetapów: A: Układ odzysku ciepła do współpracy z agregatem prądotwórczym z turbiną gazową oraz silnikiem spalinowym wraz z odzysknicowym wymiennikiem ciepła. Opracowanie systemów diagnostyki i sterowania pracą układu kogeneracyjnego o mocy kwe. B: Projekt, budowa i badania eksperymentalne i numeryczne kotła odzyskowego ciepła spalin i układu chłodzenia silnika spalinowego. Nadbudowa silnika spalinowego układem ORC poprzez wykorzystanie ciepła odpadowego. C: Badania układów odzysku ciepła dla zakładów przetwórstwa biomasy. W ramach Podetapu A zostanie opracowany układ do odzysku ciepła, którego zasadniczym elementem jest wymiennik odzyskowy, w którym odbiera się energię cieplną z układu spalin i dostarcza do układu oleju termalnego. Moc cieplna układu oleju termalnego jest dostosowana do mocy cieplnej generowanej przez silnik spalinowy oraz układ z turbiną gazową, co pozwala na opracowanie wspólnej konstrukcji odzysknicowego wymiennika ciepła. Jednym z kluczowych zagadnień do rozwiązania, a wymagających indywidualnego podejścia jest rozwiązanie intensyfikacji wnikania ciepła po stronie spalin z zastosowaniem ożebrowania. Wykonawcy tego etapu posiadają szczególnie obszerne doświadczenie w tym 60

60 zakresie. Również rozwiązanie właściwej geometrii wymiennika wymaga indywidualnego podejścia z racji konieczności uniknięcia stref stagnacji oraz przekroczenia dopuszczalnej temperatury roboczej oleju termalnego. Kolejnym zagadnieniem jest rozwiązanie systemu automatyki oraz opomiarowania układu oleju termalnego, które będzie niezbędne nie tylko do prowadzenia prawidłowej eksploatacji układu, lecz będzie stanowiło także element układu diagnostyki całego zintegrowanego systemu kogeneracyjnego. Relatywnie niska temperatura spalin wylotowych z silników i turbin gazowych powoduje, że warunki pracy odzysknicowych wymienników ciepła różnią się znacznie od warunków pracy występujących w dużych kotłach energetycznych. Z uwagi na niską temperaturę spalin i czynnika roboczego w obiegu pośrednim z olejem termalnym - powinny być zastosowane rury ożebrowane wzdłużnie lub poprzecznie w celu zwiększenia powierzchni wymiany ciepła. Wymiana ciepła w tego typu powierzchniach ogrzewanych nie jest dokładnie zbadana. W celu prawidłowego zaprojektowania powierzchni podgrzewacza czynnika niezbędne są badania eksperymentalne i obliczenia CFD wymiany ciepła między spalinami a rozwiniętymi powierzchniami wymiany ciepła. Przeprowadzone zostaną obszerne symulacje CFD oraz badania eksperymentalne mające na celu lepsze poznanie zjawisk wymiany ciepła na powierzchniach rozwiniętych. Na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych i obliczeń CFD zaproponowana zostanie właściwa konfiguracja rur oraz wymiary żeber. Z uwagi na różne rodzaje paliw przeprowadzone zostaną obliczenia cieplne i hydrauliczne oraz wytrzymałościowe kotłów na różne paliwa. Poważnym problemem w eksploatacji siłowni kogeneracyjnych jest ich praca w warunkach nieustalonych wynikająca ze zmiennego składu paliwa, zmian obciążenia cieplnego oraz dostosowania produkcji energii cieplnej i elektrycznej do aktualnego zapotrzebowania. W związku ze zmiennymi warunkami pracy siłowni kogeneracyjnych wynikającymi ze zmiennych w czasie strumieni masy paliwa lub zmiennego w czasie odbioru energii cieplnej opracowane zostaną modele dynamiczne. Modelowana będzie również numerycznie praca wybranych powierzchni ogrzewanych kotła w warunkach nieustalonych. 61

61 Rys. B4. Układ kombinowany gazowo-parowy o wysokiej sprawności produkcji energii elektrycznej W celu maksymalnego podniesienia sprawności produkcji energii elektrycznej w kolejnym zadaniu badawczym wykonana zostanie nadbudowa agregatu prądotwórczego z silnikiem spalinowym układem ORC, Rys. B4. Układ ten wykorzysta ciepło odpadowe pochodzące ze spalin i układu chłodzenia silnika spalinowego. W ramach Podetapu B zostanie opracowane rozwiązanie wysokosprawnego kotła odzyskowego (układu wymienników ciepła odpadowego), które włączone w układ regeneracji ciepła w obiegu siłowni kogeneracyjnej z czynnikiem niskowrzącym (ORC) zapewnią wysoką sprawność całkowitą wytwarzania energii elektrycznej, a także cieplnej.. Przeprowadzone zostaną obliczenia i opracowana zostanie konstrukcja kotłów. Na podstawie opracowanej dokumentacji zbudowany zostanie kocioł do pilotażowej siłowni kogeneracyjnej. Kocioł odzyskowy dla silnika spalinowego zasilanego biometanem (wytwornica pary), analizowany w ramach zadania projektowego, odbierał będzie głównie ciepło od spalin wylotowych. Czynnik niskowrzący może być podgrzewany wstępnie w układzie chłodzącym silnik, a następnie podgrzewany do temperatury nasycenia i częściowo odparowywany w kotle odzyskowym. Konstrukcja kotła zostanie dostosowana do gazów technologicznych otrzymanych w procesie spalania oraz do specyficznych potrzeb klienta. Dzięki niskiej temperaturze spalin mogą być zastosowane wymienniki ciepła o powierzchniach rozwiniętych co z kolei prowadzi do znacznego obniżenia kosztów wytwornicy pary. W układach bez kotła odzyskowego ciepło to zostałoby przekazane do otoczenia jako strata wylotowa. W proponowanym układzie sprawność produkcji energii elektrycznej może osiągnąć 45-50%. 62

62 działania: W kolejnych krokach realizacji zadania przeprowadzone zostaną następujące Analiza obliczeń cieplnych obiegu siłowni kogeneracyjnej z silnikiem spalinowym na biogaz i analiza wyników obliczeń pod kątem projektowanego kotła odzyskowego Koncepcja konstrukcji kotła odzyskowego, Obliczenia cieplne, hydrauliczne kotła odzyskowego do pilotażowej siłowni kogeneracyjnej, w której do napędu generatora zastosowano silnik spalinowy, Obliczenia wytrzymałościowe kotła odzyskowego do pilotażowej siłowni kogeneracyjnej, w której do napędu generatora zastosowano silnik spalinowy Projekt kotła odzyskowego. W ramach podetapu C przeprowadzone zostaną badania układów odzysku ciepła dla zakładów przetwórstwa biomasy. Opracowanych zostanie szereg modeli suszenia biomasy w suszarni stacjonarnej i przepływowej wykorzystującej ciepło odpadowe, tu ciepło odpadowe spalin wylotowych silników spalinowych zasilanych gazem ziemnym, biogazem lub syngazem. Prace te mają charakter podstawowy w odniesieniu do budowy instalacji pilotażowej układu kogeneracyjnego dla zakładów przetwórstwa biomasy przewidzianej w etapie 11. Etap 9. Opracowanie systemu sterowania oraz diagnostyki wielowariantowego kompleksowego systemu poligeneracyjnego opartego na silniku spalinowym oraz kotle wielopaliwowym z układem ORC W niniejszym etapie przewiduje się wykonanie następujących podetapów: A: Opracowanie projektu oraz wykonanie regulacji automatycznej układu siłowni ORC oraz układu oleju termalnego; B: Opracowanie projektu oraz wykonanie regulacji automatycznej węzła cieplnego oraz układu chłodniczego; C: Opracowanie oraz uruchomienie systemu diagnostycznego układu poligeneracyjnego w systemie rozproszonym; D: Opracowanie rozwiązania diagnostyki Gminnych Centrów Energetycznych w oparciu o rozproszony system diagnozowania układu poligeneracyjnego. Pierwsza część prac wykonywanych w ramach niniejszego etapu (Podetap A) będzie dotyczyła zagadnień opracowania układu regulacji automatycznej z kluczowym zagadnieniem, jakim jest synchronizacja prędkości obrotowej turbiny bądź ekspandera alternatywnego na poziomie regulacji parametrów cieplno-przepływowych siłowni ORC. Zrealizowany zostanie układ regulacji synchronizacji poprzez zastosowanie regulacji 63

63 zaworem pary napędowej na maszynie rozprężnej. Planuje się także powiązanie systemu regulacji automatycznej układu ORC z układem obciążenia cieplnego układu oleju termalnego (Podetap B), biorąc pod uwagę uzyskanie jak najwyższej sprawności siłowni oraz zachowanie niezbędnych parametrów ruchowym maszyny rozprężnej oraz pracy generatora pary. Z aplikacyjnego punktu widzenia opracowanie kompleksowego systemu diagnostyki systemu poligeneracyjnego, który ma tworzyć Gminne Centrum Energetyczne jest sprawą o kluczowym znaczeniu. Przewiduje się bowiem, iż system powinien pracować bez stałego nadzoru w części: układ oleju termalnego układ siłowni ORC węzeł cieplny układ chłodniczy. W ramach Podetapu C zbudowany zostanie system definiowania założeń i wymagań dla rozproszonych układów diagnozujących. Określona zostanie struktura podstawowych modułów takich układów diagnozujących oraz główne klasy działań realizowanych przez te moduły. Opracowane zostaną kody oprogramowania umożliwiającego budowanie symulatorów rozpatrywanych układów diagnozujących. Rozwinięte zostaną metody aktywnego wspomagania procesu akwizycji wiedzy dla systemów doradczych stosowanych w układach diagnozujących. Pozyskana zostanie wiedza z wielu dziedzin dotycząca działania, budowy i eksploatacji siłowni poligeneracyjnych. Z zastosowaniem opracowanego systemu wykonany zostanie projekt układu diagnostyki siłowni poligeneracyjnej. Projektowanie systemu diagnostycznego powinno być poprzedzone analizą potrzeb i odpowiednią optymalizacją założeń przeprowadzoną przy racjonalnych ograniczeniach. Brak ogólnych metod postępowania w tym zakresie. Zastosowana zostanie własna metoda formułowania założeń projektowych i konstrukcyjnych rozpatrywanego systemu bazująca na sposobach postępowania wywodzących się ze sformalizowanych metod zarządzania wymaganiami (requirements management) rozwijanych w ramach inżynierii oprogramowania. Metoda ta będzie uwzględniać również ograniczenia wynikające z analizy wykonalności (feasibility study). Zbudowany zostanie aktywny system definiowania założeń i wymagań uwzględniający specyfikę układów diagnozujących. Głównym elementem tego systemu będzie zbudowany w ramach projektu system doradczy, w którym wiedza reprezentowana będzie w postaci wielomodalnych sieci stwierdzeń. Akwizycja wiedzy dla potrzeb systemu doradczego będzie jednym z zadań projektu. Obejmie ona między innymi zagadnienia dotyczące produkcji i stosowania biopaliw, budowy i eksploatacji turbin parowych i gazowych oraz silników spalinowych stosowanych w układach poligeneracyjnych, jak również 64

64 pozostałych elementów obiegu. W projekcie K117/T10/2005 pt. Zintegrowany dynamiczny system oceny ryzyka, diagnostyki oraz sterowania dla obiektów i procesów technicznych koordynowanym przez IMP PAN, rozwinięto między innymi własną metodę reprezentowania wiedzy i wnioskowania w systemach doradczych. W wyniku prób gromadzenia wiedzy na potrzeby takiego systemu stwierdzono, że warunkiem koniecznym dla właściwego przebiegu procesu pozyskiwania wiedzy jest jego odpowiednie, adaptacyjne wspomaganie. Rozwój metod aktywnego wspomagania procesu akwizycji wiedzy będzie jednym z realizowanych zadań. Opracowane metody zostaną zastosowane w procesie budowania systemu definiowania założeń i wymagań dla układów diagnozujących. Projektowany układ diagnostyki siłowni poligeneracyjnej działającej bezobsługowo lub z ograniczoną obsługą powinien posiadać budowę modułową, zapewniającą możliwość jego konfigurowania odpowiednio do lokalnych potrzeb. Głównym zadaniem modułów będzie wstępne przetwarzanie sygnałów i ich analiza w celu uzyskania danych o wyższym stopniu relewantności ze względu na potrzeby związane z rozpoznawaniem stanu oraz zmian stanu obiektu. Wyniki takiego przetwarzania mogą być transmitowane do stacji diagnostycznej, przystosowanej do zdalnego monitorowania i diagnozowania siłowni (jednej lub kilku podobnych). Rekonfigurowalność każdego modułu oraz sieci modułów ma umożliwić ich strojenie i/lub uczenie. Odporność układu diagnozującego na błędy i uszkodzenia zapewniona zostanie przez wprowadzoną redundancję źródeł danych i modułów, za pośrednictwem których są one pozyskiwane. Elementy układu diagnostyki siłowni będą w wybranym zakresie powiązane z systemem sterowania i zabezpieczeń obiektu. Racjonalny zakres takich powiązań zostanie ustalony w czasie realizacji projektu. W zakresie budowy system diagnostycznego (Podetap D) planowane są w szczególności następujące prace: o Budowa narzędzi informatycznych wspomagających pozyskiwanie wiedzy, stosowanie systemu doradczego oraz zarządzanie bazą wiedzy; o Pozyskiwanie wiedzy dotyczącej siłowni poligeneracyjnych (zadanie będzie kontynuowane w następnych etapach). Budowanie modelu informatycznego siłowni uwzględniającego potrzeby procesu monitorowania i diagnostyki; o Opracowanie metodologii konstruowania autonomicznych modułów diagnostycznych. Ustalenie wymagań dla takich modułów. Konstruowanie modułów i sieci modułów; o Budowanie symulatora fragmentu sieci modułów. Badanie wirtualnych i/lub rzeczywistych modułów. Budowanie wirtualnej stacji diagnostycznej w zakresie niezbędnym do uruchomienia sieci modułów; 65

65 o Uruchomienie, konfigurowanie, strojenie i testowanie elementów systemu diagnostycznego. Prezentacja opracowanych metod dotyczących pozyskiwania wiedzy o systemach diagnostycznych oraz metod konstruowania takich systemów, w postaci monografii lub publikacji zbiorowej. Etap 10. Dokumentacja typoszeregu układów kogeneracyjnych na bazie silnika spalinowego, z turbiną lub mikroturbiną gazową, ORC oraz układów gazowo-parowych W niniejszym etapie przewiduje się wykonanie następujących podetapów: A: Opracowanie typoszeregu instalacji kogeneracyjnych z silnikami o ZS o mocy od 10 do 100 kwe oraz o mocy od 400 kwe do 1.5 MWe zasilanymi biogazem z biogazowni fermentacyjnej oraz gazowymi produktami pirolizy. B: Opracowanie typoszeregu instalacji kogeneracyjnych z silnikami o ZS o mocy od 10 do 100 kwe oraz o mocy od 400 kwe do 1.5 MWe zasilanymi estrami tłuszczów zwierzęcych oraz produktami fermentacji alkoholowej i ciekłymi produktami pirolizy. C: Opracowanie typoszeregu biomasowych siłowni kogeneracyjnych ORC w zakresie mocy od 0.15 do 1.5 MWe oraz biomasowych siłowni kogeneracyjnych parowych w zakresie mocy od 1 do 5 MWe. D: Opracowanie metodologii, algorytmów oraz programów obliczeń różnych struktur technologicznych turbin gazowych małej mocy zintegrowanych z biogazowniami. Ocena technologiczna i ekonomiczna dostępnych na rynku układów turbin gazowych małej mocy z uwzględnieniem ich zastosowania w systemach energetycznego wykorzystania biogazu. E: Opracowanie typoszeregu układu gazowo-parowego oraz kombinowanego gazowego/orc w zakresie mocy MWe. F: Opracowanie typoszeregu układu kogeneracyjnego z mikroturbiną gazową w zakresie mocy 10-50kWe. Niniejszy etap stanowi część podsumowującą rezultaty uzyskane we wcześniejszych etapach Bloku 1. Zasadniczym celem etapu jest opracowanie dokumentacji typoszeregu siłowni kogeneracyjnych z silnikami spalinowymi z nadbudową węzłów ciepłowniczych oraz z zastosowaniem układu ORC napędzanego ciepłem odpadowym z silnika. Jednym z istotnych elementów realizacji tego etapu jest dobór generatora elektrycznego w dwóch wersjach: jako maszyny asynchronicznej wyłącznie do współpracy z siecią, jak również alternatywnie maszyny synchroniczną do pracy na sieć i/lub autonomicznej. 66

66 Zostanie również w tym etapie przeprowadzona uproszczona analiza ekonomiczna opłacalności realizacji tego typu obiektów w skali małego Gminnego Centrum Energetycznego lub małych centrów rozproszonych (Podetap D). W wyniku przeprowadzonych badań modelowych i stanowiskowych zostanie opracowany typoszereg zespołów napędowych o podobnej konfiguracji (różniących się skalą) wraz z inteligentnymi sterownikami rozpoznającymi jakość stosowanego paliwa gazowego i dobierającymi doń właściwą, optymalną strategię sterowania układem zasilania (dawkę pilotującą, dawkę ekologiczną, główną dawkę gazu, kąt wyprzedzenia początku wtrysku). W przypadku zasilania silników napędowych agregatów kogerencyjnych paliwami płynnymi (estrami i alkoholami) sterowniki dobierać będą mapę sterowania obejmujące w/w kryteria. Zakłada się takie samo ukompletowanie i wyposażenie części napędowej agregatów bez względu na rodzaj stosowanego paliwa. Jedynie oprogramowanie sterowników zapewniać będzie właściwą pracę agregatów. Przygotowana zostanie dokumentacja konstrukcyjna opracowanych typoszeregów (Podetap A oraz Podetap B). Wykonane zostaną prototypy układów mechatronicznych silników agregatów kogeneracyjnych, optymalizacja parametrów i oprogramowania, opracowanie układów diagnostyki pokładowej agregatów kogerencyjnych dla wymienionych typoszeregów mocy elektrycznej. Opracowane zostaną konstrukcje układów zasilania (mechatroniki silnika CHP) dla wybranych typoszeregów obejmujących ilość generowanej energii. Układy te oparte będą o oryginalne (opracowane w UWM na potrzeby projektu) układy wysokociśnieniowe dawki pilotującej i toksycznie zabezpieczającej oraz o mulifunkcjonalne głowice pomiarowe składu gazów palnych (i innych) dostarczanych do silnika. W Instytucie Maszyn Przepływowych PAN zostanie opracowany typoszereg biomasowych siłowni kogeneracyjnych ORC w zakresie mocy od 0.15 do 1.5 MWe oraz parowych w zakresie mocy od 1 do 5 MWe, a także typoszereg elektrowni kogeneracyjnych w układzie kombinowanym - silnik spalinowy + układ ORC + węzeł ciepłowniczy w zakresie mocy od 0.5 do 1.5 MWe (podetapy C i E). Są to podetapy podsumowujące rezultaty uzyskane w projekcie w zakresie zastosowania technologii ORC w układach kogeneracyjnych zintegrowanych z układami wytwarzania biopaliw. Rozwój turbin gazowych małej mocy spowodował, że obecnie istnieje wiele komercyjnych układów turbin gazowych przystosowanych również do spalania biogazu z fermentacji metanowej. Układy te charakteryzują się dużą niezawodnością, niskimi kosztami eksploatacji. Ich główne wada to niższa sprawność od układów silników tłokowych. Wykorzystanie turbiny gazowej może mieć jednak ważne znaczenie w układach kombinowanych gazowo-parowych ze względu na większą ilość ciepła wysokotemperaturowego możliwą do wykorzystania. W ramach projektu w Instytucie Maszyn 67

67 i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej opracowany zostanie typoszereg maszyn i urządzeń do produkcji energii elektrycznej i ciepła z biogazu z wykorzystaniem turbin gazowych, Będzie to typoszereg urządzeń do układów gazowo parowych o mocy 0.5-2MWe (Podetap E). Typoszereg ten umożliwi optymalny dobór urządzeń i ich parametrów dla różnej wielkości układów, pracujących w różnych stanach pracy wynikających z lokalnych uwarunkowań. W rezultacie prac określone zostaną charakterystyki i algorytmy umożliwiających dobór urządzeń do instalacji w zależności od ilości dostępnego biogazu, zapotrzebowania na ciepło i energię elektryczną, warunków klimatycznych, reżimu pracy. Uzyskane charakterystyki pozwolą określić parametry termodynamiczne, ekonomiczne i ekologiczne maszyn i całych instalacji. Charakterystyki pozwolą na szybkie określenie ilości wyprodukowanej energii elektrycznej, ilości ciepła, dla różnych konfiguracji układu. Istotnym elementem uzyskanych rezultatów będzie możliwość dokonania wstępnej analizy ekonomicznej. Wyniki badań zawierać będą również wartości emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Wszystkie te elementy pozwolą uzyskać narzędzie, które w efektywny sposób pozwoli ocenić oraz wybrać odpowiednie dla lokalnych warunków konfiguracje instalacji z turbinami gazowymi. W Instytucie Maszyn Przepływowych PAN opracowana zostanie dokumentacja techniczna typoszeregu układów kogeneracyjnych z mikroturbiną biogazową w zakresie mocy 10-50kWe (Podetap F), która posłuży także do analizy ekonomicznej opłacalności budowy i eksploatacji opracowanego typoszeregu. Przedstawione zostaną charakterystyki termodynamiczne, ekonomiczne i ekologiczne mikroturbin biogazowych w układach kogeneracyjnych w zależności od ilości i jakości zasilanego biogazu. Etap 11. Budowa pilotażowego układu kogeneracyjnego z silnikiem spalinowym na syngaz dla zakładów przetwórstwa biomasy W etapie tym przewidziano budowę kontenerowego pilotażowego układu kogeneracyjnego z silnikiem spalinowym na syngaz dla zakładu przetwórstwa biomasy. Etap ten ma charakter prac rozwojowych i jest realizowany przez ENERGA SA. W pracach nad tym etapem wykorzystane zostaną wyniki prac uzyskane w bloku siłowni kogeneracyjnych, bloku zgazowania termicznego i grupie zadań związanych z oczyszczaniem biogazów. Budowany kontenerowy pilotażowy układ kogeneracyjny jest jednym z elementów docelowej instalacji zakładów przetwórstwa biomasy. W skład instalacji docelowej wchodzić będą: - zgazowarka biomasy (jest to układ zgazowujący biomasę obecnie funkcjonujący na terenie spółki zależnej od ENERGA SA), 68

68 - układ oczyszczania i uszlachetniania syngazu w celu przystosowania go do spalania w silniku spalinowym (będzie to układ oczyszczania syngazu zbudowany w ramach zadań ciej grupy tematycznej), - silnik spalinowy na syngaz wraz z generatorem o mocy elektrycznej do 0.5 MW, - układy odzysku ciepła ze spalin zgazowarki, syngazu oraz spalin z silnika spalinowego na potrzeby suszenia biomasy. Przyjmuje się, że oczyszczony syngaz podawany do silnika będzie posiadał wartość kaloryczną na poziomie 8-12 MJ/m 3. Skład syngazu generowanego ze zgazowarki przeciwprądowej oraz wymagania silnika spalinowego odnośnie czystości gazu określają poniższe tabele B2 i B3. Tab. B2. Skład syngazu generowanego ze zgazowarki przeciwprądowej Substancja CO H 2 CH 4 H 2O CO 2 N 2 % reszta Tab. B3. Wymagania czystości gazu dla silnika spalinowego Silnik gazowy Ilość cząstek mg/nm 3 < 50 Rozmiar cząstek μm < 10 Smoły mg/nm 3 < Moc silnika jest dostosowana do wydajności instalacji oczyszczania syngazu. Przy wydajności 500 m 3 /h proponuje się zainstalowanie silnika o mocy elektrycznej w zakresie 0.05MW MW i mocy cieplnej w zakresie 0.08 MW do 0.8 MW. Poniżej wymieniono kolejność prac technicznych związanych z realizacją instalacji pilotażowej: Wykonanie projektu instalacji pilotażowej ze zgazowarką, układem oczyszczania syngazu i silnikiem spalinowym Opracowanie dokumentacji technicznej instalacji pilotażowej Wykonanie instalacji pilotażowej Prace wykończeniowe Przeprowadzenie badań cieplno-przepływowych kompletnej siłowni poligeneracyjnej. Etap 12. Budowa pilotażowego układu kogeneracyjnego w Żychlinie (kocioł wielopaliwowy, układ ORC) powiązanego funkcjonalnie z koncepcją 69

69 modernizacji lokalnych ciepłowni do układów skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej Etap 12 ma charakter prac rozwojowych jest on prowadzony przez ENERGA SA. W pracach nad tym etapem wykorzystane zostaną wyniki badań podstawowych etapów Planuje się budowę instalacji pilotażowej na terenie Gminnego Centrum Energetycznego w Żychlinie. Instalacja pilotażowa obejmie kompleks kogeneracyjny, na który składają się kocioł biomasowy wielopaliwowy (moc cieplna w paliwie ok. 1.8 MWc), układ oleju termalnego jako układ odbierający ciepło spalin, układ siłowni ORC (o mocy turbogeneratora ok MWe), węzeł ciepłowniczy (o mocy cieplnej ok. 1.2 MWc), system diagnostyki i sterowania kotłem wielopaliwowym, obiegiem oleju termalnego i układem ORC oraz przyłączenie do sieci energetycznej i ciepłowniczej patrz Rys. B5 i B6. Rys. B5. Schemat ideowy układu kogeneracyjnego Rys. B6. Schemat blokowy układu kogeneracyjnego Tab. B5. Harmonogram działań inwestycyjnych i prac technicznych LP. DZIAŁANIE DATA ROZPOCZĘCIA DATA ZAKOŃCZENIA STATUS 1. Komercjalizacja koncepcji, na mocy której właściciel Ciepłowni Żychlin, ENERGA Kogeneracja - - WYKONANO 70

70 Sp. z o.o. przyjmuje kierunek modernizacji z wykorzystaniem układu ORC i kotła wielopaliwowego Ustalenie procedury administracyjno-prawnej budowy instalacji w Żychlinie Opracowanie i złożenie w Urzędzie Gminy Żychlin karty informacyjnej przedsięwzięcia w związku z budową instalacji Wybór inżyniera kontraktu jako doradcy technicznego w procesie wyboru wykonawcy instalacji i nadzoru nad jej wykonaniem Opracowanie specyfikacji zamówienia, uzyskanie zgody korporacyjnej i uruchomienie postępowania przetargowego na wybór wykonawcy instalacji Spotkania wyjaśniające z potencjalnymi wykonawcami Korekty merytoryczne w specyfikacji zamówienia po spotkaniach wyjaśniających Opracowanie i złożenie do ENERGA-OPERATOR SA wniosku o wydanie warunków przyłączenia instalacji do sieci dystrybucyjnej energii elektrycznej Opracowanie raportu oddziaływania instalacji pilotażowej na środowisko zgodnie z wymaganiem Burmistrza Gminy Żychlin Ogłoszenie finalnej wersji specyfikacji warunków zamówienia z zaproszeniem do składania ofert - - WYKONANO - - WYKONANO - - WYKONANO - - WYKONANO - - WYKONANO - - WYKONANO - - WYKONANO - - WYKONANO - - WYKONANO 71

71 11. Uruchomienie powtórnego postępowania na wybór wykonawcy instalacji - - WYKONANO w trybie bezprzetargowym 12. Uruchomienie działań mających na celu umorzenie procedury środowiskowej w związku - - WYKONANO z odmienną interpretacją przepisów przez ENERGA SA 13. Uruchomienie trzeciego postępowania na wybór wykonawcy instalacji - - WYKONANO w trybie bezprzetargowym 14. Procedura uzyskania decyzji korporacyjnych - - WYKONANO 15. Podpisanie umowy z generalnym wykonawcą - - WYKONANO wykonanie Projektu Podstawowego jako części składowej projektu budowlanego zawierającego, co najmniej schemat 16. technologiczny instalacji - - WYKONANO oraz proponowaną architekturę pozwalającą na wstępną akceptację rozwiązań przed zakończeniem prac projektowych opracowanie Projektu Budowlanego ze wszystkimi wymaganymi uzgodnieniami, Planu Bezpieczeństwa i Ochrony Zdrowia, Specyfikacje Techniczne Wykonania i Odbioru Robót Budowlanych (STWiORB), Planu Zapewnienia 17. Jakości oraz przedmiaru - - WYKONANO robót w układzie kosztorysu ślepego z podziałem na część budowlaną będącą przedmiotem oddzielnego zamówienia na roboty oraz część montażową będącą przedmiotem opisywanego tu zamówienia 18. uzyskanie ostatecznej - - WYKONANO 72

72 Decyzji o Pozwoleniu na Budowę na postawie wcześniej przygotowanego wniosku wraz z załącznikami 19. opracowanie kompletnego Projektu Wykonawczego - - WYKONANO PUK 20. dostarczenie kompletu elementów wielopaliwowego kotła - - WYKONANO biomasowego 21. montaż wielopaliwowego kotła biomasowego dostarczenie układu ORC na plac montażu montaż układu ORC wykonanie kompletnego PUK rozruch, wykonanie testów eksploatacyjnych, kalibracji i badań PUK część I rozruch, wykonanie testów eksploatacyjnych, kalibracji i badań PUK część II 26. wykonanie kompletnego Projektu Powykonawczego PUK 27. Wydanie przedmiotu zamówienia (Odbiór Końcowy) Etap 13. Budowa badawczego układu kogeneracyjnego gazowo/parowego w IMPPAN (silnik spalinowy/turbina gazowa + układ ORC, Etap 13 ma charakter prac rozwojowych prowadzonych przez IMP PAN. W pracach nad tym etapem wykorzystane zostaną wyniki badań podstawowych etapów W ramach etapu sfinalizowana zostanie budowa instalacji pilotażowej - badawczego układu kogeneracyjnego gazowo/parowego z silnikiem / turbiną gazową i układem ORC, który powstanie w IMP PAN. Przewiduje się budowę modułowej kontenerowej instalacji pilotażowej patrz Rys. B7, o dużej efektywności produkcji energii elektrycznej (40-50%) obejmującej silnik spalinowy lub turbinę gazową spalającą biogaz (moc elektryczna 0.5 MWe), pośredni obieg oleju termalnego (odbierający ciepło spalin i ciepło chłodzenia silnika/ turbiny gazowej), układ siłowni ORC z turbiną parową/silnikiem pneumatycznym na czynnik niskowrzący (o mocy turbogeneratora do 0.2 MWe), węzeł ciepłowniczy, system diagnostyki i sterowania podstawowym agregatem prądotwórczym, obiegiem oleju 73

73 termalnego i układem ORC oraz przyłączenie do sieci. Przewiduje się duże zainteresowanie takimi układami ze strony biogazowni rolniczych. Planuje się wykonanie nadbudowy podstawowego układu generacji energii elektrycznej układem ORC w dwóch wariantach: pierwszy z turbogeneratorem z turbiną parową ORC promieniowo-osiową oraz drugi z silnikiem pneumatycznym z wirującymi tłokami sprzężonym z generatorem. W ramach etapu 13 zostanie opracowana dokumentacja techniczna, dokonane zostaną zakupy oraz wytworzenie elementów instalacji pilotażowej. Istotą tego etapu jest także opracowanie szczegółowych wytycznych oraz propozycja ramowej dokumentacji technicznej w zakresie aplikacji układów kogeneracyjnych dla Gminnych Centrów Energetycznych skojarzonych z układami produkcji biogazu/biopaliw. Instalacja wraz z dokumentacją będzie stanowić podstawę rozwiązań siłowni kogeneracyjnych w postaci Gminnych Centrów Energetycznych, a także rozwiązań do pracy alternatywnej w układzie wspomagania pracy silnika spalinowego, z wykorzystaniem ciepła odpadowego jako ciepła użytkowego. 74

74 Rys. B7. Schematy wariantów instalacji kontenerowej. Etap 14. Opracowanie koncepcji modernizacji lokalnych ciepłowni małej mocy (do 50 MWt mocy zainstalowanej) do układów skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej CHP na przykładzie ciepłowni w Żychlinie. Studium wykonalności. Realizacja tego etapu związana jest ściśle z realizacją zadania 12. Opracowana zostanie koncepcja modernizacji lokalnych ciepłowni węglowych do układów kogeneracyjnych (opalanych przynajmniej w części biomasą). W ramach niniejszego etapu wykonana zostanie analiza typoszeregu proponowanych układów kogeneracyjnych z uwzględnieniem szeregu czynników, m.in. - czasowych przebiegów zapotrzebowania na ciepło, w tym dysproporcję w zapotrzebowaniu letnim i zimowym, - rozkładu przepływów w miejskiej sieci ciepłowniczej, - czasowych przebiegów temperatury otoczenia, - wzajemnych relacji pomiędzy powyższymi rozkładami. W przewidywanej koncepcji brane będą także pod uwagę prognozy zmian w zapotrzebowaniu na energię cieplną na najbliższe lata i możliwości rozwoju oraz modernizacji sieci ciepłowniczych. Przypomnijmy tu, że instalacja pilotażowa budowana w Żychlinie w ramach zadania 12 stanowić ma część obiektów ciepłowniczych pokrywając zapotrzebowanie gminy na ciepło w okresie letnim. Z uwagi na duże moce cieplne potrzebne dla pokrycia zapotrzebowania na ciepło w okresie zimowym i duże koszty budowy takiej instalacji, nie 75

75 można w ramach projektu zbudować układu ciepłowniczego, który pokryłby zapotrzebowanie na ciepło w okresie zimowym. Istnieje jednak potrzeba opracowania koncepcji, która pozwoli odpowiedzieć na pytanie, jak małe instalacje biomasowe, taka jak ta budowana w Żychlinie w ramach niniejszego projektu, wpisują się w całościowy program wymiany starych bloków ciepłowniczych. W kolejnych podetapach przygotowane zostaną: - przegląd funkcjonujących w Polsce lokalnych ciepłowni o mocy do 50MWc, - analiza możliwości konwersji ciepłowni o mocy do 50MWc na źródła kogeneracyjne, - przegląd możliwości zastosowania wybranych technologii skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w ciepłowni o mocy do 50MWc, - studium modernizacji ciepłowni w Żychlinie do układu skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej z wykorzystaniem siłowni ORC opalanej biomasą, siłowni parowej opalanej biomasą i siłowni opalanej gazem ziemnym, - adaptacja studium wykonalności modernizacji ciepłowni w Żychlinie do analizy innych ciepłowni o mocy do 50MWc, - sporządzenie warunków zamówienia dla kontraktu typu zaprojektuj i wybuduj (z ang. Engineering Procurement Construction - EPC) dotyczącego modernizacji ciepłowni w Żychlinie. Etap 15. Założenia systemowe biogazowni i mikrobiogazowni rolniczej. Optymalizacja parametrów konstrukcyjnych biogazowni i mikrobiogazowni W ramach opracowania założeń systemowych biogazowni i mikrobiogazowni rolniczej przewiduje się opracowanie następujących podetapów: A: Integracja zadań w bloku biogazowni i mikrobiogazowni rolniczej, B: Prace projektowo-konstrukcyjne biogazowni, C: Zatężanie metanu w biogazie uzyskanym podczas fermentacji i kofermentacji odpadów lignocelulozowych, D: Energetyczne wykorzystanie odpadów z biogazowni, E: Założenia do opracowania instalacji pilotazowej mikrobiogazowni o mocy 10kWe. W ramach integracji zadań przewiduje się bilansowanie ogniw technologicznych wynikających z poszczególnych zadań badawczych w projektach instalacji biogazowni i mikrobiogazowni. Przedmiotowe prace projektowo-konstrukcyjne biogazowni opierają się o badania laboratoryjne, pilotowe i prace studialno-obliczeniowe z dziedziny inżynierii procesowej. Wstępne testy zostaną wykonane w warunkach laboratoryjnych dla różnych substratów (mierniki stężeń składników biogazu, GC, GC-MS, BOD, badania mikrobiologiczne), co 76

76 pozwoli na dobór składu substratów, dla których zostaną przeprowadzone testy w biogazowi pilotowej (gdzie czasy przebywania substratów są znacznie dłuższe i bez wstępnej laboratoryjnej optymalizacji procesu, nie pozwoliłyby na zoptymalizowanie procesu w czasie określonym przez projekt, zmniejszą też koszty badań do przewidzianych dla finansowania zadania). W oparciu o wyniki doświadczeń z wykorzystaniem technik obliczeniowooptymalizacyjnych inżynierii procesowej zostaną przygotowane założenia dla powiększenia skali. W ramach prac nad zatężaniem metanu w biogazie uzyskanym podczas fermentacji i kofermentacji odpadów lignocelulozowych przewiduje się: uzupełniające studia literaturowe i ustanowienie programu we współpracy z innymi zespołami wykonującymi sprzężone elementy projektu, przygotowanie technik pomiarowych i analitycznych, zestawienie laboratoryjnego przewoźnego systemu do oczyszczania i zatężania biogazu, pobór prób i wykonanie analiz biogazu pod kątem doboru metod jego oczyszczania i zatężania, opracowanie koncepcji i dostosowanie instalacji membranowej do prowadzenia procesu na bioreaktorze, prowadzenie badań w małej skali na pracującym bioreaktorze, opracowanie założeń procesowych dla powiększania skali. Wyposażenie instalacji pilotażowej reaktora mikrobiogazowni, w niezbędne elementy umożliwiające prowadzenie procesu fermentacji metanowej oraz sterowanie i monitorowanie. Przeprowadzenie badań w skali ułamkowo-technicznej fermentacji metanowej odpadów rolniczych pochodzenia zwierzęcego i roślinnego a także biomasa roślin w stanie surowym lub zakonserwowana. Opracowanie założeń integracji biogazowni z jednostką kogeneracyjną. Wykonanie projektu procesowego instalacji rolniczej biogazowni. W projekcie planuje się biogazownię pracującą w warunkach stacjonarnych, której produkty byłyby wykorzystywane głównie jako źródło energii elektrycznej. Otrzymana energia cieplna i elektryczna byłaby wykorzystana na potrzeby własne. Nadmiar energii elektrycznej mógłby być sprzedany do sieci energetycznej co stanowiłoby dodatkowe źródło dochodu rolnika. Planuje się uzyskać taką ilość biogazu, która dałaby energię elektryczną o mocy około 10 kw i 30 kw mocy cieplnej. 77

77 Etap 16. Pilotażowa mikrobiogazownia fermentacyjna W odniesieniu do mikrobiogazowni fermentacyjnej, budowa instalacji stanowi etap finalizujący prace wykonane w etapie 15, gdzie opracowane zostaną założenia systemowe oraz optymalizacja parametrów biogazowni i mikrobiogazowni rolniczej. Efektem realizacji prac w ramach niniejszego zadania jest opracowanie dokumentacji technicznej i budowa instalacji pilotażowej mikrobiogazowni fermentacyjnej o mocy kwe z silnikiem spalinowym z kogeneracją (nadbudowany węzłem ciepłowniczym) na biogaz. Mikrobiogazownia taka zostanie opracowana przez zespół z UMW i PG oraz PŚl. Rys. B8. Schemat koncepcyjny pilotażowej mikrobiogazowni CHP Zakłada się tu rozbicie procesu technologicznego na ogniwa i zestawienie trzech pilotażowych mikrobiogazowni pracujących z różnym substratem. W zależności od specyfiki procesu technologicznego modyfikowana będzie konfiguracja modułów biogazowni. Projekty mikrobiogazowni będą uwzględniały jednostkę CHP. Planuje się także rozwinięcie prototypowej instalacji pilotowej mikrobiogazowni o moduły umożliwiające prowadzenie procesu fermentacji substratu z różnych odpadów organicznych. Planuje się opracowanie szczegółowej dokumentacji technicznej, stanowiącej podstawę do realizacji technicznej finalnej instalacji pilotażowej, która powstanie w Olsztynie. W niniejszym zadaniu wykorzystane zostaną także wyniki prac z etapu 1 nad przystosowaniem układu zasilania i sterowania zapłonem silnika spalinowego do spalania biogazu i gazu syntezowego. 78

78 Etap 17. Pilotażowa mikrobiogazownia pirolityczna Reaktor zgazowania biomasy wraz z silnikiem spalinowym i wymiennikiem ciepła tworzy instalację pirolitycznego przetwarzania biomasy w energię elektryczną i ciepło (rys. B9). Moc elektryczna uzyskiwana w generatorze prądu elektrycznego jest w zakresie 10-20kWe. Jest to moc o rząd wielkości mniejsza, niż w zadaniach dotyczących mini bloków CHP. Tak niska moc mikrobiogazowni powoduje, że koszty prowadzenia prac badawczych i optymalizacyjnych są niewielkie. Pozwala to wykonywać wielowariantowe próby w instalacji z różnymi rodzajami biomasy. Rys. B9. Schemat koncepcyjny pilotażowej mikrobiogazowni pirolitycznej wraz z układem skojarzonej produkcji energii elektrycznej i ciepła. W ramach tego zadania przewiduje się wykonanie następujących prac: A. Analiza procesu zgazowania biomasy w różnych warunkach termicznych dla różnych rodzajów wsadu. B. Konstrukcja reaktora zgazowującego małej mocy wraz z układem oczyszczania gazu. C. Integracja reaktora z silnikiem spalinowym i wymiennikiem ciepła. D. Optymalizacja elementów instalacji i procesu zgazowania. Prace teoretyczne dotyczące procesu zgazowania biomasy w reaktorze zostaną wykonane by wesprzeć i przyspieszyć prace eksperymentalne. Ze względu na trudne warunki występujące w reaktorze (wysoka temperatura, niejednorodny wsad) pomiary fizykochemiczne są możliwe tylko w ograniczonym zakresie, dlatego modelowanie numeryczne daje dodatkowe informacje dotyczące przebiegu procesu, przyspiesza prace analityczne i projektowe. 79

79 Budowa i badanie mikro reaktora zgazowującego biomasę stanowi podstawową część tego zadania. Ponieważ urządzenie ma być w powszechnym użytku, jego konstrukcja powinna być prosta, a koszty wytwarzania niewysokie. Duża zawartość smoły to podstawowy problem w uzyskaniu gazu generatorowego nadającego się do stosowania z silnikach spalinowych. Istotnym problemem jest także wartość opałowa gazu. Zgazowanie biomasy jest prostsze, niż jego piroliza, ale wartość kaloryczna takiego gazu jest zdecydowanie niższa ze względu na rozcieńczenie powietrzem. Z tego powodu dążyć się będzie do uzyskania gazu o niskiej zawartość smoły i jednocześnie wysokiej wartości opałowej. Prace w tym etapie badań będą konsultowane z IChPW. Reaktor będzie pracował w trybie ciągłym, a surowcem będzie powszechnie dostępna biomasa ligno-celulozowa. Wsad użyty w procesie to sucha i rozdrobniona biomasa. Opracowany zostanie układ transportu biomasy, tak by zapewnić bezawaryjną i nieprzerwana pracę w warunkach wysokotemperaturowych. Układ będzie szczelny w celu zapewnienia bezpieczeństwa pracy urządzenia. Instalacja zostanie wyposażona w układ oczyszczania gazu z pyłu i smoły, aby spełniał on wymagania silnika spalinowego. Sprawdzone zostaną metody mechanicznego i chemicznego oczyszczania gazów. W tej części pracy wykorzystane zostaną metody mokrego oczyszczania z polem elektrostatycznym. Mikrobiogazownia pirolityczna powstanie w IMP PAN, a przy jej konstrukcji wykorzystane zostaną doświadczenia projektowe i eksploatacyjne istniejącej już zgazowarki wsadowej. Integracja reaktora z silnikiem i wymiennikiem ciepła to kolejny etap pracy, w trakcie którego nastąpi połączenie tych elementów w jedno urządzenie. W tym zadaniu wykorzystane zostaną doświadczenia grup zajmujących się silnikiem (UWM) i wymienników ciepła (IMP). Istotnym problemem jest uzyskanie stabilnych warunków pracy całego układu, czemu posłuży układ sterowania. Zakończenie integracji składowych instalacji pozwoli przeprowadzić optymalizację pracy reaktora zgazowującego pod kątem jakości gazu generatorowego (skład, wartość opałowa). Wykonana zostanie optymalizacja pracy całego układu, z uwzględnieniem różnych kryteriów, takich jak m.in. maksymalna moc elektryczna, temperatura wejścia/wyjścia w wymienniku ciepła. W wyniku realizacja tego powstanie szczegółowa dokumentacja techniczna, stanowiąca podstawę do realizacji technicznej finalnej instalacji pilotażowej z silnikiem spalinowym wyposażonym w specjalny układ zasilania i sterowania zapłonem przystosowany do spalania gazu generatorowego z nabudowany węzłem ciepłowniczym. Etap 18. Badania zgazowania wybranych gatunków biomasy w reaktorze ze złożem stałym (GAZELA) w skali 20kg/h W ramach niniejszego etapu przewiduje się wykonanie następujących podetapów: 80

80 A: Badania zgazowania wybranych gatunków biomasy w reaktorze ze złożem stałym w skali 20kg/h, B: Badania operacji jednostkowych oczyszczania surowego gazu ze zgazowania biomasy w reaktorze ze złożem stałym w skali 20kg/h, C: Badania oczyszczania surowego gazu ze zgazowania biomasy w układzie zintegrowanym. Celem prac badawczych z zakresu zgazowania biomasy w prototypowej instalacji o mocy ~80kW będzie dopracowanie konstrukcji reaktora i jego osprzętu dla osiągnięcia optymalnych parametrów ruchowych i umożliwienia prowadzenia procesu zgazowania różnych rodzajów biomasy z wyeliminowaniem problemów eksploatacyjnych. IChPW planuje wykonać następujące prace w zakresie badania procesu zgazowania biomasy: 1. Analiza dostępności i szczegółowa charakterystyka właściwości fizykochemicznych wybranych gatunków biomasy (IChPW opracowało jako jeden z pierwszych krajowych ośrodków własne procedury analityki biomasy wykorzystywanej do celów energetycznych). 2. Testy zgazowania wybranych gatunków biomasy w ruchu ciągłym (prowadzone będą długotrwałe testy zgazowania różnych rodzajów biomasy w reaktorze ze złożem stałym o mocy ~80kW; zweryfikowana zostanie poprawność funkcjonowania poszczególnych układów reaktora układu dozowania paliwa, układów dozowania mediów technologicznych, wymurówki reaktora, układu odbioru gazu, wykonane zostaną wszelkie niezbędne przeróbki dla dopracowania ostatecznej konstrukcji układu zgazowania). 3. Optymalizacja parametrów procesowych reaktora zgazowania dla produkcji surowego gazu o najkorzystniejszych właściwościach (w układzie o finalnie zdefiniowanej konstrukcji prowadzone będą testy ruchowe mające na celu dobór odpowiednich parametrów procesowych dla wytwarzania gazu o najbardziej pożądanych parametrach jakościowych z punktu widzenia jego dalszego oczyszczania i wykorzystania go w silniku gazowym; wytwarzany gaz musi charakteryzować się przede wszystkim możliwie niską zawartością wyższych węglowodorów). 4. Badania właściwości fizykochemicznych produktów zgazowania (badania te będą miały na celu ocenę jakości wytwarzanych produktów gazu, produktów ciekłych oraz popiołu i karbonizatu, co z punktu widzenia charakterystyki jakościowej gazu - pozwoli na podejmowanie decyzji o koniecznych zmianach parametrów procesu, ale biorąc pod uwagę pozostałe produkty, umożliwi także wskazanie ich potencjalnych zastosowań). 81

81 Celem prac badawczych z zakresu oczyszczania gazu ze zgazowania biomasy będzie dobór właściwych komponentów układu wraz z niezbędną modyfikacją ich konstrukcji. Bazując na posiadanym, bogatym doświadczeniu oraz dysponując instalacjami do prowadzenia badań w skali wielkolaboratoryjnej (w tym instalacją zgazowania biomasy o mocy ~80kW), IChPW zamierza przeprowadzić następujące prace w zakresie badania operacji jednostkowych oczyszczania gazu ze zgazowania biomasy: 1. Badania wpływu wysokości strefy dozowania powietrza i odbioru gazu, a także innych parametrów procesowych na zawartość pyłów oraz smoły w surowym gazie (przeprowadzenie tych badań umożliwia specyficzna, prototypowa konstrukcja reaktora zgazowania biomasy, opracowana w IChPW). 2. Badania termokatalitycznej konwersji wyższych węglowodorów (smół) zawartych w surowym gazie z wykorzystaniem instalacji z inertną membraną ceramiczną (badania te prowadzone będą z wykorzystaniem prototypowej instalacji będącej w dyspozycji IChPW; w trakcie badań zostaną wyselekcjonowane najodpowiedniejsze katalizatory do zastosowania w termicznej konwersji smół prowadzonej w reaktorze z inertną membraną ceramiczną). 3. Testy skuteczności zastosowania elektrofiltrów do odpylania i usuwania aerozoli z surowego gazu ze zgazowania biomasy. 4. Badania sprawności wstępnego odpylania surowego gazu w cyklonie. 5. Badania wpływu parametrów procesowych (temperatura gazu, temperatura mediów chłodzących, natężenia przepływu czynników) na szybkość przeponowego chłodzenia gazu oraz efektywność kondensacji zanieczyszczeń aerozolowych surowego gazu. 6. Badania głębokiego odpylania cząstek submikronowych z wykorzystaniem filtra z przegrodą filtracyjną. 7. Badania skuteczności usuwania składników kwaśnych i zasadowych gazu z wykorzystaniem adsorberów ze złożem stałym oraz przesuwnym: 8. Dobór/przygotowanie odpowiednich sorbentów dla maksymalizacji skuteczności usuwania składników kwaśnych i zasadowych z oczyszczanego gazu. W ramach niniejszego etapu opracowana zostanie finalna konfiguracja instalacji oczyszczania gazu. Wykonane zostaną także optymalizacyjnych testy dla doboru najkorzystniejszych warunków jej pracy. Dobrane parametry operacyjne instalacji oczyszczaniu gazu powinny pozwolić na uzyskanie poziomu oczyszczenia gazu umożliwiającego jego zastosowanie w zasilaniu silnika gazowego napędzającego generator energii elektrycznej. Planuje się także przeskalowanie układu do skali pilotowej i wykonanie projektu instalacji. 82

82 Etap 19. Budowa i rozruch instalacji pilotowej zgazowania biomasy w złożu stałym (GAZELA) Celem prac jest budowa instalacji pilotowej zagazowania biomasy w skali ~ kWe, wybudowanej przy współpracy z firmą SYNGAZ Sp z o.o. w Świętochłowicach. W ramach niniejszego etapu IChPW zamierza przeprowadzić następujące prace: - Długotrwałe testy zgazowania biomasy w instalacji pilotowej optymalizacja procesu oraz układu sterowania, - Optymalizacja układu oczyszczania gazu dla uzyskania pożądanego poziomu zawartości zanieczyszczeń. Etap 20. Optymalizacja produkcji energii elektrycznej i ciepła ze zgazowania biomasy w skali pilotowej oraz ocena opłacalności wdrożenia technologii i jej wpływu na środowisko Celem tego zadania jest przeprowadzenie badań optymalizacyjnych pracy silnika gazowego sprzężonego z generatorem energii elektrycznej oraz węzła odzysku ciepła z instalacji pilotowej w skali ~ kWe. Ponadto planowane jest dokonanie oceny konkurencyjności rynkowej opracowanej technologii w porównaniu do innych rozwiązań, a także dokonanie oceny jej potencjalnego wpływu na środowisko naturalne. Przeprowadzona analiza opłacalności wdrożenia pozwoli odpowiedzieć na pytanie, czy warto zaangażować środki finansowe w zgazowanie biomasy w opracowanym układzie technologicznym, a także pozwoli określić, jakie ryzyko związane jest z realizacją tego przedsięwzięcia. Umożliwi ona również zdefiniowanie najbardziej optymalnego wariantu realizacji inwestycji. Ocena wpływu na środowisko oprócz standardowych analiz - pozwoli również uzyskać informacje, dzięki którym możliwe będzie wyeliminowanie wszystkich potencjalnych zagrożeń związanych z komercjalizacją technologii. Etap 21. Modyfikacja i optymalizacja małoskalowego procesu zgazowania IEn (KAJOT) do zasilania stosu ogniw paliwowych 2.5kWe Celem etapu jest adaptacja istniejącego układu zgazowania do zasilania stosu ogniw paliwowych o mocy 2.5kWe (ok. 10kW w paliwie). Zakres prac obejmuje: Badania modelowe procesu zgazowania w skali 10kW w paliwie. Projekt i wykonanie adaptacji istniejącego układu zgazowania KAJOT do zasilania stosu ogniw paliwowych o mocy 2.5kWe. 83

83 Adaptację linii oczyszczania gazu ze zgazowania biomasy do zasilania stosu ogniw paliwowych o mocy 2.5kWe. W niniejszym etapie opracowana zostanie także technologia zgazowania biomasy i odpadów biodegradowalnych do zasilania stosu ogniw paliwowych o mocy 2.5kW. Zakres prac obejmuje: Optymalizację procesu zgazowania oraz systemu sterowania. Opracowanie metody linii oczyszczania gazu ze zgazowania biomasy (KAJOT) do zasilania ogniw paliwowych. Optymalizację układu zgazowania i oczyszczania gazu. Etap 22. Aplikacja procesu zgazowania (KAJOT) w skali ok. 800kW Celem etapu jest zbadanie skalowalności technologii zgazowania (KAJOT) do skali ok. 800kW. Przewidziane zadania to: Modyfikacja istniejącej instalacji zgazowania o mocy 800kW do prowadzenia procesu zgazowania biomasy w kierunku zastosowania produktu gazowego w ogniwach paliwowych. Testy procesu zgazowania KAJOT w skali ok. 800kW. Opracowanie linii oczyszczania gazu z pyłu i smół. Etap 23. Analiza i charakterystyka energetyczna wywaru gorzelnianego jako paliwa oraz dobór sposobu obniżenia jego wilgotności przegląd rozwiązań technicznych i technologicznych. Analiza i charakterystyka popiołu powstającego w wyniku spalania wywaru gorzelnianego pod kątem jego wpływu na proces i urządzenia technologiczne np. szlakowanie, korozja i inne, oraz pod kątem sposobu jego zagospodarowania Celem etapu badawczego Politechniki Wrocławskiej jest wyeliminowanie lub zdecydowane ograniczenie zużycia paliwa kopalnego przy produkcji bioetanolu, poprzez uzyskanie niezbędnej energii cieplnej i elektrycznej ze spalania wytwarzanego w tym procesie bio-odpadu. Dla osiągnięcia powyższego celu PWr zamierza wykonać następujące prace: Analiza i charakterystyka energetyczna wywaru gorzelnianego jako paliwa oraz dobór sposobu obniżenia jego wilgotności; Przegląd rozwiązań technicznych i technologicznych oczyszczania gazu ze zgazowania biomasy; Analiza stanu wiedzy teoretycznej chemicznych podstaw zgazowania biomasy; 84

84 Analiza i charakterystyka popiołu powstającego w wyniku spalania wywaru gorzelnianego pod kątem jego wpływu na proces i urządzenia technologiczne (szlakowanie, korozja, oblepianie powierzchni komory spalania) oraz pod kątem sposobu jego zagospodarowania. Etap 24. Badania procesu oraz optymalizacja zgazowania wywaru gorzelnianego w instalacji pilotowej. Opracowanie projektu technologicznego oraz analizy techniczno-ekonomicznej procesu wykorzystania energetycznego wywaru gorzelnianego W ramach niniejszego etapu przewiduje się następujące prace: Opracowanie projektu badawczej instalacji pilotowej do energetycznego wykorzystania wywaru gorzelnianego, w małej skali technicznej. Przeprowadzenie badań na instalacji pilotowej. Dobór w skali laboratoryjnej metody i warunków oczyszczania gazu ze zgazowania wywaru gorzelnianego. Optymalizacja procesu zgazowania w instalacji pilotowej. Zbadanie maksymalnej i minimalnej trwałej wydajności instalacji. Opracowanie projektu technologicznego procesu wykorzystania energetycznego wywaru gorzelnianego. Opracowanie założeń technologicznych dla procesu oczyszczania gazu ze zgazowania odpadu gorzelnianego. Wykonanie analizy techniczno-ekonomicznej dla zastosowania technologii energetycznego wykorzystania wywaru gorzelnianego. Etap 25. Dokumentacja typoszeregu + instalacja pilotażowa układu zgazowania i siłowni kogeneracyjnej zasilanej gazem generatorowym uzyskanym ze zgazowania pirolitycznego odpadów komunalnych i ściekowych W niniejszym etapie przewiduje się wykonanie następujących podetapów: A: Opracowanie i optymalizacja układu cieplnego instalacji kogeneracyjnej małej mocy zasilanej gazem generatorowym uzyskanym ze zgazowania pirolitycznego odpadów komunalnych i ściekowych w konfiguracji podstawowej z silnikiem spalinowym, jak i z układem ORC, 85

85 B: Opracowanie typoszeregu siłowni kogeneracyjnej o mocy kwe zasilanej gazem generatorowym uzyskanym ze zgazowania pirolitycznego odpadów komunalnych i ściekowych, C: Budowa instalacji pilotażowej w skali kwe. Analiza ekonomiczna opłacalności budowy i eksploatacji opracowanego typoszeregu. Celem proponowanych zadań jest opracowanie typoszeregu instalacji kogeneracyjnej o mocy od 250 do 500 kwel, która będzie wykorzystywać energię zawartą w paliwach odnawialnych jak również w odpadach komunalnych oraz osadach ściekowych. Podstawowa instalacja składać się będzie z generatora zgazowania pirolitycznego i instalacji oczyszczania gazu, silnik spalinowy przystosowany do spalania gazu generatorowego napędzający generator prądu. Ciepło odpadowe zostanie wykorzystane do celów technologicznych lub użytkowych. W konfiguracji rozbudowanej, w celu podniesienia sprawności procesu, ciepło odpadowe będzie mogło być zagospodarowane poprzez zastosowanie układu ORC z turbinka parową. W alternatywnym rozwiązaniu ciepło odpadowe może zostać wykorzystane do produkcji, z pozyskanej dla instalacji mieszaniny biomasy i odpadów organicznych, biopaliwa drugiej generacji. Założeniem jest przetwarzanie biomasy składającej się np. z pędów wierzby, zrębków, trocin, słomy połączonej z osadami ściekowymi i miejskimi odpadami organicznymi. W ten sposób rozwiązany zostanie również problem zagospodarowania odpadów z procesu zgazowania. Przeprowadzona zostanie analiza źródeł biomasy i odpadów biodegradowalnych na przykładzie regionu częstochowskiego uzupełniona analizą ekonomiczną kosztów pozyskania, transportu i ew. oszczędności związanych z utylizacją. Analiza ta pozwoli min. ocenić przedział mocy jednostkowej instalacji. Równolegle prowadzone będą prace projektowe, w tym zwłaszcza: identyfikacja i dobór urządzeń obiegu cieplnego z punktu widzenia technologicznego, identyfikacja kluczowych, punktu widzenia sprawności energetyczno-egzegetycznej, zmiennych procesowych. ustalenie zakresów zmian parametrów procesowych. Następnie przeprowadzona zostanie analiza optymalizacyjna układu przy wykorzystaniu modułu optymalizacyjnego pakietu MATLAB zintegrowanego z oprogramowaniem symulacyjnym IPSEpro firmy SimTech. Za główne kryterium optymalizacji przyjęta zostanie całkowita sprawność energetyczno-egzergetyczna analizowanego układu cieplnego. Analizie optymalizacyjnej poddane zostaną zarówno układ cieplny w konfiguracji podstawowej jak i rozbudowanej o układu ORC z turbiną parową, lub też o układ do uzdatniania mieszaniny biomasy i odpadów organicznych z przeznaczeniem do produkcji biopaliwa drugiej generacji. W ten sposób rozwiązany zostanie również problem 86

86 zagospodarowania odpadów z procesu zgazowania. Analizie optymalizacyjnej poddane zostaną układy o kilku mocach wyjściowych. Badania na stanowisku o pomniejszonej skali w Instytucie Badawczo- Wdrożeniowym Maszyn Sp. z o.o. w Olsztynie k/częstochowy. Badania te dotyczyć będą: określenia dopuszczalnego udziału biodegradowalnych odpadów komunalnych i osadów ściekowych w przetwarzanej biomasie, analizy wpływu udziału biodegradowalnych odpadów komunalnych na wartość opałową gazu generatorowego, analizy efektywności procesu z i bez układu do produkcji biopaliw stałych drugiej generacji, analizy wpływu wilgotności wsadu do gazogeneratora na proces gazyfikacji, analizy wpływu zawartości w biomasie chloru na tworzenie się dioksyn i furanów w procesie zgazowania, analizy sprawności procesu i porównaniu wyników z wynikami badań optymalizacyjnych. Ostatecznym efektem zadań będzie koncepcja typoszeregu prototypowej instalacji kogeneracyjnej o mocy od 250 do 500 kwe zoptymalizowana cieplnie i technologicznie oraz przetestowana na instalacji pilotowej w pomniejszonej skali do 100 kwe, przewidzianej do realizacji w ramach niniejszego etapu. Instalacja ta będzie przeznaczona do pozyskiwania energii z odpadów komunalnych i ściekowych. Etap 26. Badania i rozbudowa zintegrowanego układu zagospodarowania energetycznego trudno utylizowalnych odpadów zwierzęcych Uniwersytet Warszawski przewiduje wykonanie następujących podetapów: A: Badania eksperymentalne składu gazów oraz procesu spalania gazu w zintegrowanym układzie zagospodarowania energetycznego trudno utylizowalnych odpadów zwierzęcych, B: Modelowanie procesu spalania syngazu w komorze spalania zgazowarki, Z kolei UWM zamierza podjąć się realizacji następujących podetapów w celu finalizacji budowy pilotażowej linii do przetwarzania biomasy odpadowej z wykorzystaniem układu zgazowania tlenowo-parowego: C: Badania nad przystosowaniem układu zgazowania do zasilania tlenowo-parowego oraz opracowanie dokumentacji projektowej i wykonania instalacji prototypowej, D: Badania nad separacją tlenu z powietrza metodą membranową; opracowanie dokumentacji projektowej i budowa instalacji prototypowej, 87

87 E: Badania i opracowanie dokumentacji projektowej przystosowania tłokowego silnika spalinowego do zasilania gazem generatorowym, F: Badania zintegrowanych elementów zbudowanej prototypowej instalacji; opracowanie algorytmów sterowania oraz próby ruchowe instalacji pilotażowej. W Polsce coraz częściej budowane są przemysłowe instalacje utylizujące odpady biomasowe poprzez ich zgazowanie. Dodatkowo wytwarzane jest ciepło poprzez spalanie produkowanego gazu syntezowego w komorze spalania. Ekonomika takich instalacji, jak dotąd, opiera się przede wszystkim na korzyści z utylizacji odpadów i bardzo zależy od zminimalizowania kosztów oczyszczania gazów wylotowych, których skład bardzo zależy od parametrów gazu i szczegółów procesu spalania. Proponowane przedsięwzięcia Uniwersytetu Warszawskiego mają na celu zaproponowanie rozwiązań umożliwiających w przyszłości połączenie instalacji zgazowującej z siłownią kogeneracyjną, co zasadniczo podniosłoby ekonomiczną opłacalność tej przyjaznej środowisku metody utylizacji odpadów zapewniając jednocześnie pożyteczne źródło energii. Firma MTF Sp. z o.o. (Partner przemysłowy) umożliwi dostęp do istniejących i aktualnie działających przemysłowych instalacji zgazowujących swojego projektu, na których będą wykonywane proponowane badania. Przewiduje się następujące działania: Pomiar składu gazu wytwarzanego w istniejącej zgazowarce przemysłowej (w tym wykonanie niezbędnej do tego pomiaru modyfikacji istniejącej instalacji przemysłowej); Pomiar chemicznych i fizycznych parametrów produktów spalania gazu syntezowego (w tym wykonanie niezbędnej do tego pomiaru modyfikacji istniejącej instalacji przemysłowej), Stworzenie numerycznego modelu spalania w komorze spalania instalacji utylizującej odpady biomasowe; Kompleksowa analiza, metodami uczenia maszynowego, danych uzyskanych z pomiarów spalania gazu syntetycznego wytwarzanego w zgazowarkach (paliwo drugiej generacji pochodzące z utylizacji odpadów biomasowych) pod kątem optymalizacji emisji zanieczyszczeń (minimalizacja kosztów oczyszczania gazów wylotowych lub całkowite wyeliminowanie ich oczyszczania); Zdefiniowanie trudności przy konstrukcji układów oczyszczania gazu współpracujących w warunkach przemysłowych z układami do zgazowania Zbadanie warunków wykorzystania gazu syntezowego produkowanego w istniejących zgazowarkach przemysłowych jako paliwa w turbinie gazowej lub silniku spalinowym układu kogeneracyjnego (w tym ustalenie parametrów procesu oczyszczania i wybór odpowiedniej technologii); 88

88 Ustalenie optymalnych warunków procesu spalania w istniejących instalacjach zgazowujących odpady biomasowe pod kątem instalowania w nich układów ciepłowniczych układów CHP ORC, Szczegółowa analiza wpływu instalacji zgazowania na środowisko, Określenie zakresu zmian konstrukcyjnych urządzeń do zgazowania wymaganych dla sprzęgnięcia ich z systemami oczyszczania gazu, Analizę odpadów powstałych w procesach oczyszczania gazów, Ocena niezawodności pracy i problemów eksploatacyjnych takich rozwiązań, Współpraca z innymi Partnerami przy wykonaniu projektu układu zgazowania i układu oczyszczania. Projektowana linia technologiczna Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego będzie przetwarzała biomasę odpadową, która charakteryzuje się dużym poziomem wilgoci (50% 70%). Linia pilotażowa będzie więc również zintegrowana z istniejącym układem osuszania biomasy, w którym czynnikiem suszącym będą spaliny z układu kogeneracyjnego oraz ciepło z chłodzenia układu silnika. Wykonana zostanie kompletna linia technologiczna produkcji energii w skojarzeniu z zastosowaniem zgazowania tlenowo-parowego. Opracowana zostanie instalacja separacji tlenu z powietrza atmosferycznego jest niezbędna do wyeliminowania balastu azotowego z gazu generatorowego, a co za tym idzie znacznego zmniejszenia generacji NO x w układzie kogeneracyjnym. Zbudowany zostanie także węzeł oczyszczania gazu generatorowego, niezbędny w celu usunięcia substancji smolistych, cząstek aerozolowych, metali alkalicznych, siarki, chloru z gazu generatorowego. Substancje te powodują korozję elementów układu, zapychanie filtrów oraz formowanie depozytów. Niezbędna jest też budowa układu membranowego oczyszczania odcieków poprocesowych w celu uzdatnienia dużej ilości wody procesowej zużywanej na chłodzenie i oczyszczanie gazu generatorowego oraz innych odcieków powstających w instalacji. Etap 27. Opracowanie wysokosprawnego układu poligeneracyjnego zintegrowanego ze zgazowaniem biomasy i wykorzystaniem ciepła odpadowego wraz z analizą efektywności energetycznej i ekonomicznej dla różnych układów technologicznych m.in. elektrociepłowni, pieca obrotowego w cementowni i in. Przemysł cementowy należy do grupy przemysłów charakteryzujących się dużą energochłonnością i uciążliwością dla środowiska. W związku z tym przemysł ten w ostatnim okresie aktywnie włączył się do realizacji polityki efektywnego gospodarowania paliwami 89

89 i energią, zgodnie ze strategią zrównoważonego rozwoju. Działalność taka ukierunkowana jest głównie na: - zwiększenie udziału w produkcji odnawialnych i alternatywnych źródeł energii, - promowanie efektywnego użycia energii, - zmniejszenie szkodliwego oddziaływania na środowisko procesów wytwarzania i użytkowania paliw i energii. Zasadniczy wpływ na wysoką energochłonność produkcji cementu ma proces wypalania klinkieru. Rozwój nowych technik wypalania metodą suchą w piecach obrotowych z wielostopniowym cyklonowym wymiennikiem ciepła, pozwolił na znaczne obniżenie zużycia ciepła. Jednak w dalszym ciągu o niskiej sprawności tego procesu decydują wysokie straty ciepła odpadowego z gazami odlotowymi i z powietrzem nadmiarowym z chłodnika. Jak pokazano na wykresie Sankey a (Rys. B10a) stanowią one ponad 30% całkowitego ciepła dostarczonego do procesu wypalania klinkieru. W zależności od wydajności pieców straty te wynoszą od MW. Rys. B10a. Bilans cieplny pieca cementowego i sposoby wykorzystania entalpii odpadowej Celem prac jest poprawa sprawności energetycznej procesu wypalania klinkieru w piecu obrotowym poprzez nadbudowę agregatami kogeneracyjnymi zintegrowanymi z wykorzystaniem entalpii odpadowej oraz biomasy. Planowane rezultaty wynikające z wprowadzenia kogeneracji w cementowni będą uzależnione od zastosowanego sposoby. Dla wariantu ograniczonego tylko do wykorzystania ciepła odpadowego w układzie ORC zakłada się w zależności od wydajności pieca, produkcję energii elektrycznej o mocy od 1,0MWe do 4,5 MWe oraz ciepła 3-8MWt. Do efektów wprowadzenia kogeneracji należy zaliczyć ograniczenie emisji CO 2 (od t/r), która wynika z emisji jaka wystąpi przy produkcji tej ilości energii w elektrowni węglowej. Natomiast w wariancie ze zgazowaniem biomasy lub innych odpadów uzyska się dodatkowy przerost ok.50% ilości wyprodukowanej 90

90 energii elektrycznej (turbina gazowa o mocy 2 MW) oraz możliwość zwiększenia udział odpadów w procesie wypalania, kosztem zmniejszenia zużycia paliwa nieodnawialnego. Schemat technologiczny pilotażowej instalacji wykorzystania entalpii odpadowej wraz z układem zgazowania i spalania biomasy do wytwarzania energii elektrycznej, ciepła oraz zimna przedstawiono na Rys. B10b. W proponowanym rozwiązaniu w instalacji pieca cementowego wykorzystuje się w sposób kompleksowy dwa źródła czystej energii: - entalpię odpadową z gazów odlotowych i z powietrza nadmiarowego chłodnika klinkieru, - entalpię zgazowania i spalania biomasy oraz innych odpadów Powyższe źródła wykorzystywane są w systemach zintegrowanych z prądotwórczymi agregatami kogeneracyjnymi entalpia odpadowa z układem ORC, entalpia biomasy z układem silnika/turbiny gazowej. Oba systemy zintegrowane mogą pracować oddzielnie bądź też wspólnie. Rys. B10b. Schemat technologiczny instalacji odzysku entalpii odpadowej wraz z układem zgazowania biomasy w układach kogeneracji dla pieca cementowego W systemie bazującym na entalpii odpadowej z pieca cementowego, niewykorzystana część gazów odlotowych oraz powietrze nadmiarowe chłodnika kierowane są do olejowego kotła odzyskowego. Gazy odlotowe z tego kotła, przed oczyszczeniem i wprowadzeniem do atmosfery, wykorzystane są jeszcze w ekonomizerze do podgrzewania wody z instalacji ORC. Termoolej kierowany jest do parownika pentanu w układzie ORC, w którym wytwarzany jest prąd elektryczny oraz ciepło (OC) i zimno (OZ), wykorzystywane przez cementownię na potrzeby własne. W systemie bazującym na zgazowaniu i spalaniu biomasy uzyskany w reaktorze syngaz kierowany jest częściowo do pieca a częściowo do olejowego kotła odzyskowego. Podgrzany tutaj wstępnie olej przepływa do kolejnego kotła odzyskowego, pracującego 91

91 w systemie entalpii odpadowej. Tak więc w przypadku pracy obu systemów zintegrowanych termoolej podgrzewany jest dwustopniowo, zanim zostanie skierowany do układu ORC. Schłodzony a następnie odpylony syngaz podawany jest do agregatu prądotwórczego w układzie z silnikiem lub turbiną gazową. Entalpia odpadowa syngazu wykorzystywana jest w kotle odzyskowym pracującym w systemie entalpii odpadowej z pieca obrotowego. W ramach proponowanego etapu przeprowadzona także zostanie analiza efektywności energetycznej i ekonomicznej różnych technologii zgazowania i pirolizy biomasy oraz różnych układów technologicznych elektrociepłowni zintegrowanych ze zgazowaniem biomasy. W poszczególnych wariantach badań będą wyznaczane między innymi takie wielkości charakteryzujące proces zgazowania biomasy jak: zużycie czynnika zgazowującego na 1 kg biomasy, objętość gazu uzyskiwana z 1 kg biomasy, skład wytwarzanego gazu, wartość opałowa oraz sprawność chemiczna i energetyczna procesu zgazowania. W ramach tych badań będą wyznaczane wielkości charakteryzujące efektywność energetyczną oraz ekonomiczną źródeł kogeneracyjnych, zintegrowanych ze zgazowaniem biomasy. Etap 28. Ślazowiec Sida hermaphrodita (L.) Rusby jako substrat biogazowni rolniczej oraz ocena uwarunkowań środowiskowych W ramach niniejszego etapu, w Uniwersytecie Warmińsko-Mazurskim przewiduje się realizację następujących podetapów: A: Zwiększenie potencjału plonowania ślazowca pensylwańskiego (Sida hermaphrodita Rusby) z gruntów rolniczych, B: Konserwacja biomasy ślazowca pozyskanej w różnych terminach jej zbioru, C: Przydatność do nawożenia roślin energetycznych pozostałości pofermentacyjnych z produkcji biogazu, D: Sekwestracja węgla i emisja gazów cieplarnianych w różnych systemach produkcji biomasy i pozyskiwania biogazu, E: Bilans energetyczny i koszty produkcji biogazu w aspekcie aktualnych uwarunkowań prawnych i środowiskowych. Podstawowym surowcem biogazowni z polowej produkcji biomasy jest kukurydza. Jest to surowiec z grupy tzw. strategicznych konsumpcyjnych, a także paszowych. Zadanie ma na celu opracowanie technologii produkcji ślazowca rośliny, która nie będzie konkurowała z kukurydzą o grunty wykorzystywane na cele produkcji spożywczej i paszowej, a jednocześnie dobrze plonuje na glebach słabszych. Obecnie technologia produkcji ślazowca jest kosztowna, głównie ze względu na sposób zakładania plantacji z sadzonek. Koszty produkcji mogą być obniżone wówczas, gdy materiałem siewnym będą nasiona, 92

92 a te z kolei mają słabą siłę kiełkowania. Innym nie rozwiązanym obecnie do końca problemem pozostaje gęstość siewu oraz terminy zbioru, które gwarantują najwyższą roczną produktywność roślin. Ślazowiec ma duży potencjał plonotwórczy oraz możliwości odrastania po zbiorze, co zostanie uwzględnione w opracowaniu sposobu podaży surowca do biogazowni. Biomasa ślazowca jest nowym surowcem do produkcji kiszonek. W ramach niniejszego etapu wykonana zostanie ocena przydatności ślazowca jako komponentu kiszonek. Możliwość zastosowania pozostałości pofermentacyjnych na plantacjach ślazowca pozwoliłoby na częściowe zamknięcie obiegu pierwiastków oraz zmniejszyłoby koszty produkcji biomasy. Dlatego też przeprowadzona zostanie kompleksowa ocena przydatności pozostałości pofermentacyjnych jako nawozu organicznego ma duży wymiar utylitarny. Badania prowadzone w ramach niniejszego etapu pozwolą na ocenę oddziaływania na atmosferę plantacji roślin energetycznych w zależności od systemu rolniczego oraz w kontekście wykorzystania biomasy jako substratu biogazowni. Przedstawiony zostanie także bilans energetyczny technologii produkcji biomasy ze ślazowca. Etap 29. Procesy konwersji odpadów przemysłu rolno-spożywczego (wywar gorzelniany, serwatka) i biopaliwowego (faza glicerynowa) do biogazu Dostępność zarówno odpadów rolno-spożywczych oraz możliwość wykorzystania biomasy z upraw dedykowanych pozwala na zaprojektowanie biogazowi, która może być jednym z elementów wpływających na efektywność i opłacalność produkcji w gospodarstwach rolnych. Stąd wynika praktyczne zapotrzebowanie na rozpoznanie i wskazanie metod zwiększających dostępność biomasy i odpadów do produkcji metanu. Wykorzystanie ko-fermentacji do produkcji biogazu jest zagadnieniem obecnie intensywnie badanym, a równocześnie szybko wdrażanym rozwiązaniem technologicznym. Ze względów poznawczych istotne jest zaprojektowanie zintegrowanego systemu kontroli przemian fermentacyjnych. Pomimo istniejących już w Niemczech czy Austrii instalacjach biogazowi rolniczych postęp w badaniach powoduje wprowadzanie nowych rozwiązań technologicznych tj. kolejnych generacji instalacji do produkcji biogazu. Stąd tak istotne są badania wykorzystujące metody biotechnologiczne w tym biologii molekularnej do badania struktury mikroorganizmów biorących udział w przemianach fermentacyjnych. W ramach niniejszego etapu, w Uniwersytecie Warmińsko-Mazurskim przewiduje się realizację następujących podetapów: A: Metody wstępnego przygotowania surowca do fermentacji; B: Wpływ wyselekcjonowanych mikroorganizmów o wysokiej aktywności hydrolitycznej na efektywność i fazy fermentacji, 93

93 C: Fermentacja i współfermentacja odpadowej biomasy z przemysłu rolno-spożywczego oraz pozyskiwanej z dedykowanych upraw energetycznych, D: Badania izotopowe ścieżek węgla i wodoru w fermentacji metanowej, E: Opracowanie układu technologicznego beztlenowych złóż biologicznych z mikrofalowym wspomaganiem fermentacji W celu zwiększenia biodostępności biomasy oraz surowców odpadowych przemysłu rolno-spożywczego w procesach fermentacyjnych przewiduje się przetestowanie następujących metod wstępnego przygotowania biomasy do fermentacji metanowej: rozdrabniania do wielkości poniżej 40mm, działania rozcieńczonym kwasem fosforowym oraz zasadą sodową na biomasę. Efektywność produkcji biogazu zależy również od składu mieszaniny fermentującej stąd tak istotnym jest dobranie stosunku dostępnych do fermentacji substratów. Istotnym jest również określenie celowości wprowadzenia inokulum zwiększającego bioróżnorodność mikroorganizmów w procesie fermentacji, a tym samym efektywność fermentacji. Przewiduje się testowanie wybranych metod wstępnego przygotowania masy fermentacyjnej oraz składu mieszaniny do fermentacji z wykorzystaniem następujących surowców: ślazowca pensylwańskiego, kukurydzy, buraka pastewnego, lucerny oraz produktów odpadowych przemysłu rolno-spożywczego w tym: obornika, wywaru gorzelnianego, odpadowej frakcji glicerynowej. Jako innokulum projektuje się wykorzystanie wód nadosadowych z fermentacji lub przefermentowanej masy. Wykorzystanie aktywności hydrolitycznej mikroorganizmów o wysokiej aktywności enzymatycznej jest jedną z metod zwiększenie wydajności fazy hydrolizy fermentacji metanowej. Faza ta decyduje o ilości substratu do wytwarzania metanu, a więc ilości kwasów lotnych, wodoru i dwutlenku węgla. Stąd tak istotnym jest zwiększenie aktywności hydrolitycznej mikroorganizmów biorących udział w przemianach. Jedną z metod jest wprowadzenie konsorcjum mikroorganizmów do fermentowanej masy. Badania będą obejmowały zarówno selekcje mikroorganizmów jak aktywność w warunkach procesu fermentacji. Zakłada się, że efektywność lokalnych biogazowni zależy od dostępnego na danym obszarze surowca. Przewiduje się przetestowanie wpływu zmiany surowca na stabilność i produktywność fermentacji metanowej. Wymaga to charakterystyki ilościowej i jakościowej dostępnego w ciągu roku surowca. Określenie udziału poszczególnych surowców w masie fermentacyjnej oraz wpływu zmieniającego się podczas procesu surowca na produktywności biogazu. Utrzymanie stabilnego przebiegu fermentacji wymaga oprócz charakterystyki surowca również dobrania parametrów technologicznych w tym hydraulicznego czasu zatrzymania (HRT) i obciążenie reaktora ładunkiem związków organicznych OLR. Zakłada się testowanie procesu przy HRT 45 dni i 60 dni. 94

94 W ramach opracowania konstrukcji beztlenowego złoża biologicznego z mikrofalowym wspomaganiem procesu fermentacji przeprowadzone zostaną prace koncepcyjne i projektowe reaktora beztlenowego, którego praca wspomagana będzie czynnikami fizycznymi. Przyjęte zostaną wytyczne techniczno technologiczne do budowy i eksploatacji proponowanego rozwiązania. W tej części realizacji zadania ustalone zostaną podstawowe parametry prowadzenia procesu degradacji substratów organicznych z wytworzeniem wysokoenergetycznego biogazu. Budowa beztlenowego złoża biologicznego z mikrofalowym wspomaganiem procesu fermentacji w tej części wytworzony zostanie wielostrefowy modelowy reaktor beztlenowy pracujący w skali ułamkowo technicznej. Przeprowadzony zostanie również rozruch technologiczny, próby szczelności, próby efektywności pracy generatorów mikrofalowych, próby sprawności systemów tłocznych, recyrkulacyjnych oraz zbierających biogaz. W IMPPAN przewiduje się także prace nad termicznym przetwarzaniem lignocelulozy dla procesu metanowej produkcji biogazu. Proces zamiany materiału lignocelulozowego w surowiec fermentacyjny obejmować będzie etap przygotowania wsadu i jego depolimeryzację za pomocą hydrolizy, pirolizy i katalizy. Zbadane zostanie wpływ stopień rozdrobnienia, parametrów termodynamicznych oraz typu katalizatora na efektywność uzyskania cukrów i innych prostych związków z materiału lignocelulozowego. Etap 30. Dedykowana produkcja biomasy lignocelulozowej na użytkach rolnych o niskiej bonitacji gleb oraz uwarunkowania środowiskowe i ekonomiczne W niniejszym etapie w Uniwersytecie Warmińsko-Mazurskim przewiduje się realizację następujących podetapów: A: Hodowla wysoko-produktywnych klonów wierzby oraz mieszańców wierzby, B: Lignina w procesach humusotwórczych pod roślinami wieloletnimi i wykorzystanie grzybów mikoryzowych w produkcji biomasy oraz opracowanie adekwatnych technologii produkcji, C: Konsekwencje zmian agro- i ekosystemów wskutek zwiększonych areałów pod uprawami roślin lignocelulozowych modyfikacja i stabilizacja wykorzystania gruntów w głównych systemach rolniczych, D: Analizy bioróżnorodności wewnątrz i wokół plantacji, E: Dynamika obiegu wody w warunkach produkcji biomasy lignocelulozowej na gruntach rolniczych, F: Bilans obiegu węgla i gazów cieplarnianych w produkcji i pozyskaniu biomasy 95

95 Wierzba krzewiasta charakteryzuje się szeroką bazą genetyczną. Prace hodowlane są mało zaawansowane, a więc potencjał roślin nie jest w pełni wykorzystany. Podjęte badania mogą powolić na uzyskanie nowych kreacji o zwiększonej produktywności i zgłoszenie ich do badań rejestracyjnych do COBORU. Potencjał plonowania roślin wieloletnich jest wysoki, ale przy spełnieniu szeregu warunków. Jednym z podstawowych jest jakość stanowiska glebowego. Na dobrych glebach rośliny dają wysokie plony (nawet powyżej 15 ton s.m./ha/rok). Natomiast na słabych glebach plony te często nie przekraczają 4-5 ton suchej masy. Należy zatem poszukiwać metod zwiększenia potencjału plonowania roślin wieloletnich na słabych glebach marginalnych. Zakłada się, że można zwiększyć plony biomasy podstawowych gatunków roślin wieloletnich na słabych glebach poprzez zastosowanie ligniny i grzybów mikoryzowych. Produkcja biomasy na gruntach rolniczych na cele energetyczne to nowy kierunek działalności rolniczej i z pewnością areał pod tego typu uprawami będzie się zwiększał. Dlatego też istotne są działania w celu oceny wpływu upraw wieloletnich na agroi ekosystemy. Inną przesłanką uzasadniającą konieczność realizacji tego wątku badawczego jest brak teoretycznych podstaw funkcjonowania systemów rolniczych z dużym udziałem roślin lignocelulozowych, w tym także z punktu widzenie analizy LCA CO 2 i GHG (koszty produkcji). Wieloletnie uprawy energetyczne dają szansę na rozwój wielu gatunków fauny i flory. W eksperymencie planuje się wykonanie ceny wpływu upraw wieloletnich na bioróżnorodność gatunkową. Woda to czynnik limitujący produktywność roślin, w szczególności na słabych glebach. Istotny dla powodzenia uprawy wieloletniej jest dostatek wody. Zadanie ma celu przedstawienie w postaci modelu gospodarki wodnej roślin lignocelulozowych wieloletnich na słabych glebach oraz ocenę wpływu ich uprawy na bilans wodny. Biorafineria lignocelulozowa jest nową instalacją w systemie agrokompleksów energetycznych. Dlatego też, ze środowiskowego punktu widzenia istotny jest bilans obiegu węgla i gazów cieplarnianych na etapie produkcji biomasy w celu oceny wpływu tych upraw i pozyskiwania biomasy na środowisko atmosferyczne. Etap 31. Konwersja lignocelulozy do bioetanolu W ramach niniejszego etapu przewiduje się realizację następujących podetapów: A: Badanie wydajności degradacji materiałów lignocelulozowych pod wpływem promieniowania jonizującego, B: Badania nad optymalizacją wstępnej, chemicznej degradacji masy lignocelulozowej, 96

96 C: Badanie wpływu środków powierzchniowo czynnych na proces wstępnej hydrolizy celulozy, D: Efektywna technologia produkcji paliwa płynnego z biomasy i odpadów, E: Dobór metod oraz optymalizacja warunków hydrolizy odpadów lignocelulozowych, F: Katalityczna konwersja surowca drzewnego do furfuralu, G: Badania nad optymalizacją warunków hydrolizy enzymatycznej substratów lignocelulozowych, H: Dobór oraz doskonalenie warunków fermentacji hydrolizatów lignocelulozowych, I: Badanie kinetyki reakcji anodowego utleniania etanolu, J: Produkcja wodoru z biomasy z użyciem mikrobiologicznego elektrolizera, K: Energetyczne zagospodarowanie pozostałości po produkcji bioetanolu, L: Opracowanie techniki hodowli alg olejowych na cele biopaliwowe w basenach otwartych, M: Opracowanie technologii wytwarzania biopaliwa stałego i płynnego z biomasy glonów na bazie odpadów przemysłu spożywczego. Proponowana tematyka badania wydajności degradacji materiałów lignocelulozowych pod wpływem promieniowania jonizującego zakłada przeprowadzenie następujących prac: 1) Zbadanie wydajności degradacji materiałów lignocelulozowych pod wpływem promieniowania jonizującego w stanie stałym w postaci zawiesiny (wodnej, H 2O 2). 2) Wykorzystanie promieniowania jonizującego jako wstępnego etapu enzymatycznej degradacji materiału lignocelulozowego. 3) Określenie optymalnych warunków prowadzenie procesów radiacyjnej degradacji z punku widzenia wydajności produktów końcowych z uwzględnieniem wymagań technologicznych parametrów procesów wytwarzania biopaliw. 4) Badania w różnych ośrodkach w świecie wykazały, że proponowana metoda może być stosowana w skali przemysłowej do obróbki celulozy dla dalszego jej przekształcenia w procesach hydrolizy i fermentacji. Badania nad optymalizacją wstępnej, chemicznej degradacji masy lignocelulozowej obejmują prace nad przemianą surowej masy lignocelulozowej w surowiec zawierający w przewadze amorficzną celulozę oraz optymalizacją procesu chemicznej hydrolizy materiału lignocelulozowego przy zastosowaniu kwasu fosforowego. Najnowsze badania dowodzą, że wstępna obróbka surowca lignocelulozowego zmierzająca do zwiększenia amorficznej frakcji celulozy w surowcu znacząco stymuluje późniejszą jej hydrolizę. Cel ten może zostać zrealizowany na drodze mechanicznej obróbki masy lignocelulozowej (długotrwałe mielenie) jednak z ekonomicznego punktu widzenie bardziej zasadne wydaje się zastosowanie odpowiednich czynników chemicznych. Badania nad zachowaniem się celulozy w obecności różnych czynników chemicznych wskazują na możliwość zastosowania 97

97 w tym celu roztworów soli nieorganicznych o odpowiedniej sile jonowej. Badania w tym zakresie obejmować będą zarówno dobór odpowiedniej soli (z uwzględnieniem oddziaływania tej substancji na środowisko) jak też optymalizację siły jonowej, ph, i temperatury koniecznej do przekształcenia celulozy w formę amorficzną. Hydroliza celulozy jest procesem, którego kinetyka wymaga zastosowania silnego kwasu lub wysokiej temperatury i ciśnienia w celu osiągnięcia zadowalającego stopnia konwersji w mono i oligosacharydy w krótkim czasie. Aby proces ten spełniał ekonomiczne wymagania opłacalności planuje się optymalizację warunków hydrolizy ukierunkowaną na minimalizację nakładów energetycznych i surowcowych. Doniesienia literaturowe wskazują na możliwość zastosowania roztworów kwasu fosforowego jako alternatywy dla obecnie rozwijanych technologii wykorzystujących kwas siarkowy. Badania obejmować będą wpływ temperatury, stężenia kwasu fosforowego i czasu na stopień konwersji (hydrolizy) celulozy oraz masę cząsteczkową powstających oligosacharydów. Postęp hydrolizy oraz dystrybucja produktów będzie monitorowana techniką HPLC. Zbadany zostanie również wpływ ultradźwiękowej homogenizacji masy reakcyjnej na szybkość hydrolizy oraz możliwość zastosowania i skuteczność katalizatorów wpływających na mikrośrodowisko kwasowej degradacji celulozy. Proponowana strategia powinna doprowadzić do otrzymania produktu zawierającego cukry o niższych masach cząsteczkowych. W zależności od zastosowanej metody mającej na celu zwiększenie efektywności procesu otrzymane będą produkty o różnym składzie, zależnym od stopnia przetworzenia celulozy. Zostaną one przekazane do dalszych badań nad możliwością ich wykorzystania w procesie fermentacji etanolowej. Ze względu na brak doniesień literaturowych dotyczących wpływu surfaktantów na właściwości fizykochemiczne materiałów lignocelulozowych proponowane badania wpływu środków powierzchniowo czynnych na proces wstępnej hydrolizy celulozy mają charakter pionierski. Dotychczasowe badania wskazują, że odpowiednia chemiczna lub fizyczna ingerencja i modyfikacja zarówno struktury samej celulozy jak również ligniny ma kluczowe znaczenie dla poprawy efektywności hydrolizy. Zbadany zostanie wpływ dodatku surfaktantów na efektywność wstępnej degradacji celulozy. Oczekiwanym wpływem surfaktantów na przebieg procesu jest zmiana właściwości powierzchni ziaren celulozy w sposób ułatwiający penetrację roztworu do ich wnętrza. Pozwoli to na wyselekcjonowanie odpowiedniego środka powierzchniowo czynnego i warunków wstępnego przygotowania celulozy ułatwiającego jej dalszą hydrolizę. Odpady z biorafinerii stanowią zdecydowaną większość produktów procesu estryfikacji oleju rzepakowego. Najwięcej, bo aż do ok. 70% masy produktów stanowią, makuchy, które po przetworzeniu pełnią rolę pasz, ale nie stanowią surowca energetycznego. Drugim, słabo wykorzystanym produktem biorafinacji oleju rzepakowego jest ciekła mieszanina, w której przeważa gliceryna. Z punktu widzenia produkcji estru 98

98 metylowego makuchy i gliceryna są odpadami. W kontekście zaproponowanych prac makuchy i gliceryna to surowce energetyczne. Ich masa znacząco przekracza masę wyprodukowanego biodiesla. Fermentacyjna produkcja biogazu, oraz produkcja etanolu pozostawia bardzo dużo odpadów. Stanowią one przede wszystkim balast, który jest zagospodarowywany jako rodzaj nawozu, ale nie jest traktowany jako surowiec energetyczny. Ilości odpadów z tego rodzaju produkcji są ogromne i w związku z planowanym zwiększeniem produkcji paliw odnawialnych ich masa będzie rosła. Istnieje ogromna potrzeba zagospodarowania odpadów z biorafinerii, biogazowni i z gorzelni. Narasta także konieczność podwyższenia opłacalności produkcji biopaliw, bo pomimo wysokich cen paliw kopalnych paliwa odnawialne są zasadniczo droższe od paliw konwencjonalnych. Realizacja zadania doboru metod oraz optymalizacji warunków hydrolizy odpadów lignocelulozowych ma pomóc rozwiązać problem odpadów i pozwoli uczynić procesy produkcji biopaliw bardziej ekonomicznymi. Realizacja zadania została podzielona na trzy fazy. Pierwsza faza obejmuje wybór metod wstępnej obróbki surowców, opracowanie metodyki badawczej i jej weryfikacje. Druga faza obejmuje badania efektywności wybranych preparatów enzymatycznych, dobór dawek, dobór reaktora do prowadzenia hydrolizy, badania kinetyki hydrolizy, opracowanie modelu kinetycznego. W trzeciej fazie, na podstawie uzyskanych danych doświadczalnych, opracowany zostanie projekt procesowy instalacji do enzymatycznej hydrolizy wybranych surowców lignocelulozowych. Realizacja zadania katalitycznej konwersji surowca drzewnego do furfuralu wymaga zbudowania stoiska badawczego, gdzie podstawową jednostką jest reaktor przepływowy, podłączony do różnych gazów. Kolejnym krokiem jest analiza wiedzy (przegląd literatury, opracowań) dotycząca tematu. Na tej podstawie zostaną wstępnie wybrane warunki prowadzenia procesu i grupy katalizatorów. Dla tych katalizatorów zostaną przeprowadzone szczegółowe badania wpływu warunków prowadzenia procesu na jakość i ilość uzyskiwanych produktów. Uzyskane wyniki posłużą do wytypowania najbardziej obiecującego katalizatora, dla którego zostanie przeprowadzona optymalizacja procesu. Zakres prac niezbędnych do zrealizowania powyższego zadania badawczego został podzielony na następujące fazy: Zbudowanie stanowiska badawczego, Przegląd literatury i wstępny wybór materiału katalitycznego do badania uwodornienia furfuralu, preparatyka katalizatora, Zbadanie wpływu rodzaju katalizatora, temperatury procesu na wydajność i selektywność reakcji, Optymalizacja procesu uwodornienia czas przebywania, stosunku H2/Furfural w strumieniu wlotowym, 99

99 Szczegółowa analiza fizykochemiczna uzyskanych produktów GC-MS i charakterystyka katalizatora np. XRD, BET, DTA/TG6, Opracowanie uzyskanych wyników. W badaniach wstępnych zagadnienia optymalizacji warunków hydrolizy enzymatycznej substratów lignocelulozowych określone zostaną potencjalne możliwości uzyskania cukrów podlegających fermentacji, o których zadecyduje udział poszczególnych składników biomasy lignocelulozowej zależny od jej rodzaju, właściwości odmianowych i dojrzałości. W doświadczeniach pierwszego etapu wykorzystane zostaną substraty poddane wstępnej delignifikacji, pozyskane we współpracy z zespołem realizującym zadanie ukierunkowane na rozkład lignocelulozy z wykorzystaniem katalizatorów chemicznych. Wykorzystanie nadtrawionych substratów uzasadnione jest koniecznością usunięcia ochronnej frakcji ligniny i amorfizacją struktury celulozy, co gwarantuje skuteczne działanie enzymów. Równolegle prowadzone będą badania nad degradacją lignocelulozy metodami biotechnologicznymi polegające na zastosowaniu drobnoustrojów zdolnych do syntezy peroksydazy ligninowej, peroksydaz mangano-zależnych oraz lakkazy. W drugim etapie opracowanie zostaną warunki enzymatycznej hydrolizy wstępnie przygotowanego materiału lignocelulozowego uwzględniające poziom jego nadtrawienia. W badaniach zastosowane zostaną preparaty enzymatyczne różnego pochodzenia, min wprowadzone na rynek przez uznanych producentów enzymów przemysłowych, takich jak Novozymes lub Genencor. Sprawdzona zostanie również możliwość wykorzystania drobnoustrojów o zdolnościach do nadprodukcji zewnątrzkomórkowych celulaz. Optymalizacja efektywności enzymatycznej hydrolizy materiału lignocelulozowego, będzie związana z opracowaniem korzystnej kompozycji kompleksu endoglukanaz, celobiohydrolaz, endoksylanaz i β-glukozydazy. Zasadność takich działań wiąże się z ich zdolnościami do synergistycznego współdziałania zwiększającego wydajność cukrów fermentujących, lecz optymalizacja proporcji będzie zdeterminowana rodzajem substratu i jego składem. Trzeci etap badań ukierunkowany zostanie na optymalizację parametrów inżynierii środowiska uwzględniającą potencjalną możliwość przeprowadzenia procesu hydrolizy jednocześnie z fermentacją alkoholową (SSF). Stosowanie procesów skojarzonych uzasadnione jest mniejszymi wymaganiami aparaturowymi oraz bieżącą fermentacją celobiozy będącej inhibitorem celulaz, lecz wymaga kompromisu w doborze warunków środowiska. W ostatnim etapie badań przeprowadzone zostaną doświadczenia w powiększonej skali z wykorzystaniem odpowiednio skonstruowanych bioreaktorów. W zależności od wyników uzyskanych w poprzednich etapach badań opracowane zostaną odpowiednie strategie procesu hydrolizy względem fermentacji: sekwencyjny (SHF) bądź symultaniczny (SSF). W badaniach ukierunkowanych na optymalizację fermentacji etanolowej hydrolizatów z biomasy lignocelulozowej, zastosowane będą szczepy drobnoustrojów 100

100 przemysłowych i z laboratoryjnych kolekcji własnych, o różnych zdolnościach fermentacyjnych. W pierwszym etapie doświadczeń zostaną wyselekcjonowane drożdże o odpowiednich cechach technologicznych: zdolności do szybkiej fermentacji glukozy oraz cukrów pięciowęglowych oraz odpornych na substancje inhibujące potencjalnie obecne w hydrolizatach lignocelulozowych. Ich aktywność fermentacyjna będzie miała decydujące znaczenie w procesie otrzymywania bioetanolu. Zdolność do fermentacji pochodnych hemicelulozy jest bowiem krytycznym aspektem ekonomicznym całości procesu. Z tego względu planuje się przeprowadzić badania nad fermentacją z udziałem kultur dwuszczepowych oraz ustalić rodzaj ich wzajemnej korelacji wyznaczający sposób realizacji procesu. W drugim etapie doświadczeń będzie przeprowadzona optymalizacja parametrów technologicznych fermentacji w kontekście właściwości fizycznymi hydrolizatu oraz jego składu chemicznego. Wskazane zostaną wymagania dotyczące proporcji udziału hydrolizatu w brzeczce fermentacyjnej, lub jego koncentracji, suplementacji niezbędnymi substancjami odżywczymi, konieczności zastosowania procesów wspomagających proces (mieszanie mechaniczne, cyrkulacja fazy płynnej). Planuje się również dopracować warunki fermentacji z udziałem kultur wieloszczepowych. Trzeci etap badań obejmował będzie doskonalenie procesu fermentacyjnego pod względem warunków inżynieryjnych z ukierunkowaniem na dobór parametrów systemu SSF. Stosowanie procesów skojarzonych uwarunkowane jest opracowaniem kompromisowych warunków środowiska, co wiąże się z rezygnacją z ze stosowania optimów aktywności każdego z biokatalizatorów (drożdży i enzymów). Może to skutkować obniżeniem wydajności lecz wnosi znaczne korzyści z tytułu mniejszych wymagań aparaturowych. Planuje się również przeprowadzenie alternatywnych badań w kierunku izomeryzacji ksylozy. Przewiduje się, że korzystnym efektem takich działań może być poprawa wydajności fermentacji z wykorzystaniem przemysłowych drożdży gorzelniczych (fermentujących ksylulozę). Badania czwartego etapu dotyczyć będą opracowania ciągu technologicznego pozyskiwania bioetanolu w powiązaniu z procesami obróbki wstępnej i hydrolizy i będą uzależnione od wyników uzyskanych we wcześniejszych etapach zadania badawczego. Na tej podstawie wyznaczone zostaną parametry technologiczne pozwalające na konstrukcję odpowiedniego typu bioreaktorów wchodzących w skład demonstracyjnej aparatury pilotażowej. Badania kinetyki reakcji anodowego utleniania etanolu zostaną zrealizowane w dwόch podstawowych fazach, jak następuje: 1) Optymalizacja składu materiału katalizującego reakcję elektroutleniania C 2H 5OH. Powyższy etap uwzględnia opracowanie składu anody ogniwa w celu uzyskania optymalnych parametrów procesu elektroutleniania etanolu. 2) Kompleksowe badania reakcji utleniania C 2H 5OH w układzie ogniwa etanolowotlenowego, wytwarzającego energię elektryczną w sposób ekologiczny. 101

101 Po zoptymalizowaniu katalitycznych właściwości materiałów anodowych, skonstruowane zostanie pojedyncze ogniwo paliwowe typu DEFC, które zostanie poddane cyklowi badań elektrochemicznych w celu określenia jego prądowo-napięciowych właściwości polaryzacyjnych, w szczegόlności w zależności od: stężenia wodnego roztworu C 2H 5OH oraz temperatury pracy ogniwa. Na podstawie uzyskanych wynikόw technicznych (dotyczących badania pojedynczego ogniwa), opracowana zostanie koncepcja przenośnego ogniwa paliwowego typu DEFC, o mocy ok. 5 W. Ogniwo takie zostanie następnie skonstruowane i poddane serii testόw elektrochemicznych, jak powyżej. Paliwem ma wstępnie być roztwόr rektyfikowanego etanolu, dostępny powszechnie na rynku. Przewiduje się jednocześnie, iż końcowe prόby (w układzie ogniwa) zostaną także przeprowadzone na produkcie pochodzącym z przerobu materiału pochodzenia drzewnego (bioetanolu), uzyskanym w nadrzędnym etapie projektu badawczego. Strategia produkcji wodoru z biomasy z użyciem mikrobiologicznego elektrolizera opiera się na wykorzystaniu dobrze znanej odwracalności hydrogenaz. Dlatego została opracowana następująca trójstopniowa procedura: 1) uruchomienie bioanody utleniającą octany i wodór po inokulacji mieszaniną elektrochemicznie aktywnych mikroorganizmów, 2) przystosowanie do utleniania jedynie wodoru, 3) odwrócenie polaryzacji w stronę biokatody produkujące wodór i dopasowanie. W fazie 1) tej procedury zamierzamy szybko ustanowić dobrze działającą bioanodę. Następnie, po przejściu do fazy 2), zamierzamy wyodrębnić dobrze utleniające wodór elektrochemicznie aktywne mikroorganizmy. Wreszcie przechodząc do fazy 3), zamierzamy odwrócić mikrobiologiczny metabolizm i wybrać elektrochemicznie aktywne mikroorganizmy zdolne do produkcji wodoru. W ramach opracowania metod energetycznego zagospodarowania pozostałości po produkcji bioetanolu przewiduje się następujące prace badawcze: 1) przygotowanie pozostałości z biorafinacji jako wsadu do metod termicznych lub jako dodatku do wsadu, 2) próby z wykorzystaniem przygotowanego wsadu w instalacji do pirolizy, 3) próby z wykorzystaniem przygotowanego wsadu w instalacji do zgazowania, 4) ocena otrzymanych rezultatów zagospodarowania energetycznego pozostałości z procesu biorafinacji metodami termicznymi. Badania biorafinerii oleju z alg będą realizowane w Uniwersytecie Warmińsko- Mazurskim w Olsztynie. W pierwszym etapie opracowania techniki hodowli alg olejowych prowadzone prace przebiegać będą w skali laboratoryjnej na obiektach uczelni. Rezultaty badań uzyskane w skali laboratoryjnej będą podstawą do budowy i eksploatacji instalacji do 102

102 namnażania hodowli biomasy glonowej w basenach otwartych i ich odzysku w skali ułamkowo technicznej Opracowanie technologii wytwarzania biopaliwa stałego i płynnego z biomasy glonów obejmie: - przygotowanie dokumentacji techniczno-organizacyjnej prowadzenia badań nad opracowaniem technologii produkcji biopaliwa z masy alg opracowanie metodyki badania właściwości biomasy alg w celu pozyskania paliwa stałego i oleju z przeznaczeniem na biopaliwo, jako źródło napędu środków transportowych w danym przedsiębiorstwie, - opracowanie procedur technologicznych produkcji biopaliwa z glonów wraz z określeniem jego właściwości fizycznych i energetycznych, - opracowanie dokumentacji technicznej i instalacji produkcji biopaliwa z glonów, - ocena efektywności opracowanych technologii produkcji biopaliwa z glonów w stosunku do biopaliw pierwszej generacji. Etap 32. Założenia systemowe funkcjonowania biorafinerii lignocelulozowej i biorafinerii oleju z alg W ramach prac związanych z opracowaniem założeń systemowych funkcjonowania biorafinerii lignocelulozowej przewiduje się wykonanie następujących podetapów: A: Integracja zadań w bloku biorafinerii lignocelulozowej, B: LCA CO 2 i GHG w bilansie biorafinerii lignocelulozowej, C: Modelowanie bazy surowcowej dla rafinerii lignocelulozowej, D: Społeczne i ekonomiczne uwarunkowania rozwoju produkcji bioetanolu z biomasy, E: Prawne aspekty funkcjonowania biorafinerii. W ramach integracji zadań przewiduje się bilansowanie ogniw technologicznych wynikających z poszczególnych zadań badawczych w projektach instalacji kompleksów agroenergetycznych. Planowane jest: 1) Utworzenie systemu informacji geograficznej GIS jest środowiskiem wymaganym do prowadzenia analiz przestrzennych z zastosowaniem georeferencyjnej bazy danych. 2) Wyznaczenie potencjału teoretycznego bazy surowcowej mapa określi maksymalną dostępność surowca. 3) Wyznaczenie potencjału technicznego bazy surowcowej mapa określi możliwość wykorzystania bazy surowcowej przy uwzględnieniu racjonalnej gospodarki wodnej, bioróżnorodności i ochrony przyrody. 4) Wyznaczenie potencjału ekonomicznego bazy surowcowej mapa określi maksymalny efekt ekonomiczny założenia bazy surowcowej i logistykę transportu. 103

103 Według literatury produkcja paliw pierwszej generacji może nawet w większym stopniu obciążać środowisko niż paliwa kopalne. Dlatego też szczególnie ważne jest precyzyjnie określenie wpływu agrobiorafinerii lignocelulozowej na zjawisko efektu cieplarnianego. Agrobiorafinerie powinny być lokalizowane jak najbliżej terenów rolniczych o dużym potencjale podaży biomasy. Dlatego też zakłada się, że miałyby one potencjalnie duży wpływ na rozwój biznesowy lokalnych społeczności. W związku z tym, zasadnicze znaczenie ma ocena wpływu lignocelulozowych upraw wieloletnich i powstawania agrobiorafinerii na rozwój społeczno-ekonomiczny. Aby wskazać optymalne rozwiązania legislacyjne rozwoju agrobiorafinerii należy również przeanalizować zagadnienia prawne związane z rozwojem produkcji w nich biopaliw i określić ścieżkę proceduralną uruchomienia takiej instalacji. Etap 33. Dokumentacja i instalacja demonstracyjna do produkcji bioetanolu z masy lignocelulozowej Proces pozyskiwania etanolu na drodze fermentacji zhydrolizowanego materiału lignocelulozowego jest skomplikowany, jednak stanowi niezwykle cenną alternatywę dla otrzymywania etanolu ze źródeł roślinnych, bogatych w cukry proste. Należy pokreślić, że najistotniejszym, gdyż najsłabiej poznanym etapem tego procesu jest obróbka wstępna masy lignocelulozowej oraz procesy biokonwersji tego materiału do cukrów prostych. Ważna jest także ocena potencjału energetycznego biomasy rolniczej dla potrzeb biorafinerii i ocena uwarunkowań środowiskowych (LCA), socjoekonomicznych i prawnych funkcjonowania biorafinerii lignocelulozowej, Proponuje się opracowanie procesu technologicznego, sporządzenie dokumentacji technicznej dla biorafinerii - układu produkcji bioetanolu z masy lignocelulozowej. Założenia technologiczne: - wydajność biorafinerii 25 l zacieru etanolowego dziennie, - dzienna podaż surowca 200 kg suchej masy surowca lignocelulozowego, - zabezpieczenie areału (grunty marginalne) produkcji biomasy 15 ha, - potencjalna lokalizacja gospodarstwo Kocibórz (należące do ZBD Łężany) instalacja byłaby komplementarna względem budowanych tam instalacji biopaliwowych i ekoenergetycznych biorafinerii estrów (Kocibórz) oraz termozgazowarki (Łężany), - pozostałości po produkcji etanolu (głównie lignina) zostaną wykorzystane jako paliwo w jednostce CHP. Energia cieplna i elektryczna będą wykorzystane w procesie 104

104 technologicznym, a nadwyżka energii elektrycznej zostanie włączona do sieci energetycznej. Zakładamy, że docelowo biorafineria produkowałaby ok. 500 litrów etanolu dziennie, na co potrzeba ok. 2.5 ton suchej masy biomasy lignocelulozowej co oznacza, że należałoby zabezpieczyć dostawy dzienne z ok ha na glebach marginalnych lub ok ha dobrych gruntów. Zatem w skali roku należałoby zabezpieczyć dostawy z ok ha. Zakładamy, że o potencjalnych kosztach w warunkach Polski będziemy mogli mówić po pierwszych udanych próbach pozyskania etanolu. Taka biorafineria byłaby pierwszą tego typu w Polsce. Etap 34. Wykonanie modelu funkcjonalnego instalacji stacjonarnej oczyszczania biogazu i odzysku/wymiany ciepła na bazie SFR Etap obejmuje następujące zagadnienia: opracowanie metodyki analitycznej oznaczania substancji lotnych w fazie gazowej, wykonanie transparentnych modeli reaktora cyklonowego, przygotowanie aparatury badawczej, układu reaktora hydrocyklonowego, aparatury kontrolno pomiarowej, wykonanie pomiarów hydrodynamicznych reaktora cyklonowego na wybranym modelowym układzie gaz/ciecz, badania laboratoryjne absorpcji, określenie stałych równowag i ich zależności od temperatury dla wybranych związków, opracowanie modelu hydrodynamicznego reaktora cyklonowego, badania efektywności wymiany i odzysku ciepła oczyszczanych gazów. Pomiary wymiany masy w reaktorze SFR Wybór cieczy absorbujących ma zapewnić stabilność mechaniczną, termiczną i chemiczną procesu, jak również efektywność absorpcji CO 2 w powiązaniu z selektywnością. Zastosowanie absorbentów selektywnie pochłaniających CO 2 o wysokich współczynnikach dyfuzji umożliwi zwiększenie szybkości separacji CO 2. W ramach projektu przeprowadzone zostaną doświadczenia w różnych warunkach temperatury i ciśnienia. Zamierzeniem wnioskodawców jest dobór parametrów procesowych pozwalających na selektywną i efektywną absorpcję. Wyniki badań pozwolą na opracowanie skutecznej, taniej, niskoenergetycznej technologii usuwania CO 2 z biogazu. Istotą badań jest nie tylko poprawa parametrów użytkowych, czy zwiększenie kaloryczności strumieni gazowych, lecz także ograniczenie emisji CO 2 do atmosfery. W dotychczasowych badaniach prowadzonych na Katedrze Technologii Chemicznej Wydziału Chemicznego Politechniki Gdańskiej, wykazano, 105

105 że reaktor SFR jest wysokoefektywnym urządzeniem do prowadzenia procesów, w których zachodzi wymiana masy na granicy: gaz-ciecz. Konstrukcja reaktora pozwala bowiem na bardzo duże rozwinięcie powierzchni kontaktu faz. Proponowane rozwiązanie ma szereg zalet, jak na przykład zastosowanie w małych instalacjach przy stosunkowo niskich kosztach inwestycyjnych i eksploatacyjnych, przy zachowaniu wysokiej wydajności i niewielkiej powierzchni zajmowanej przez instalację. Pomiary stężenia dwutlenku węgla będą wykonywane w fazie gazowej za pomocą analizatora Anagas CD98, natomiast w fazie wodnej za pomocą Analizatora TIC LiquiTOC. Na podstawie uzyskanych wyników badań określone zostaną współczynniki wymiany masy w wybranych układach modelowych. Szczególne znaczenie będą miały badania nad elementem porowatym. Jak wynika z wstępnych badań przeprowadzonych w Katedra Technologii Chemicznej, dobór odpowiedniego elementu dyspergującego, wielkości porów, jak i materiału z jakiego jest wykonany ma decydujący wpływ na pracę reaktora cyklonowego, szczególnie w układach gdzie możliwe jest odparowanie fazy ciekłej lub tworzenie się osadów. Badania hydrodynamiki przepływu fazy ciekłej w reaktorze SFR Badania hydrodynamiki przepływu fazy ciekłej w reaktorze SFR będą prowadzone w specjalnie do tego przygotowanym transparentnym reaktorze wykonanym z poliwęglanu o średnicy wewnętrznej ½, 1 i 2. Przezroczystość układu pozwoli obserwować i rejestrować strugi cieczy płynącej przez reaktor cyklonowy szybkiej kamery. Ponadto, wykonane zostaną pomiary spadku ciśnienia wzdłuż drogi przepływu fazy ciekłej, poprzez umieszczenie na obwodzie czujników ciśnienia Motorola MPX5100DP, które zostaną połączone z przetwornikiem analogowo-cyfrowym National Instrument USB Za pomocą oprogramowania LabView prowadzona będzie rejestracja wskazań przetworników. Czujniki ciśnienia zostaną umieszczone w lini prostej na drodze 50 cm w ilości 30 szt. Poprzez obrót elementu dyspergującego o zadany kąt uzyska się pomiar ciśnienia na całym obwodzie elementu dyspergującego. Pomiar bezpośredni prędkości liniowej strugi w reaktorze cyklonowym jest niezwykle trudny ze względu na cylindryczny kształt elementu dyspergującego. Z tego powodu stosowanie bardzo precyzyjnych anemometrów dopplerowskich jest praktycznie niemożliwe. Autorzy wniosku zamierzają określić prędkość liniową cieczy poprzez pomiar ciśnienia na wewnętrznej ściance elementu dyspergującego i grubości strugi. Pomiar grubości wirującej warstwy cieczy planuje się wykonać metodą wizualną i poprzez pomiar zmiany przewodnictwa specjalnie przygotowanej sondy. Szybkość wirującej strugi cieczy i jej grubość istotnie wpływa na wymianę masy, przenikanie promieniowania, jak również na czas zatrzymania w reaktorze cyklonowym. Ze względu na złożony charakter hydrodynamiczny reaktora cyklonowego do określenia modelu konieczne będzie uwzględnienie szeregu parametrów, takich jak: liniowa prędkość 106

106 przepływu cieczy, liniowa prędkość przepływu gazu, geometria układu (średnica głowicy reaktora cyklonowego, szerokość szczeliny w głowicy reaktora, długość elementu porowatego, wielkość porów, ciśnienia panującego w przewodzie fazy gazowej i ciekłej itp.). Uzyskanie wymienionych informacji pozwali na optymalizację geometrii reaktora cyklonowego i parametrów pracy. W końcowym efekcie oczekuje się opracowanie zależności matematycznych opisujących pracę reaktora cyklonowego na czas zatrzymania w reaktorze cyklonowym. Proponowane badania zostaną przeprowadzone w mobilnej instalacji reaktora SFR. Określenie rozkładu wielkości generowanych pęcherzyków gazu i powierzchni wymiany Z pośród wielu metod pomiaru rozkładu wielkości pęcherzyków gazu (metodę dyfrakcji laserowej, metodę z użyciem sond optycznych lub rezystancyjnych, metodę akustyczną) wybrano metodę fotograficzną z powodu jej prostoty i możliwości określenia wielkości pęcherzyków w szerokim zakresie średnic. Do wykonywania fotografii strumienia opuszczającego reaktor cyklonowy zostanie użyta szybka kamera wyposażona w obiektyw o ogniskowej 200 mm lub większej. Z powodu dużej prędkości strumienia opuszczającego flotownik wynoszącej ok. 3 m/s zarejestrowanie małych pęcherzyków gazu wymaga dużej szybkości zapisu obrazu (co najmniej 1000 fps). W badaniach będzie stosowany reaktor SFR o średnicy wewnętrznej 50 mm i długości części cylindrycznej równej 0,50 m. Jako element dyspergujący powietrze użyte zostaną siatki wykonaną ze stali kwasoodpornej o wielkości oczek 0,5-0,063 mm. U wylotu reaktora umieszczony będzie stożek umożliwiający rejestrację pęcherzyków gazu. Wykorzystanie ciepła odpadowego oczyszczanych gazów za pomocą instalacji SFR stanowi dodatkowy element projektu istotny z punktu widzenia efektów ekonomicznych instalacji. Etap 35. Wykonanie pierwszej wersji instalacji pilotażowej oczyszczania biogazu i odzysku/wymiany ciepła na bazie SFR oraz wstępna analiza ekonomiczna Etap obejmuje następujące zagadnienia: wykonanie badań wymiany masy w reaktorze hydrocyklonowym na wybranym układzie gaz/ciecz, montaż i opracowanie programu sterującego instalacją, opracowanie modelu transferu masy w reaktorze cyklonowym, analizę wyników. 107

107 badania efektywności wymiany i odzysku ciepła oczyszczanych gazów i optymalizacja konstrukcji Etap 36. Wykonanie ostatecznej wersji instalacji pilotażowej oczyszczania biogazu i odzysku/wymiany ciepła na bazie SFR oraz analiza ekonomiczna Etap obejmuje budowę instalacji pilotażowej oraz wykonanie prób na terenie wybranej mikrobiogazowni. W ramach etapu zostanie wykonane następujące prace: budowa układu prototypowej instalacji oczyszczenie biogazu, badania optymalizacyjne instalacji w zakresie efektywności oczyszczania biogazu, badania optymalizacyjne instalacji prototypowej w celu zwiększenia efektywności wymiany i odzysku ciepła oczyszczanych gazów, analiza ekonomiczna uwzględniająca efektywność oczyszczania gazu i odzysku ciepła. Etap 37. Wykonanie instalacji oczyszczania syngazu Podstawowym problemem dla wykorzystania zgazowania do produkcji energii elektrycznej w silnikach gazowych jest oczyszczenie gazu z substancji smolistych i pyłów do poziomu akceptowanego przez producentów silników. Najbardziej obiecującą technologią jest mycie tych gazów olejem i następnie sprawne oczyszczanie tego oleju i jego filtracja. Obecnie w trakcie testów jest kilka systemów tego typu między innymi stosowany w instalacji zgazowania w Gussing i system firmy Dahlman. Opracowanie własnego efektywnego systemu może otworzyć możliwości rozwoju technologii wysoko efektywnej produkcji prądu. W ramach etapu zostanie wykonane następujące prace: budowa przez firmę MTF układu oczyszczenie gazu z substancji smolistych i pyłów (1.5 MW), szczegółowa analiza wpływu instalacji zgazowania na środowisko, określenie zakresu zmian konstrukcyjnych urządzeń do zgazowania wymaganych dla sprzęgnięcia ich z systemami oczyszczania gazu, przewiezienie instalacji do firmy Ekologiczne Materiały Grzewcze Sp. z o.o. (EMG) w Szepietowie spółki zależnej partnera przemysłowego, gdzie jest zlokalizowana zgazowarka firmy Modern Technologies & Filtration Sp. z o.o.w Warszawie (MTF), analiza odpadów powstałych w procesach oczyszczania gazów, ocena niezawodności pracy i problemów eksploatacyjnych takich rozwiązań, 108

108 ustalenie optymalnych warunków oczyszczania i spalania gazów w istniejących instalacjach zgazowania odpadów. Etap 38. Badania i optymalizacja układu oraz opracowanie wytycznych dla instalacji pilotażowej Wykonana w ramach etapu 37 instalacja oczyszczania syngazu zostanie zbadana w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych. W ramach etapu zostaną wykonane następujące prace optymalizacyjne warunków oczyszczania i spalania gazów w istniejących instalacjach zgazowania odpadów: analiza pracy systemu oczyszczania gazu, przygotowanie wytycznych dla przeprowadzenia zmian i ulepszeń systemu, modernizacja układu zgazowania w celu podniesienia kaloryczności oczyszczanego syn gazu obejmująca modernizację układu wygarniania popiołu, instalację układu natleniania i wytwornicy pary, redukcję nieszczelności, instalację zabezpieczeń przed cofaniem płomienia oraz wentylatorów gazu w wykonaniu EX, instalację układu awaryjnego zrzutu gazu, instalację układu podsuszania zrębków, wykorzystującego ciepło spalin i chłodzenia silnika zasilanego syngazem, przeprowadzenie zmian oraz analiza działania systemu po wdrożeniu opracowanych modyfikacji, opracowanie wytycznych dla projektu instalacji przemysłowej. Etap 39. Wykonanie stanowiska do produkcji wodoru z biogazu, badania i optymalizacja układu oraz opracowanie wytycznych dla instalacji pilotażowej W ramach Etapu 39 zaprojektowane zostanie stanowisko mikrofalowe do plazmowej produkcji wodoru wyposażone w mikrofalowy generator plazmy. Zostaną zaprojektowane i wykonane różne typy mikrofalowych generatorów plazmy, które będą testowane na zbudowanym stanowisku mikrofalowym do produkcji wodoru. Etap ten pozwoli określić wpływ parametrów procesowych na skuteczność konwersji plazmowej wybranych wyższych węglowodorów zawartych w gazie ze zgazowania biomasy. Zostanie zbadany wpływ składu początkowego mieszanki, natężenia przepływu, intensywności chłodzenia i mocy mikrofal. Przeprowadzone zostaną badania w celu minimalizacji kosztów, minimalizacji wytwarzania sadzy oraz oceny potencjalnej emisji zanieczyszczeń do środowiska. 109

109 Etap 40. Wykonanie i badania rozwojowe instalacji pilotażowej do produkcji wodoru z biogazu Na podstawie wyników uzyskanych w Etapie 39 opracowany zostanie prototypowy moduł do plazmowej konwersji węglowodorów dla zastosowania w rozproszonych systemach produkcji energii z biomasy. Moduł ten będzie wyposażony w mikrofalowy generator plazmy o optymalnej konstrukcji dla zastosowań przemysłowych. Główny wysiłek zostanie skierowany na zbudowanie urządzenia o możliwie prostej konstrukcji przy zachowaniu wymaganych parametrów procesowych. Etap 41. Badanie, wytwarzanie, charakteryzacja i testowanie nowych materiałów do produkcji stosu ogniw paliwowych SOFC W ramach Etapu 41 przeprowadzone zostaną badania nad wytworzeniem, charakteryzacją i testami nowych materiałów dla stosu ogniw paliwowych SOFC. Przegrody ogniw paliwowych, uszczelnienia oraz interkonektory stanowią powtarzalne elementy stosu ogniw SOFC. Nowe materiały anodowe, katodowe i elektrolitowe, będące substratami do wytworzenia przegród ogniw paliwowych, zostaną zaproponowane, scharakteryzowane i dostarczone przez Akademię Górniczo-Hutniczą (AGH) do Oddziału Ceremiki Cerel Instytutu Energetyki (IEn Cerel). W oparciu o dostarczone materiały IEn Cerel wykona małogabarytowe przegrody ogniw paliwowych na podłożu anodowym. Wytworzone w IEn Cerel ogniwa wykorzystane zostaną do badań kinetyki elektrodowej, oraz charakteryzacji metodami prądowo-napięciowymi (AGH). Wyniki badań stanowić będą jedno z kryteriów oceny potencjału materiałowo-konstrukcyjnego przegrody ogniwa do zastosowań w stosie ogniw tlenkowych (Kryterium K-1). Równocześnie IEn we współpracy z Instytutem Technologii Materiałów Elektronowych prowadzić będzie badania nad udoskonaleniem uszczelnień stosu ogniw. Zasadniczym celem tych działań jest uzyskanie uszczelnień umożliwiających możliwie pełne wykorzystanie paliwa i utleniacza gazowego w stosie ogniw SOFC. Wyniki badań stanowić będą kryterium oceny potencjału materiałowo-konstrukcyjnego uszczelnienia do zastosowań w stosie ogniw tlenkowych (Kryterium K-2). Dodatkowo, IEn przeprowadzi testy szeregu stali ferrytowych jako materiały na interkonektory dla stosów ogniw paliwowych. 110

110 Etap 42. Rozwój technologii wytwarzania pełnowymiarowych ogniw SOFC na podłożu anodowym do zastosowań w module stosów SOFC W ramach etapu 42 wybrane rozwiązania materiałowo-konfiguracyjne przegrody ogniwa paliwowego wyselekcjonowane (etap 41) zostaną przeskalowane w IEn Cerel do rozmiarów pełnogabarytowych. Pełnowymiarowe przegrody ogniw zostaną poddane testom na stanowisku badań ogniw pełnowymiarowych w IEn. Wyniki badań wykorzystane zostaną do optymalizacji osiągów ogniwa (IEn, IEn Cerel). Przegrody spełniające postawione wymagania (Kryterium K-3) wykorzystane zostaną jako elementy konstrukcyjne krótkiego stosu ogniw. Dodatkowo, spełnienie kryterium K-4 uzasadni opracowanie technologii wytwarzania przegród ogniw do skali ćwierć-technicznej (IEn Cerel). W przypadku niespełnienia postawionych wymogów, IEn pozyska przegrody ogniw do konstrukcji stosu w ramach współpracy z partnerem zagranicznym (18 miesiąc projektu). Etap 43. Badania modelowe, określenie konfiguracji i opracowanie założeń konstrukcyjnych modułowego stosu ogniw paliwowych SOFC W ramach Etapu 43, IEn przeprowadzi modelowanie modułowego stosu ogniw SOFC. Wyniki prac modelowych wykorzystane będą do określenia konfiguracji konstrukcyjno-materiałowej modułowego stosu ogniw SOFC. Etap 44. Badania krótkich stosów ogniw SOFC skonstruowanych z zastosowaniem nowych materiałów i technologii Wytworzenie i badania krótkich stosów z ograniczoną liczbą przegród ogniw stanowią niezbędny etap rozwoju modułowego stosu ogniw SOFC. Planowany jest szeroki zakres testów w tym badania szczelności stosu, badania napięciowe, badania osiągów prądowo-napięciowych, badania trwałości stosu, badania korozyjne, badania wpływu wybranych paliw gazowych na osiągi stosu, badania w zakresie różnych temperatur pracy oraz badania przy różnym poziome obciążenia prądowego stosu. W oparciu o Kryterium 5 podjęta zostanie decyzja o zastosowaniu wybranych rozwiązań materiałowokonstrukcyjnych do budowy pełnowymiarowego stosu na Etapie 45. Etap 45. Projekt wykonawczy, konstrukcja i badania modułowego stosu ogniw paliwowych o mocy elektrycznej 2.5 kw Etap 45 zostanie zapoczątkowany intensywnym modelowaniem projektowym stosu ogniw o mocy 2,5 kw. Celem obliczeń modelowych będzie określenie geometrycznych charakterystyk stosu w oparciu o doświadczalnie zweryfikowany model osiągów przegrody 111

111 ogniwa, model stosu ogniw oraz modele pomocnicze (m.in. model uszczelnienia oraz model mechaniki stosu). Wynikiem badań modelowych będzie projekt wykonawczy stosu ogniw AS- SOFC. Kolejnym działaniem w ramach Etapu 45 będzie pozyskanie elementów konstrukcyjnych stosu wg. specyfikacji technologicznej projektu wykonawczego oraz konstrukcja stosu o mocy elektrycznej 2,5 kw. Jednocześnie, opracowany zostanie harmonogram testów stosu ogniw. Do celów badań stosu ogniw przystosowane zostanie stanowisko badawcze, którego konstrukcja zostanie zakończona w roku bieżącym. Stanowisko to umożliwi testowanie stosów ogniw tlenkowych o mocy elektrycznej do 3 kw przy zasilaniu paliwem z reformera parowego metanolu. Alternatywnie, możliwe będzie zasilanie stosu ogniw mieszanką symulującą szereg alternatywnych paliw gazowych (gaz syntezowy otrzymany ze zgazowania biomasy/węgla, LPG, biogaz itd.). Wyniki testów stosu wykorzystane zostaną do weryfikacji modeli obliczeniowych skonstruowanych w początkowym etapie prac Etapu 45. Etap 46. Opracowanie założeń konstrukcyjnych układu sprzężonej generacji energii elektrycznej i ciepła w oparciu o skalowalny moduł stosu ogniw SOFC W ramach etapu 46 opracowane zostaną założenia konstrukcyjne układu sprzężonej generacji energii elektrycznej i ciepła w oparciu skalowalny moduł stosu ogniw SOFC. Układ ten umożliwi jednoczesną generację mocy elektrycznej i ciepła użytkowego (gorąca woda na potrzeby użytkowe) ze sprawnością elektryczną 30-45%, oraz sprawnością całkowitą 75-90%. Sprawność elektryczna i całkowita układu uzależniona jest od rodzaju dostarczanego paliwa gazowego. Podstawą opracowania konstrukcji układu będą obliczenia pakietu symulacyjnego AspenPlus, oraz pakietu CFD Fluent, wspomagane obliczeniami inżynieryjnymi. Etap 47. Projekt wykonawczy, konstrukcja i badania układu sprzężonej generacji energii elektrycznej i ciepła na bazie ognia paliwowego W oparciu o osiągi prądowe stosu ogniw, oraz wyniki obliczeń projektowych opracowany zostanie projekt wykonawczy sprzężonego układu CHP. Projekt wykonawczy obejmował będzie również układ naboru danych i sterowania umożliwiający pełną identyfikację układu energetycznego. Następnie pozyskane zostaną elementy konstrukcyjne prototypu układu. Na tym etapie planowane są również badania nad konstrukcją palnika bezpłomieniowego umożliwiającego dopalenie paliwa resztkowego. Kolejnymi działaniami w ramach Etapu 47 będzie konstrukcja, testy rozruchowe, oraz badania układu sprzężonej generacji mocy i ciepła (mikro-chp). Określone zostaną charakterystyki osiągów pracy, 112

112 w tym sprawność elektryczna i sprawność całkowita układu zasilanego rzeczywistym lub symulowanym, oczyszczonym biopaliwem. Etap 48. Separacja dwutlenku węgla z biogazu z wykorzystaniem cieczy jonowych Proponowany we wniosku zakres badań obejmie następujące trzy części: (a) dobór ILs do absorpcji CO 2 z mieszanin gazowych. Opracowanie metodyki immobilizacji cieczy jonowych oraz wybranych roztworów wodnych w porach nośników polimerowych oraz ceramicznych o zdefiniowanej wielkości porów. Badanie prężności par nad roztworem IL- CO 2 w różnych temperaturach. (b) badanie zdolności absorpcyjnej CO 2 przez ciecze jonowe oraz ich wodne roztwory w kolumnach absorpcyjnych zastosowanie mieszaniny gazowej CO 2/CH 4 o różnym stosunku obu gazów. Separacja CO 2 z mieszaniny gazowej CO 2/CH 4 w układzie laboratoryjnym zawierającym ciekłą membranę osadzoną na nośniku - uwzględnienie różnego stosunku obu gazów, temperatur oraz ciśnień. (c) Ocena efektywności i selektywności procesu absorpcji prowadzonego w różnych warunkach próba doboru parametrów procesowych pozwalających na uzyskanie wysokiej selektywności separacji przy jednoczesnej wysokiej efektywności. Separacja CO 2 ze złożonych mieszanin gazowych zawierających obok CO 2 i CH4 dodatkowo H2S oraz NH3 w wybranych warunkach prowadzenia procesu. Adn.a. Wstępny przegląd literatury naukowej dotyczącej cieczy jonowych mogących znaleźć zastosowanie w procesach absorpcji CO 2 z mieszanin gazowych, pozwolił na zaproponowanie imidazoliowych cieczy jonowych, które zostaną wykorzystane w projekcie: bis[tri(fluorometylo)sulfonylo)imid] 1-etylo-3-metyloimidazoliowy bis[tri(fluorometylo)sulfonylo)imid] 1-butylo-3-metyloimidazoliow bis[tri(fluorometylo)sulfonylo)imid]1-heksylo-3-metyloimidazoliowy heksafluorofosforan 1-etylo-3-metyloimidazoliowy heksafluorofosforan 1-butylo-3-metyloimidazoliowy tetrafluoroboran 1-etylo-3-metyloimidazoliowy tetrafluoroboran 1-butylo-3-metyloimidazoliowy triffluorometanosulfonyl 1-etylo-3-metyloimidazoliowy triffluorometanosulfonyl 1-butylo-3-metyloimidazoliowy triffluorometanosulfonyl 1-heksylo-3-metyloimidazoliowy 113

113 wodne roztwory w/w cieczy jonowych. Proponowany zestaw cieczy jonowych umożliwi ocenę wpływu długości łańcucha węglowodorowego (w kationie cieczy jonowej) oraz rodzaju anionu na efektywność i selektywność procesu absorpcji CO 2. Wstępne badania przeprowadzone przez wnioskodawców wskazują na fakt, że tego rodzaju rozpuszczalniki mogą stanowić stabilny materiał ciekłej membrany immobilizowanej w porach nośnika ceramicznego oraz polimerowego (Joskowska, Łuczak et al. 2008). W badaniach proponuje się zastosować nośniki polimerowe, wyszczególnione w Tabeli B6 oraz ceramiczne przygotowane według własnej metody spiekania szkła. Wstępne wyliczenia wskazują, że siły kapilarne dla porów o średnicy 0,2 µm powinny zapewniać bardzo dobrą stabilność mechaniczną membrany, zakładając doskonałą zwilżalność nośnika przez ciecz jonową (Joskowska, Łuczak et al. 2008). W związku z faktem, że membrana osadzana jest w porach otwartych, parametr ten dla wykorzystywanych w doświadczeniach nośników zostanie wyznaczona za pomocą analizatora powierzchni właściwej i porowatości, sorpcji i desorpcji BET (GEMINI V model 2365). Tabela B6. Proponowane polimerowe i ceramiczne nośniki ciekłych membran Materiał nośnika membrany SILM Średnica porów [µm] Porowatość całkowita [%] Azotan celulozy 0, Octan celulozy, azotan celulozy - mieszanina 0, Polieterosulfon 0, Politereftalan etylenu 0, Polidimetylosiloksan 0, Szkło Proponowany zestaw nośników polimerowych charakteryzuje się odpornością na korozję w środowisku organicznym oraz wystarczająco dużą i niezmienną w czasie porowatością. Możliwość zastosowania porowatych materiałów ceramicznych, jako nośników immobilizowanych cieczami jonowymi wykorzystywanych w technologii oczyszczania strumieni gazowych, jak dotąd nie została opisana w literaturze. Immobilizacja absorbentu na 114

114 nośniku polimerowym przeprowadzona zostanie zgodnie z procedurą opisaną przez: Scovazzo i in. (Scovazzo, Kieft et al. 2004) oraz Fortunato i in. (Fortunato, Afonso et al. 2004). Metodyka otrzymywania SILM opiera się na nasyceniu nośnika polimerowego roztworem cieczy jonowej. Membrany ciekłe immobilizowane mogą być również formowane metodą wylewania roztworu stanowiącego mieszaninę polimeru i fazy organicznej. Eksperymentalnie dobrana zostanie najbardziej efektywna metoda immobilizacji. Metodyka immobilizacji cieczy jonowej w porach materiału ceramicznego zostanie przeprowadzona na podstawie metodyki opisanej przez Kosmulski i in (Kosmulski, Szafran et al. 2005). Wyznaczenie równowagi gaz-ciecz dla CO 2, CH 4, przeprowadzone zostanie ze względu na znaczne rozbieżności tych parametrów opublikowanych dotychczas w literaturze naukowej. Ponadto brak jest danych dotyczących H 2S, NH 3. Metodą powalającą w prosty sposób oszacować rozpuszczalność danego gazu w cieczy jonowej jest wyznaczenie stałej Henry ego Konieczny do wyznaczenia stałej Henry ego ułamek molowy gazów (CO 2, CH 4) w cieczy jonowej zostanie oznaczony metodą grawimetryczną z zastosowaniem wagi sorpcyjnej umożliwiającej pomiar sorpcji par i gazów w Instytucie Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN w Krakowie. Ponadto wyznaczona zostanie zależność stałej Henry ego od temperatury w przedziale o C. Adn b. Zdolności absorpcyjne cieczy jonowych mogą również zostać wykorzystane w istniejących układach kolumn absorpcyjnych pracujących w układzie absorpcja-desorpcja. Dlatego proponuje się wykonanie badań efektywności usuwania CO 2 na laboratoryjnym zestawie badawczym przedstawionym na Rys. B11. Próby absorpcji prowadzone będą pod ciśnieniem 2-10 atm i w temperaturach 10, 20, 30 o C. Regeneracja absorbentu będzie prowadzona poprzez zmniejszenie ciśnienia i podgrzanie cieczy jonowych do 50ºC. W skład układu badawczego będzie wchodził analizator gazów umożliwiający pomiar on-line wszystkich strumieni gazowych, umożliwiając dokonanie bilansu masowego kolumn. Ze względu na wysokie koszty cieczy jonowych próby będą wykonywane z użyciem roztworów wodnych absorbentu, a układ badawczy będzie posiadał niewielkie rozmiary (objętość kolumn będzie wynosiła około 0,7 dm 3 ). Zmiany stężenia CO 2 będzie osiągana poprzez regulację przepływu gazów (w stężeniach objętościowych 20-40% CO 2) z ciśnieniowych zasobników gazów. Desorpcja CO 2 będzie przebiegała do strumienia azotu podawanego z zasobnika ciśnieniowego (4). Dysponując wynikami absorpcji w układzie modelowym oraz danymi równowagi gaz-ciecz (stała Henry ego), zależnościami rozpuszczalności CO 2 od temperatury i ciśnienia, danymi hydrodynamicznymi (powierzchni wymiany masy, zatrzymania cieczy i gazu w kolumnach i innymi) oraz współczynnikami wnikania masy w obu fazach, możliwe będzie przewidzenie i projektowanie pracy kolumn przemysłowych. 115

115 CO CH 4 2 P P N 4 F T F T Rys. B11. Schemat układu badawczego do absorpcji CO2 i regeneracji cieczy jonowych. 1 zasobnik ciśnieniowy CO2, 2 zasobnik ciśnieniowy CH4, 3 rotametr, 4 zasobnik ciśnieniowy N2, 5 wymienniki ciepła, 6 kolumna absorpcyjna, 7 pompa, 8 przemiennik częstotliwości, 9 kolumna de sorpcyjna. Badanie separacji CO 2 z mieszaniny gazowej CO 2/CH 4 przeprowadzone zostaną w układzie laboratoryjnym zawierającym moduł z ciecz jonową osadzoną na nośniku. Schemat układu przedstawiono na Rys. B12. Najistotniejszym elementem układu jest membrana z cieczą jonową, w której zachodzi separacja CO 2. Membrana z cieczą jonową umieszczona jest w termostacie z obiegiem wody chłodzącej (1) proponowane temperatury prowadzenia procesu to: 10, 20, 30, 40, 50 o C. Termostat zaopatrzony jest w mieszadło oraz elektroniczny czujnik temperatury (11). Pożądaną ilość gazu osiąga się przez dozowanie mieszaniny wzorcowej np.: CO 2 i CH 4 (w stężeniach objętościowych 40% CO 2 do 60% CH 4) z ciśnieniowych zasobników gazów (2,3) do N 2 (gaz obojętny) (4). Objętościowe natężenia przepływu gazów mierzone są za pomocą rotametrów (9), natomiast ciśnienie za pomocą manometrów (10). Natężenie przepływu gazu jest regulowane za pomocą zaworów (8). Efektywność separacji CO 2 od CH 4 po przejściu przez membranę będzie określana na podstawie pomiaru stężeń poszczególnych gazów w strumieniu opuszczającym komorę A i komorę B. Pomiar stężenia CO 2 będzie wykonywany przy pomocą analizatora gazów oraz sprawdzony chemicznie poprzez absorpcję CO 2 w roztworze wodorotlenku baru. W celu określenia współczynnika separacji CO 2 od CH 4 dokonany zostanie pomiar stężenia CH 4 za 116

116 pomocą analizatora gazów oraz sprawdzany okresowo chromatograficznie z zastosowaniem chromatografu gazowego GC Varian 3600 wyposażonego w detektor FID. W badaniach uwzględnione zostanie także zmienne stężenie CO 2 w modelowej mieszaninie gazowej od 20 do 40% CO CH N B A 3 4 Rys. B12. Schemat układu laboratoryjnego do usuwania CO2 z fazy gazowej z zastosowaniem cieczy jonowych immobilizowanych w porach nośnika: 1 - termostat, 2 zasobnik ciśnieniowy CO2, 3 zasobnik ciśnieniowy CH4, 4 zasobnik ciśnieniowy N2, 5, 6, 7 zawory redukcyjne, 8 - zawór iglicowy, 9 rotametr, 10 elektroniczny przekaźnik ciśnień, 11- elektroniczny czujnik temperatury, 12,13,14 miejsca poboru gazów do analizy, A - część komory z gazem obojętnym, B część komory z biogazem. Przeprowadzone zostaną również doświadczenia, w których na nośnikach osadzane będą wodne roztwory cieczy jonowych. W tym przypadku sposób postępowania będzie analogiczny jak wyżej opisano (immobilizacja, badania separacyjne w układzie modelowym). Zamierzeniem wnioskodawców jest opracowanie procesu usuwania CO 2 charakteryzującego się wysoką efektywnością i selektywnością. Prowadzenie eksperymentów w różnych warunkach temperatury i ciśnienia dostarczy danych umożliwiających określenie najkorzystniejszych parametrów procesowych. Adn c. Kolejnym etapem realizacji projektu będzie usuwanie CO 2 ze złożonych mieszanin gazowych. Proponuje się uwzględnić w badaniach dwa dodatkowe gazy: H 2S oraz NH 3. Jak wspomniano w przeglądzie literatury konieczność usówania H 2S z biogazu wynika z korozyjności tego związku, natomiast NH 3 z toksyczności. Badania przeprowadzone zostaną według metodyki opisanej powyżej zarówno w układzie typowych kolumn 117

117 absorpcyjnych jak i w układzie zawierającym moduł z ciekłą membraną w celu porównania efektywności i selektywności obu procesów. Warunki separacji złożonej mieszaniny gazów zostaną dobrane na podstawie otrzymanych wyników badań dla mieszaniny CO 2/CH 4. Etap 49. Fotokonwersja dwutlenku węgla do lekkich węglowodorów Badania własne autorów wniosku pozwoliły na opracowanie metodyki otrzymywania fotokatalizatorów o przewidywanej aktywności w zakresie UV lub VIS. Między innymi wykazano, że TiO 2 modyfikowany siarką, azotem, borem lub węglem jest aktywny w reakcjach degradacji substancji organicznych w fazie wodnej pod wpływem światła z zakresu widzialnego (λ>400 nm). Wstępne badania własne wykazały również że TiO 2 modyfikowany srebrem wykazuje wyższą aktywność w reakcji fotokonwersji CO 2 do etenu niż czysty TiO 2. Proponowane badania byłyby skoncentrowane na opracowaniu katalizatora efektywnego w procesie fotokonwersji CO 2 w pod wpływem światła widzialnego/słonecznego oraz układu do wydajnego prowadzenia tej reakcji. Proponuje się następujące działania badawcze: (a) opracowanie metody otrzymywania fotokatalizatorów o wysokiej wydajności kwantowej w reakcji fotokonwersji CO2 (TiO2 modyfikowany metalami i niemetalami). (b) Badanie efektywności fotokonwersji CO2 w fazie gazowej i ciekłej (wpływ geometrii reaktora i stosowanego źródła światła). (c) Opracowanie nowych efektywnych fotoreaktorów do fotokonwersji CO 2. Adn (a) Fotootokatalizatory będą otrzymywane metodą zol-żel lub metodą impregnacji powierzchniowej domieszkowane zarówno metalami (Ag, Au, Pt, Cu) jak i niemetalami (B, F, N, S, C). Autorzy wniosku mają doświadczenie w otrzymywaniu fotokatalizatorów obydwiema metodami. Otrzymane fotokatalizatory zostaną poddane charakterystyce, celem dokładnego opisu zjawiska fotoredukcji CO 2 i poszukiwania bardziej efektywnych fotokatalizatorów w realizacji omawianego celu. Adn (b) Badania efektywności fotokonwersji CO 2 z zastosowaniem otrzymanych fotokatalizatorów, prowadzone będą w fazie gazowej oraz w fazie wodnej nasyconej CO 2. Badania będą obejmowały m.in. wyznaczenie wpływu stężenia początkowego CO 2, natężenia przepływu, stężenia pary wodnej (reakcja w fazie gazowej), stężenia łapaczy ładunków (reakcja w wodnej zawiesinie TiO 2) na efektywność fotokonwersji oraz wyznaczenie wydajności kwantowej reakcji fotokonwersji w obecności wybranych fotokatalizatorów. Badania te pozwolą na wybór najbardziej aktywnego materiału fotokatalitycznego w świetle widzialnym w kontekście fotokonwersji CO 2 do lekkich węglowodorów. 118

118 Adn (c) Zaprojektowane zostaną fotoreaktory pozwalające na efektywne wykorzystanie promieniowania słonecznego lub promieniowania UV emitowanego przez promienniki do prowadzeni fotokonwersji CO 2: (i) Fotoreaktor rurowy z TiO2 osadzonym na przegrodzie porowatej wyposażony w paraboliczne zwierciadło do koncentracji promieniowania słonecznego (ii) Fotoreaktor cienkowarstwowy (faza wodna nasycona CO 2 będzie przepływała cienka warstwą pomiędzy dwoma płytami wykonanymi z materiału przejrzystego dla promieniowania UV-Vis, modyfikowany TiO 2 będzie osadzony na wewnętrznej powierzchni płyty stanowiącej tylko ścianę fotoreaktora) (iii) Fotoreaktor z wirującą warstwą (faza wodna nasycona CO 2 będzie będzie wprowadzana w postaci cienkiej wirującej warstwy wokół powierzchni lampy UV). Etap 50. Diagnostyka spalania biednych mieszanek biogazowych w silnikach i turbinach spalinowych Zakres badań obejmie następujące podzadania: - Budowa modelu teoretycznego kinetyki plazmo-chemicznej w płomieniach węglowodorowych. W ramach projektu podjęte zostaną badania teoretyczne i eksperymentalne procesu spalania biednych mieszanek w okolicach warstwy przyściennej. Opracowana zostanie model kinetyki plazmo-chemicznej i jego optymalizacja. - Badanie procesów spalania węglowodorów i katalizy w warstwie przyściennej Przebadany zostanie wpływ warstwy przyściennej na kinetykę i dynamikę plazmy w różnych płomieniach węglowodorowych z wykorzystaniem modelu Cząsteczka-W- Komórce (PIC MC). Uwzględnione zostaną mechanizmy dyfuzji plazmy oraz jej zanik w warstwie przyściennej. Oceniony zostanie wpływ warstwy na wskazania sondy Langmuira. Rozwiązania proponowane w projekcie umożliwią wytwarzanie nanostruktur katalitycznych o maksymalnie dużej powierzchni właściwej, które znajdą zastosowanie do spalania mieszanek ubogich. Struktury katalityczne wykonane będą na bazie metali, związków metaloorganicznych i nieorganicznych halogenków lub tlenków. W pracach wykorzystane zostaną metody elektrohydrodynamiczne i plazmowe wytwarzania nanostruktur katalitycznych na różnych podłożach. 119

119 Etap 51. Materiały oraz technologie wytwarzania kluczowych elementów układów ORC W ramach prac przygotowawczych wykonane zostaną: a) analiza obecnie istniejących rozwiązań materiałowych oraz obserwowanych problemów w zakresie stosowania materiałów zmiennofazowych (ang. phase change material PCM) w magazynach energii cieplnej, stanowiących element w układach produkujących prąd i/lub ciepło z OŹE; (b) zbadanie, przedstawienie i analiza propozycji rozwiązania problemów materiałowych, celem opracowania koncepcji magazynu energii cieplnej, jako elementu w układzie mikrosiłowni kogeneracyjnej ORC, z wykorzystaniem materiałów zmiennofazowych (ang. PCM); Warianty zróżnicowane w oparciu o: 1) różne materiały zmiennofazowe (organiczne, nieorganiczne etc.), i/lub 2) różne konfiguracje elementu magazynującego pod względem wymiany ciepła; Ad a Analiza zostanie wykonana na podstawie dostępnej literatury przedmiotu (publikacje naukowe, normy materiałowe, katalogi, materiały konferencyjne) oraz na podstawie doświadczeń własnych autorów, a także w oparciu o oferty rozwiązań komercyjnych, dostępnych na rynku światowym. Analiza obejmie swoim zakresem: prowadzone dotychczas badania w zakresie magazynowania energii cieplnej, przy użyciu materiałów zmiennofazowych (ang. PCM), w różnych układach wykorzystujących odnawialne źródła energii (OŹE), ze szczególnym uwzględnieniem układów z ORC, w skali domu jednorodzinnego; rozwiązania dostępne w fazie komercyjnej na rynku światowym; rozwiązania i grupy materiałów zmiennofazowych (ang. PCM), które potencjalnie charakteryzują się własnościami pożądanymi jako elementy systemów magazynujących lub stabilizujących/buforujących popyt i podaż energii cieplnej np. w układzie mikrosiłowni ko-generacyjnej, działającej w oparciu o ORC i wykorzystującej OŹE, w skali domu jednorodzinnego. Zebrane dane mają służyć do wytypowania we współpracy z konstruktorami - określonego materiału lub kilku rodzajów materiałów, oraz ich optymalnej konfiguracji z uwagi na wymianę ciepła, o najkorzystniejszych własnościach i cechach dla określonego podzespołu. Ad b Analiza zostanie wykonana we współpracy ze specjalistami celem wytypowania potencjalnych lokalizacji dla magazynu energii cieplnej w układzie mikrosiłowni kogeneracyjnej, działającej w oparciu o ORC i wykorzystującej OŹE, a w efekcie celem wytypowania elementu w układzie, dla którego zastosowanie akumulatora ciepła 120

120 z materiałami zmiennofazowymi będzie potencjalnie najefektywniejsze energetycznie i ekonomicznie. Koncepcja skupi się na zagadnieniu magazynowania energii cieplnej, przy wykorzystaniu materiałów zmiennofazowych (ang. PCM), dla wytypowanego elementu/fragmentu układu mikrosiłowni kogeneracyjnej, działającej w oparciu o ORC i wykorzystującej biomasę (lub w wyjątkowej sytuacji również inne OŹE, w układzie hybrydowym). Ostateczna decyzja o wyborze finalnej koncepcji magazynu energii cieplnej, wykorzystującego wybrany w ramach analizy i badań materiał zmiennofazowy uwzględni następujące czynniki i efekty badań: właściwości mechaniczne poszczególnych elementów powinny spełniać warunki wytrzymałościowe wynikające z obciążeń generowanych w trakcie pracy, właściwości eksploatacyjne konstrukcji wynikające z warunków pracy (np. działanie czynnika niskowrzącego na poszczególne elementy, temperatura pracy, itp.), powinny zapewnić możliwość użytkowania urządzenia w ekonomicznie uzasadnionym czasie, technologia montażu powinna gwarantować niezawodność pracy, przy uwzględnieniu odpowiednich metod łączenia poszczególnych elementów konstrukcji, rachunek ekonomiczny, powinien wynikać z możliwie najkorzystniejszej relacji jakość/cena, uwzględniając przewidywaną wielkość produkcji, okresy gwarancji, serwisowania oraz żywotności konstrukcji. Etap 52. Nowe materiały funkcjonalne dla elementów układów energetyki rozproszonej Zakres badań obejmie następujące podzadania: (a) Badania wytwarzania oraz właściwości nanowarstw katalitycznych i kompozytów matrycowych. (b) Badania proeksploatacyjne i opracowanie podstaw technologii nanowarstw katalitycznych oraz powłok kompozytowych na stoisku pilotowym. (c) Badania żywotności nowych materiałów funkcjonalnych dla elementów układów energetyki rozproszonej. Układy kogeneracyjne nowego typu stawiają wysokie wymagania stosowanym w nich materiałom, co wynika z warunków pracy elementów tych układów oraz kryteriów niezawodności i dużej trwałości. Jednocześnie, technologia wykonania powinna być atrakcyjna ekonomicznie, aby wynikowy koszt układu siłowni kogeneracyjnej zapewnił 121

121 sukces komercyjny poprzez dostosowanie ceny do możliwości inwestycyjnych szerokiego grona potencjalnych użytkowników. Zadania projektu będą realizowane w ścisłym powiązaniu z wymaganiami, określonymi przez zespoły opracowujące kluczowe elementy siłowni, takie jak np: ogniwa paliwowe, kocioł spalania biomasy, pompa obiegu, oraz turbina generatora. W odniesieniu do wymienionych elementów, w szczególności takich jak: elementy ogniw paliwowych, ułopatkowanie wirników pomp i turbin, powierzchnie robocze kotłów i wymienników ciepła - z uwagi na specyfikę wymagań konstrukcji - będą badane i proponowane rozwiązania uwzględniające najnowsze wyniki naukowe i zgodne ze światowymi trendami. Należą do nich dedykowane: nanowarstwy materiałów funkcjonalnych, kompozyty ceramiczno-metalowe. W pierwszej części realizacji projektu (48 miesięcy), wykonane zostaną wszystkie planowane badania. Rozpoczną się one opracowaniem zespołu kryteriów technicznych i wymagań dla materiałów, stosowanych w najbardziej narażonych na zniszczenia eksploatacyjne elementach siłowni. Opracowany już przegląd znanych rozwiązań i patentów zweryfikuje zagadnienia do rozwiązania w kontekście stanu badań. Równocześnie, podjęte będą badania nad otrzymywaniem nanowarstw materiałów funkcjonalnych do zastosowań jako katalizatora w ogniwach paliwowych. Wybór TiO2 preparowanego próżniowo poprzez ablację laserową, ma zapewnić wymagany, znaczny stosunek rozwinięcia powierzchni do zajmowanej objętości. O efektywności układu z materiałem tlenkowym decyduje szerokość przerwy wzbronionej, która wpływa na stopień wykorzystania promieniowania oraz różnica poziomów LUMO donora i akceptora, wpływająca na wydajność i szybkość procesu dysocjacji ekscytonu wytworzonego przez fotony promieniowania naświetlajacego. Analiza wyników dla przypadku ditlenku tytanu wskazuje, że fotoreaktywność cząstek rośnie drastycznie ze zmniejszaniem ich wymiaru liniowego poniżej progowej wartości rzędu 20 nm [ 2, 3 ]. Studia doświadczalne właściwości tego materiału są utrudnione, bowiem powtarzalna produkcja cząstek TiO 2 o wymiarach poniżej podanej wartości, powiodła się jak dotychczas jedynie metodami syntezy płomieniowej oraz CVD (Chemical Vapour Deposition) związków metaloorganicznych. W doświadczeniach z użyciem techniki PLD/LVD (Pulsed Laser Deposition) nie uzyskano powtarzalnych wyników. Jest to zastanawiające tym bardziej, że proces PLD można precyzyjnie kontrolować w szerokim zakresie parametrów [ 4, 5, 6 ]. 2 U. Diebold, Surf. Sci. Reports 48 (2003) 53 3 M. Graetzel, Chemistry Letters, 34 (2005) G.F. Gaertner, H. Lydtin, Nanostruct. Mater. 4 (1994) A. Harano, K. Shimada, T. Okubo, M. Sadakata, J. Nanopart. Res. 4 (2002) A. Harano, K. Shimada, T. Okubo, M. Sadakata, J. Nanopart. Res. 4 (2002)

122 W świetle powyższych uwag celowe jest zbadanie zagadnień wytwarzania metodą PLD materiałów półprzewodników tlenkowych o pożądanych wymiarach i strukturze, oraz zbadanie ich własności z punktu widzenia zastosowań w ogniwach paliwowych. Warstwy tych materiałów będą następnie badane w ogniwach doświadczalnych. W przypadku wykładzin ścian kotłów do spalania biomasy, pomp obiegowych i turbin, zagadnieniem szczegółowo badanym będzie opracowanie technologii warstw żaroodpornych i jednocześnie odpornych na korozję wysokotemperaturową. Badania będą również wymagały przygotowania aparatury analitycznej, umożliwiającej ocenę stopnia skorodowania wykładziny/ścianek, przy temperaturze do ok K, w warunkach znacznych zmian wilgotności oraz zapylenia gazów przepływających z prędkościami do 10 m/s. Jednocześnie, rozwijane będą efektywne metody pomiarowe i diagnostyczne, umożliwiające uzyskanie pożądanych charakterystyk badanych materiałów i pozwalające na szybką ocenę ich przydatności do wytwarzania określonych podzespołów układów kogeneracyjnych. Od uzyskanych wyników w dużej mierze zależeć będzie niezawodność, częstotliwość okresowej obsługi i trwałość elementów układów kogeneracyjnych. W kolejności, skompletowane zostaną specjalizowane dysze podające proszek w strumieniu gazu nośnego i ochronnego. Następnie, wykonane będą próby syntezowania różnych par materiałów rokujących uzyskanie oczekiwanych parametrów materiałowych. Dla nowo opracowanych materiałów wykonane zostaną: badania metalograficzne, wytrzymałościowe oraz tribologiczne, badania zużycia erozyjnego w warunkach modelowej eksploatacji. W zakończeniu tego etapu określona zostanie technologia aplikacji nowoopracowanych i przebadanych materiałów. Technologia ta będzie zastosowana do wykonania katalizatorów oraz warstw kompozytowych i stopowych na elementach siłowni pilotowej. W drugim etapie projektu (12 miesięcy) na stoisku instalacji pilotowej siłowni kogeneracyjnej wykonane zostaną badania opracowanych w poprzednim etapie materiałów, w warunkach odpowiadających eksploatacyjnym. Głównym wynikiem realizacji projektu będzie opracowanie technologii wytwarzania oraz zastosowanie w elementach konstrukcji pilotowych układów kogeneracji, katalizatorów na bazie nanowarstw tlenkowych, oraz kompozytowych powłok ochronnych typu MMC. Odznaczać się one powinny wymaganymi parametrami eksploatacyjnymi, takimi jak: sprawność konwersji ładunku w przypadku katalizatora oraz wytrzymałość mechaniczna, odporność na wysokie temperatury, agresywne środowisko chemiczne, zużycie tarciowe i erozyjne w przypadku kompozytów matrycowych. W projekcie rozwijane będą i zostaną wykorzystane m.in. następujące nowe metody plazmowego nanoszenia cienkich warstw : 123

123 pokrycia cienkimi warstwami powierzchni różnych materiałów, zwłaszcza warstwami metalicznymi, tlenkowymi, węglikowymi i glinokrzemianowymi nakładanymi na powierzchnie metalowe lub polimerowe, produkcja kapsułek o wymiarach mikrometrowych lub mniejszych jako półproduktu mikro- i nanokompozytowego do wykorzystania w innych procesach technologicznych w szczególności do wytwarzania nowych materiałów i powłok kompozytowych, selektywne nanoszenie wzorów (patterning) na powierzchnie z rozdzielczością mikrometrową lub mniejszą, produkcja mikro i nanokompozytów złożonych z materiałów heterogenicznych np. metali i tlenków innych metali, tlenków i włókien polimerowych. W projekcie zakłada się, że proponowane rozwiązania będą miały charakter nowatorski, wyprzedzający bieżące zapotrzebowanie przemysłu na nowe technologie. Projekt będzie odpowiadał na nowe strategiczne rozwiązania w zakresie urządzeń energetycznych oraz technologii wytwarzania paliw i energii z biomasy, odpadów rolniczych i innych, oraz ogniw paliwowych. Badanie żywotności materiałów i elementów układów energetyki rozproszonej jest konieczne do analizy czasu pracy urządzenia oraz dla pracujących urządzeń, określenie czasu pracy bez awaryjnej tzw. wytrzymałości resztkowej. Żywotność w najbardziej ogólnym przypadku rozumiana jest jako zdolność do wykonywania określonych funkcji, w określonych warunkach pracy oraz w określonym czasie. Prawidłowe określenie stopnia zużycia urządzeń jest kluczowe dla bezpieczeństwa ich eksploatacji. Obecnie analizy żywotności dokonuje się na podstawie analiz teoretycznych, w których metoda elementów skończonych jest jednym z podstawowych narzędzi, oraz za pomocą badań doświadczalnych. W celu badania żywotności materiałów i urządzeń przeprowadzona zostanie analiza dynamiczna i wytrzymałościowa z wykorzystaniem metody elementów skończonych (MES) z wykorzystaniem programu ANSYS I ABAQUS. Otrzymane wyniki obliczeń MES posłużą do identyfikacji krytycznego fragmentu badanego elementu, z punktu widzenia jego żywotności. W przypadku maszyn przepływowych z układem łopatkowym zostanie przeprowadzona analiza CFD polegająca na określeniu wielkości sił niestacjonarnych działających na łopatki i wirnik. W celu określenia bezawaryjnego czasu pracy elementów dla obciążeń wysokocyklowych zastosowane zastaną metody liniowe (Palmgrena-Minera ) i nieliniowe kumulacji uszkodzeń (Haibacha i Cortena-Dolana). Wytrzymałość niskocyklowa charakteryzuje się występowaniem dużych odkształceń. Odkształcenia te mają charakter sprężysto-plastyczny. Związek liczby cykli i zakresu amplitudy odkształcenia plastycznego opisuje wzór Mansona-Coffina, który zostanie wykorzystany w analizie żywotności. 124

124 Określone zostaną w badanych urządzeniach energetycznych miejsca inicjacji pęknięć, wykorzystując współczynnik koncentracji naprężeń oraz przeprowadzona zostanie analiza propagacji pęknięcia zgodnie ze wzorami Parisa. Etap 53. Zasady przyłączania elektroenergetycznych źródeł wytwórczych do sieci 110 kv OSD (sieci zarządzanej przez Operatora Systemu Dystrybucyjnego). Opracowanie projektu wytycznych przyłączania elektroenergetycznych źródeł wytwórczych do sieci OSD, przeznaczonych do stosowania przez Operatora Systemu Dystrybucyjnego, Urząd Regulacji Energetyki i Ministerstwo Gospodarki Korzystne będzie opracowanie metod i warunków przyłączenia źródeł wytwórczych do sieci 110kV. W przyszłości, przy wykorzystaniu umocowań prawnych URE i MG, opracowanie to będzie mogło posłużyć ustandaryzowaniu zasad przyłączeń źródeł energii elektrycznej, generalnie, do sieci zamkniętej oraz współpracy pomiędzy operatorami OSD i OSP (stąd wskazana jest współpraca przy realizacji tego etapu z OSP). Realizacja zadania ma służyć stworzeniu wytycznych dla przyłączania źródeł energii do sieci zamkniętej. Zasady jakie zostaną umieszczone w tych wytycznych powinny stać się standardem przy rozpatrywaniu możliwości przyłączania do sieci. Wytyczne powinny zidentyfikować wszystkie wymagania wynikające z prawa, jak też z uwarunkowań technicznych sieci, jakie należy przedstawić każdej elektrowni przyłączanej do sieci zamkniętej. Wytyczne powinny także stworzyć opartą na wymogach prawa propozycję zasad współpracy pomiędzy operatorami sieci w celu przyłączania źródeł energii elektrycznej. Wytyczne powinny być konsultowane na etapie ich tworzenia zarówno z PSE Operator SA, jak też z URE i PTPiREE w celu ich możliwie najszerszego zastosowania. Poniżej w Tab. B7 przedstawiono harmonogram prac prowadzonych w ramach etapu. Tab. B7. Harmonogram prac LP. DZIAŁANIE DATA ROZPOCZĘCIA DATA ZAKOŃCZENIA STATUS Opracowanie specyfikacji istotnych warunków zamówienia Uruchomienie postępowania mającego na celu wybór wykonawcy - - WYKONANO - - WYKONANO 125

125 3. Wybór oferty - - WYKONANO 4. Zawarcie umowy - - WYKONANO 5. Realizacja przedmiotu zamówienia - - WYKONANO 6. Odbiór opracowań - - WYKONANO Etap 54. Analiza potencjału rynku usług regulacyjnych dla potrzeb OSD, możliwych do wytworzenia przez lokalne źródła energii elektrycznej w sieci SN (w szczególności opracowanie podstaw wprowadzenia do praktyki usługi zastępowalności inwestycji sieciowych przez lokalne źródła energii). Opracowanie projektu katalogu usług regulacyjnych i zasad ich wyceny dla potrzeb taryfowania usług przesyłowych realizowanych za pomocą sieci OSD, przeznaczonych do wykorzystania przez Operatora Systemu Dystrybucyjnego, Urząd Regulacji Energetyki i Ministerstwo Gospodarki Z punktu widzenia celów projektu i współrealizującego te cele strategicznego partnera przemysłowego czyli Grupy ENERGA korzystne będzie opracowanie zasad uwzględniających wszystkie rodzaje źródeł przyłączanych do sieci SN (wiatrowe, biogazowe, gazowe, biomasowe i in.) zwłaszcza, że rozwój technologii wykorzystujących biomasę jako paliwo pierwotne do wytwarzania energii elektrycznej, jest dość niewielki. Współspalanie w źródłach energetyki zawodowej nie wymaga opracowań proponowanych w tym etapie. Potencjał usług regulacyjnych będący przedmiotem tego etapu jest znany na poziomie sieci 110kV, wymaga natomiast zbadania w sieci SN w odniesieniu do źródeł lokalnych stąd propozycja ograniczenia zakresu opracowania do sieci SN. Realizacja zadania ma służyć zidentyfikowaniu oraz przedstawieniu przez ENERGA-OPERATOR SA wytwórcom energii elektrycznej w sieci lokalnej (generacja rozproszona) produktów biznesowych dotyczących możliwości współpracy przy zapewnianiu odpowiednich parametrów jakościowych energii oraz aktywnego udziału w rozwoju sieci lokalnej. W chwili obecnej temat nie jest rozpoznany pod względem prawnym ani finansowym, ponadto w celu przedstawienia kompleksowego produktu powinien zostać przeanalizowany także pod względem technicznym. Analiza prawna będzie dotyczyła możliwości jakie daje obecnie obowiązujące prawo, jak też orzecznictwo, w kwestii współpracy Operatora sieci ze źródłami energii w sieci lokalnej. Będzie ona podstawą do stworzenia umów z wytwórcami. 126

126 Analiza finansowa dotyczy modelu biznesowego, w którym taka współpraca miałaby się realizować. Należy pamiętać, że musi mieć ona podstawy finansowe i ekonomiczne. Przy czym analiza ma wskazać jakie powinny zostać spełnione warunki, żeby propozycja współpracy z generacją rozproszoną mogła być rozważana. Analiza będzie podstawą do stworzenia ram negocjacyjnych warunków ekonomicznych współpracy z wytwórcami w generacji rozproszonej. Analiza techniczna dotyczy standardów technicznych jakie powinny spełniać źródła generacji rozproszonej, które spełniając uwarunkowania prawne i finansowe, mogłyby podjąć aktywną współpracę z ENERGA-OPERATOR SA. Analiza dotyczyłaby głównie zagadnień związanych z automatyką regulacyjną i zabezpieczeniową, jaka powinna być instalowana u wytwórców, którzy taką współpracę podejmą. ENERGA-OPERATOR SA powinien wykorzystać uzyskane w ten sposób know-how do stworzenia nowego produktu biznesowego dla swoich klientów będących wytwórcami energii w sieci SN. Poniżej w Tab. B8 przedstawiono harmonogram prac prowadzonych w ramach etapu. Tab. B8. Harmonogram prac LP. DZIAŁANIE DATA ROZPOCZĘCIA DATA ZAKOŃCZENIA STATUS Opracowanie specyfikacji istotnych warunków zamówienia Uruchomienie postępowania mającego na celu wybór wykonawcy - - WYKONANO - - WYKONANO 3. Wybór oferty - - WYKONANO 4. Zawarcie umowy - - WYKONANO 5. Realizacja przedmiotu zamówienia - - WYKONANO 6. Odbiór opracowań - - WYKONANO Etap 55. Opracowanie zasad planowania rozwoju sieci dystrybucyjnej 110kV, SN i nn, uwzględniających pracę rozproszonych źródeł wytwórczych 127

127 - wytyczne planowania rozwoju sieci dystrybucyjnych przeznaczone dla Operatora Systemu Dystrybucyjnego Realizacja zadania ma służyć zidentyfikowaniu warunków, w których możliwe będzie zastąpienie w planach rozwoju rozbudowy sieci elektroenergetycznej przez umieszczenie w określonych miejscach generacji rozproszonej. Przede wszystkim chodzi o identyfikację uwarunkowań technicznych w sieci elektroenergetycznej (zasady biznesowe i prawne są przedmiotem innego zadania), które pozwalałyby na rozważanie kontrolowanego przez Operatora wsparcia sieci generacją rozproszoną. Pozwoli to na racjonalne zarządzanie ofertami współpracy z wytwórcami. Poniżej w Tab. B9 przedstawiono harmonogram prac prowadzonych w ramach etapu. Tab. B9. Harmonogram prac LP. DZIAŁANIE DATA ROZPOCZĘCIA DATA ZAKOŃCZENIA STATUS Opracowanie specyfikacji istotnych warunków zamówienia Uruchomienie postępowania mającego na celu wybór wykonawcy - - WYKONANO - - WYKONANO 3. Wybór oferty - - WYKONANO 4. Zawarcie umowy - - WYKONANO 5. Realizacja przedmiotu zamówienia - - WYKONANO 6. Odbiór opracowań - - WYKONANO Etap 56. Opracowanie koncepcji oraz modelu technicznego i biznesowego sieci inteligentnej (Smart Grid) na poziomie średniego napięcia (SN) w kontekście współpracy lokalnych źródeł energii w sytuacjach normalnej pracy oraz awarii sieci (możliwość pracy wyspowej) Mając na uwadze zapewnienie pewności zasilania i jakości dostarczanej energii, z punktu widzenia Grupy ENERGA korzystne będzie opracowanie koncepcji sieci Smart Grid 128

128 jako układu samoregulującego się, oraz modelu technicznego i biznesowego współpracy lokalnych źródeł z taką siecią. Ważne będzie rozważenie możliwości pracy regulacyjnej źródeł energii elektrycznej w sieci SN oraz stworzenie warunków i zasad współpracy generacji rozproszonej z siecią Smart Grid w normalnych i awaryjnych stanach pracy sieci (praca na sieć wydzieloną). Celem prac o charakterze badawczo-innowacyjnym jest opracowanie koncepcji oraz modelu technicznego i biznesowego sieci inteligentnej (Smart Grid) na poziomie średniego napięcia (SN) i niskiego napięcia (nn) w kontekście współpracy lokalnych źródeł energii w sytuacjach normalnej pracy oraz awarii sieci (możliwość pracy wyspowej). 1. Koncepcja budowy i funkcjonowania sieci Smart Grid Analiza obecnego stanu infrastruktury elektroenergetycznej, jej obciążenia, przyłączonych źródeł oraz charakterystyk przyłączonych odbiorców Ocena ilościowa i jakościowa istniejącej infrastruktury elektroenergetycznej, telekomunikacyjnej i przyłączonych źródeł pod kątem wykorzystania w realizacji sieci Smart Grid na Półwyspie Helskim Przegląd aspektów funkcjonalnych sieci SmartGrid Przegląd i ocena dostępnych technologii telekomunikacyjnych, informatycznych, wytwórczych, pomiarowych, magazynowych i przesyłu energii Podstawowe założenia projektu Ocena możliwości wykorzystania ww. technologii w projekcie budowy Smart Grid na Półwyspie Helskim Opis oczekiwanych funkcjonalności sieci Smart Grid na Półwyspie Helskim Koncepcja techniczna i funkcjonalna sieci Smart Grid wraz z określeniem nowych elementów infrastruktury sieciowej sieci Smart Grid na Półwyspie Helskim Określenie zakresu wymaganych powiązań pomiędzy projektem AMI, SID, SCADA realizowanymi w spółce, a projektem budowy Smart Grid na Półwyspie Helskim i ich wpływu na ewentualne potrzeby zmiany w zakresie realizowanych projektów. 2. Przeprowadzenie badań modelowych pracy sieci oraz opracowanie algorytmów sterowania siecią Smart Grid na Półwyspie Helskim Budowa modeli istniejących elementów infrastruktury, źródeł wytwórczych, urządzeń łączeniowych i EA Opracowanie modeli nowych elementów sieci instalowanych w ramach Projektu pilotażowego Opracowanie algorytmów sterowania siecią Smart Grid na Półwyspie Helskim 129

129 Weryfikacja współdziałania zamodelowanych, istniejących i nowych elementów sieci w ramach Smart Grid Badania modelowe pracy sieci z uwzględnieniem algorytmów stosowania Smart Grid Opracowanie profili wytwarzania i odbioru energii. 3. Opracowanie studium wykonalności realizacji Projektu Smart Grid Koncepcja i zakres realizacji projektu Smart Grid na Półwyspie Helskim Harmonogram wdrożenia projektu Smart Grid na Półwyspie Helskim Analiza finansowa projektu Smart Grid na Półwyspie Helskim o Założenia do analizy finansowej obejmujące koszty inwestycyjne i eksploatacyjne oraz korzyści uzyskiwane przez strony projektu. o Harmonogram wydatków. Uwarunkowania realizacji projektu. Analiza czynników ryzyka i krytycznych czynników sukcesu. Poniżej w Tab. B10 przedstawiono harmonogram prac prowadzonych w ramach etapu. Tab. B10. Harmonogram prac LP. DZIAŁANIE DATA ROZPOCZĘCIA DATA ZAKOŃCZENIA STATUS Opracowanie specyfikacji istotnych warunków zamówienia Uruchomienie postępowania mającego na celu wybór wykonawcy - - WYKONANO - - WYKONANO 3. Wybór oferty - - WYKONANO 4. Zawarcie umowy - - WYKONANO 5. Realizacja przedmiotu zamówienia - - WYKONANO 6. Odbiór opracowań - - WYKONANO 130

130 Etap 57. Ocena wpływu rozwoju segmentu biomasowych technologii energetycznych (w tym sieci franczyzowej mikrobiogazowni rolniczych) na kształtowanie oddolnego filaru bezpieczeństwa energetycznego i realizację celów Pakietu 3x20 Punktem wyjścia do oceny będzie potencjalny efekt wykorzystania 1 mln ha gruntów ornych do celów energetycznych. Energia pierwotna (z 1 mln ha dobrych gruntów, które są do wykorzystania w rolnictwie energetycznym bez najmniejszego ryzyka dla rolnictwa żywnościowego) wynosi około 8 mld m 3 biometanu, inaczej jest to około 80 TWh, jeszcze inaczej około 13,7 mln ton węgla (energetycznego, wskaźnikowego), wreszcie jest to około 23 mln ton węgla równoważnego (na rynkach końcowych). Trzy progresywne technologie, bazujące na zasobach rolniczych wynoszących 1 mln ha (ich wykorzystanie jest racją stanu) dają następujące wyniki: (i) Produkcja energii elektrycznej i ciepła w kogeneracji: 80 (0,35 + 0,50) TWh, czyli 28 TWh energii elektrycznej i 40 TWh ciepła, łącznie 68 TWh (praktycznie tyle ile potrzeba z rolnictwa energetycznego). (ii) Kogeneracja plus samochód elektryczny: 80 (0,35 2,5 + 0,50) = 70 TWh zaliczone na rynku energii elektrycznej (na rynku transportu) i 40 TWh ciepła, łącznie 110 TWh, czyli więcej niż wynosi cały polski cel. (iii) Kogeneracja plus pompa ciepła: 80 1,75 TWh = 140 TWh (jednorodnie na rynku ciepła), czyli znacznie więcej niż cały polski cel. Tabela B11. Koszty środowiska inkorporowane do kosztów węgla kamiennego, węgla brunatnego oraz do gazu ziemnego, łączne dla energetyki (elektroenergetyki i ciepłownictwa) wielkoskalowej i rozproszonej Koszt paliwa bez inkorporowanego kosztu Koszt paliwa z inkorporowanym Rynek energii końcowej środowiska kosztem środowiska mld zł mld zł TWh/rok Węgiel kamienny Węgiel brunatny Paliwa transportowe ( ) ( ) Gaz ziemny Uw a g i d o t a b e l i B

131 Uwaga 1. Do obliczeń przyjęto koszt miału węglowego na poziomie 200 zł/tonę. Koszt energii pierwotnej w węglu brunatnym przyjęto na poziomie 80% kosztu energii pierwotnej w węglu kamiennym w postaci miału węglowego. Koszt węgla kamiennego w postaci groszku przyjęto na poziomie 400 zł/tonę. Koszty węgla kamiennego (miału i groszku) nie uwzględniają kosztu transportu. Uwaga 2. W przypadku paliw transportowych drugi składnik kosztowy w nawiasie oznacza koszt akcyzy. Do obliczeń przyjęto rzeczywistą strukturę zużycia paliw transportowych (por. uwagi do tabeli 3), akcyzę na poziomie obowiązującym w 2009 roku (Pb 1,9 tys. zł/tonę, ON 1,3 tys. zł/tonę, LPG 0,7 tys. zł/tonę) oraz rynkowe ceny jednostkowe z połowy 2009 roku (Pb 5,5 tys. zł/tonę, ON 4,2 tys. zł/tonę, LPG 2,2 tys. zł/tonę). Uwaga 3. Koszt gazu ziemnego, uwzględniający uzmiennioną opłatę przesyłową, przyjęto na poziomach: 1100 zł/tys.m 3 dla mocy (w paliwie pierwotnym) ponad 100 MW (taryfa E3a), 1300 zł/tys.m 3 dla mocy powyżej 6 MW (taryfa W6) i 1800 zł/tys.m 3 dla ludności (taryfa W1). Uwaga 4. Koszt uprawnień do emisji CO 2 przyjęto na poziomie rekomendowanym dla analiz rozwojowych: 40 euro/tonę (180 zł/tonę). Ponadto, badania prowadzące do opracowania przewodnika metodycznego będą miały jeszcze inny punkt wyjścia. Mianowicie, będą to wstępne wyniki dotyczące inkorporacji kosztów zewnętrznych środowiska (emisji CO 2) do kosztów paliwa, Tabela 2. Inkorporację traktuje się tu jako propozycję metodyczną do spójnej integracji systemu wspomagania rozwoju OZE (w tym technologii biomasowych) oraz systemu redukcji emisji CO 2 (te dwa systemy są obecnie bardzo słabo skoordynowane). Podkreśla się, że inkorporacja stanowiąca źródło środków pozyskiwanych przez państwo w trybie podatku musi spowodować znaczną zmianę przepływów finansowych między sektorami: prywatnym i publicznym (odbiorcami, przedsiębiorstwami i państwem). Wykorzystanie tak wielkich środków (rocznie 51 mld zł) jest sprawą fundamentalną z punktu widzenia strategii rozwojowej państwa. Efektywne wykorzystanie środków mogłoby się wiązać w szczególności z: (1º) przejściowym finansowaniem energetyki odnawialnej/rozproszonej (energetyki poza obszarem ETS) za pomocą certyfikatów inwestycyjnych (dla tej energetyki certyfikaty eksploatacyjne, powiązane z energią, mają zbyt duże koszty administracyjne), (2º) przejściowym finansowaniem odbiorców wrażliwych (o niskich dochodach). Podkreśla się, że pierwsze wykorzystanie, łącznie z samą inkorporacją, wymaga uzgodnień unijnych o dużym stopniu złożoności. Rezultatem badań będzie koncepcja konkretnej sieci franczyzowej mikrobiogazowni/ mikrolektrowni działającej pod firmą BioGaz ENERGA, dalej nazywanej Siecią. Koncepcja będzie się odwoływać do Programu Ministerstwa Gospodarki (i Ministerstwa Rolnictwa i Rozwoju Wsi) nt. Innowacyjna energetyka. Rolnictwo energetyczne ogłoszonego 132

132 w połowie 2009 roku. Koncepcja będzie ukierunkowana na rolników, którzy są gotowi do restrukturyzacji gospodarstwa rolnego (jego przekształcenia w spółkę, ewentualnie działalność gospodarczą, i tym samym uzyskania zdolności do korzystania z rozwiązań wynikających z ustawy Prawo energetyczne). W koncepcji zostaną zamodelowane procedury ubiegania się rolników/przedsiębiorców o krajowe i unijne środki wsparcia (pochodzące z Programu Rozwoju Obszarów Wiejskich, ze środków NFOŚiGW, z Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. W ramach prac nad koncepcją zapoczątkowana zostanie budowa know-how Sieci ukierunkowanego w szczególności na potrzeby rolników/przedsiębiorców funkcjonujących w Sieci. Know-how będzie budowane głównie w postaci klastrowej, przy wykorzystaniu następujących dwóch podstawowych zasad: (1º) Sieć administruje infrastrukturę klastrową wykorzystując do tego celu formułę outsorcingu, (2º) Sieć oferuje, na podstawie odrębnej umowy, know-how dostępne w Grupie ENERGA (w obszarze rynku energii, zwłaszcza operatorstwa techniczno-handlowego, a także w obszarze infrastruktury technicznej dla potrzeb wirtualnej mikrobiogazowni). W ramach koncepcji opracowane zostaną cztery standardowe umowy. Umowa franczyzowa. Zestandaryzowana (w dużym stopniu) i upubliczniona umowa zawierana między rolnikiem/przedsiębiorcą, Siecią i ENERGĄ. Określa kompleksowo model biznesowy współpracy między Stronami Umowy franczyzowej. W ramach tego modelu określa przede wszystkim dostęp Inwestora do know-how Sieci oraz do know-how Grupy ENERGA. W szczególności natomiast określa model współ-finansowania inwestycji mikrobiogazowej przez Sieć oraz zakres innych usług świadczonych przez Sieć na rzecz Inwestora i taryfę na te usługi. Umowa bilateralna między Inwestorem i Siecią. Jest to biznesowa (poufna) umowa ściśle skoordynowana z Umową franczyzową, podobnie jak dwie pozostałe Umowy bilateralne, p i Zawiera ona szczegółowe uregulowania dotyczące współfinansowania inwestycji mikrobiogazowej przez Sieć oraz zakupu/sprzedaży usług świadczonych przez Sieć na rzecz rolnika/przedsiębiorcy. Umowa bilateralna między Siecią i ENERGĄ. Jest to biznesowa (poufna) umowa ściśle skoordynowana z Umową franczyzową. Zawiera ona szczegółowe uregulowania dotyczące biznesowej współpracy Stron na rzecz realizacji Umowy franczyzowej. Umowa bilateralna między Inwestorem i ENERGĄ. Jest to biznesowa (poufna) umowa ściśle skoordynowana z Umową franczyzową. Dotyczy ona zakupu/sprzedaży praw majątkowych i fizycznej energii elektrycznej produkowanej w mikrobiogazowni/ mikroelektrowni. 133

133 Etap 58. Badania w tym homologacja/certyfikacja na zgodność z polskimi normami i unijnymi wymaganiami urządzeń/instalacji (mikrobiogazowni/ mikroelektrowni) Podkreśla się, ze przy produkcji seryjnej mikrobiogazowni konieczna będzie unifikacja dla osiągnięcia odpowiedniej jakości i powtarzalności. Celem prac badawczych będzie opracowanie algorytmów i procedur badań laboratoryjnych potwierdzających zakładane przez producentów parametry. Unifikacja usprawni procedury wprowadzania mikrobiogazowni/ mikroelektrowni do systemu energetycznego. 134

134 C. Opis metod i sposobu realizacji zadania badawczego z uzasadnieniem (H 51) 8. Blok Tematyczny 1 - Siłownie poligeneracyjne (systemy produkcji energii elektrycznej, ciepła i chłodu) zintegrowane z układami produkcji paliw z biomasy. (etapy 1 14) Kolejne etapy tego bloku będą realizowane w oparciu o własny potencjał wykonawczy oraz laboratoryjny istniejący w Instytucie Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku oraz w GK ENERGA, jak również w oparciu o potencjał kadrowy oraz laboratoryjny instytucji współpracujących, a w tym: Politechniki Śląskiej, Politechniki Krakowskiej, Politechniki Gdańskiej i Białostockiej oraz innych podmiotów naukowobadawczych. W ramach etapów tworzących moduł dotyczący zintegrowanych układów kogeneracyjnych oraz poligeneracyjnych w pierwszej fazie prac prowadzone będą w prace o charakterze opracowań analitycznych dla których podstawowym uwarunkowaniem jest wieloletnie doświadczenie wykonawców projektu w zakresie układów kogeneracyjnych oraz poligeneracyjnych. Prace te dotyczą: a) uwarunkowań technicznych, a zwłaszcza szczegółowej oceny podstawowych parametrów energetycznych oraz cieplno-przepływowych zintegrowanych układów kogeneracyjnych oraz poligeneracyjnych opartych na technologii ORC w aspekcie budowy instalacji demonstracyjnych oraz pilotażowych w niniejszym projekcie - wraz z analizą możliwych rozwiązań alternatywnych tych układów. W ramach opracowania założeń projektowych przeprowadzona zostanie min.: - identyfikacja i dobór urządzeń obiegu cieplnego z punktu widzenia technologicznego, - identyfikacja kluczowych, punktu widzenia sprawności energetycznoegzegetycznej, zmiennych procesowych, b) ustalenia zakresów zmian parametrów procesowych, uwarunkowań logistycznych, głównie zagadnień związanych z dostępnością biomasy, uwarunkowaniami lokalnymi, infrastrukturą odbiorczą ciepła oraz chłodu oraz wpływu tych uwarunkowań na proponowane rozwiązania; analiza źródeł i dostępności biomasy oraz odpadów biodegradowalnych przeprowadzona będzie w oparciu o badania ankietowe w odpowiednich komórkach samorządu terytorialnego, miejskiej oczyszczalni ścieków i przedsiębiorstwa komunalnego. Analiza ta zostanie uzupełniona analizą ekonomiczną kosztów pozyskania, transportu i ew. oszczędności związanych 135

135 z utylizacją odpadów. Analiza ta pozwoli ocenić min. optymalny przedział mocy jednostkowej instalacji, c) uwarunkowań ekonomicznych analizy te umożliwiają w trakcie prac ogólną ocenę kosztów inwestycyjnych, paliwowych oraz eksploatacyjnych opracowywanych układów, d) uwarunkowań prawnych stanowiących niezbędną bazę dla wykonawców projektu zarówno w zakresie ogólnych regulacji dotyczących produkcji energii elektrycznej w systemie kogeneracji oraz poligeneracji, jak również w zakresie regulacji dotyczących rozwiązań technicznych zintegrowanych układów kogeneracyjnych oraz poligeneracyjnych. Kolejna grupa prac związana jest z opracowaniem modeli obliczeniowych i modelowaniem numerycznym zjawisk cieplno-przepływowych, procesów spalania zachodzących w układach energetycznych oraz zagospodarowania ciepła odpadowego na cele energetyczne. Podstawowym uwarunkowaniem dla tych prac jest posiadana baza obliczeniowa, tj. baza sprzętowa w postaci odpowiedniej mocy obliczeniowej adekwatnej do podejmowanych prac, posiadane specjalistyczne oprogramowanie (komercyjne oraz własne) z możliwością implementacji nowych modeli obliczeniowych, poparte wieloletnim doświadczeniem w zakresie modelowania numerycznego układów energetycznych oraz jego ewaluacji. W ten sposób przewiduje się m.in. opracowanie własnych modeli fizycznych procesów zachodzących w cylindrze silnika spalinowego podczas spalania niekonwencjonalnych paliw jedno i wieloskładnikowych w silniku o ZS i o ZI wraz z obliczeniami procesu wymiany ładunku (dla określenia parametrów spalin) oraz opracowanie modelu dynamiki agregatu prądotwórczego CHP w oparciu o modelowanie strukturalne układów mechaniczno-termodynamicznych. Opracowane modele obliczeniowe posłużą do doboru parametrów sterowania agregatem CHP. Dobór parametrów modeli i weryfikacja modeli nastąpi przy wykorzystaniu zautomatyzowanej hamowni silnikowej AVL PUMa OPEN w Katedrze Mechatroniki UWM. W ramach całego cyklu roboczego wymagane jest modelowanie oddziaływań termodynamicznych i gazodynamicznych w cylindrze silnika, z uwzględnieniem procesów spalania oraz wymiany ładunku. Kompleksowe rozwiązanie zagadnienia jest zadaniem trudnym. Proces spalania w silniku tłokowym jest bardziej złożony, aniżeli spalanie w typowych komorach przepływowych. Do zasadniczych różnic należą: a) spalanie przebiega w warunkach nie-izobarycznych, b) procesy zachodzące w silniku spalinowym mają charakter niestacjonarny, występująca zmienność w czasie, struktury oraz pola przepływu, przyczynia się do odmiennego kształtowania przebiegu spalania, 136

136 c) spalanie ładunku odbywa się w przestrzeni zamkniętej ponadto przy zmiennej jej objętości, w związku z czym następuje wiele oddziaływań wzajemnych, d) realizowanemu procesowi spalania towarzyszą ciągłe zmiany w ruchu ładunku oraz w geometrii komory spalania, wynikające z ruchu tłoka. Złożoność przedstawionych procesów wymaga wprowadzenia pewnych założeń upraszczających podczas modelowania. Procesy zachodzące wewnątrz silnika spalinowego analizowane będą w oparciu o zbudowany odpowiedni dla spalanego paliwa gazowego model jednostrefowy. Modele tego typu sprawdzają się przede wszystkim ilościowo, a główną ich zaletą są stosunkowo krótkie czasy obliczeń. Dodatkowo proces modelowania wspomagany będzie pakietem FLUENT, głównie w zakresie zjawisk występujących w układzie zasilania silnika spalinowego. Dla określenia charakterystyk turbin i mikroturbin gazowych stworzony będzie algorytm obliczeniowy umożliwiający określenie parametrów termodynamicznych na podstawie parametrów komercyjnych turbin. Wykorzystane będą kody Gate Cycle i Aspen plus. Ponieważ na parametry turbin gazowych oraz na zapotrzebowanie na ciepło znaczny wpływ wywiera temperatura otoczenia w algorytmie możliwe będzie określenie parametrów układów dla różnych rozkładów temperatury zewnętrznej. W zadaniu określone będą parametry nominalne oraz graniczne, a następnie na ich podstawi przy wykorzystaniu charakterystyk poszczególnych urządzeń określone będą parametry całych instalacji przy zmiennym obciążeniu i różnych parametrach otoczenia i po zmianie paliwa. Dla oceny zjawisk cieplno-przepływowych w wymiennikach dedykowanych układom dużych mocy i mikrokanałowych (dedykowanych mikrobiogazowniom kogeneracyjnym) oraz oszacowania efektywności procesów wymiany ciepła wykorzystane zostaną programy własne IMP PAN oraz komercyjne, m.in. ANSYS Fluent. Niską temperatura spalin wylotowych z silników i turbin gazowych oraz kotłów wielopaliwowych powoduje, że warunki pracy podgrzewacza wody, parownika kotła oraz przegrzewacza w kotle odzyskowym różnią się znacznie od warunków pracy występujących w dużych kotłach energetycznych. Z uwagi na niską temperaturę spalin i czynnika roboczego w obiegu ORC powinny być zastosowane rury ożebrowane wzdłużnie lub poprzecznie w celu zwiększenia powierzchni wymiany ciepła. Wymiana ciepła w tego typu powierzchniach ogrzewanych nie jest dokładnie zbadana. W celu prawidłowego zaprojektowania powierzchni podgrzewacza czynnika niskotemperaturowego, parownika oraz poszczególnych stopni przegrzewaczy niezbędne są obliczenia CFD wymiany ciepła między spalinami a rozwiniętymi powierzchniami wymiany ciepła. Przeprowadzone zostaną obszerne symulacje CFD mające na celu lepsze poznanie zjawisk wymiany ciepła na powierzchniach rozwiniętych. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń CFD zaproponowana zostanie właściwa konfiguracja rur oraz wymiary żeber. Konfiguracje te zostaną następnie przebadane eksperymentalnie. Z uwagi na różne rodzaje 137

137 paliw przeprowadzone zostaną obliczenia cieplne i hydrauliczne oraz wytrzymałościowe kotłów na różne paliwa. Poważnym problemem w eksploatacji siłowni kogeneracyjnych jest ich praca w warunkach nieustalonych wynikająca ze zmiennego składu paliwa, zmian obciążenia cieplnego oraz dostosowania produkcji energii cieplnej i elektrycznej do aktualnego zapotrzebowania. W związku ze zmiennymi warunkami pracy siłowni kogeneracyjnych wynikającymi ze zmiennych w czasie strumieni masy paliwa lub zmiennego w czasie odbioru energii cieplnej opracowane zostaną modele dynamiczne. Modelowana będzie również numerycznie praca wybranych powierzchni ogrzewanych kotła w warunkach nieustalonych. Badania numeryczne przepływu czynnika roboczego w turbinie parowej, ekspandera różnych konstrukcji i turbinie gazowej zostaną przeprowadzone z wykorzystaniem kodów numerycznych mechaniki płynów rozwiązujących układ równań opisujących przepływ w geometrii trójwymiarowej ANSYS FLUENT, CFX, FlowER. Badania takie są źródłem wiedzy o przepływie I konwersji energii w maszynach wirnikowych. Badania te dostarczają nowych rezultatów stanowiących uzupełnienie wyników badań eksperymentalnych na obiektach rzeczywistych i modelowych oraz rezultatów analizy na gruncie teoretycznej mechaniki płynów. Pozwalają na wyszukiwanie nowych bardziej efektywnych rozwiązań układów łopatkowych charakteryzujących się wysoką sprawnością przepływu. Wykorzystywane przy tym będą także metody optymalizacji bazujące na rozwiązaniu zagadnienia optymalizacji funkcji celu, jaką może być np. sprawność przepływowa, moc turbiny lub inne charakterystyki układu przepływowego. Opracowane modele numeryczne zostaną zweryfikowane w oparciu o dostępne w literaturze dane eksperymentalne, ale nie tylko. Ważną kolejną grupą prac są też własne prace eksperymentalne na własnych stanowiskach laboratoryjnych dla ewaluacji opracowanych modeli. Bazą dla tych prac są centra laboratoryjne znajdujące się w Instytucie Maszyn Przepływowych PAN oraz w jednostkach współpracujących wraz z demonstracyjnymi bądź pilotażowymi układami dedykowanymi do realizowanych prac, włączając w to niezbędne wyposażenie pomiarowe oraz sprzęt do akwizycji danych pomiarowych. Z posiadanej bazy laboratoryjnej przewidzianej do realizacji zadań projektu strategicznego wymieńmy tu Laboratorium Siłowni Kogeneracyjnych Stanowisko do badania wymienników ciepła i symulacji pracy obiegu ORC, Stanowisko do badań turbogeneratora, Laboratorium Dynamiki Wirników i Łożysk (IMP), System badań silników spalinowych AVLPUMA Open, Stacja badań jakości biopaliw wg E950, Stanowisko do badania pomp i wtryskiwaczy CR (UWM), Instalacja doświadczalnej turbiny gazowej, Układ do zgazowania biomasy z silnikiem iskrowym (PŚl). 138

138 Charakter doświadczalny ma duża ilość prac związanych ze spalaniem biopaliw w silnikach I turbinach gazowych, symulacja pracy obiegu ORC, czy oceną efektywności wymiany ciepła w mikrowymiennikach i wymiennikach dla układów większych mocy. Analiza procesu spalania biopaliwa z wykorzystaniem nowoczesnych technik pomiarowych będzie bazowała na indykacji silnika spalinowego. Metoda indykacji polega na badaniu szybkozmiennych parametrów pracy silnika spalinowego, przy wykorzystaniu bezpośredniego pomiaru ciśnienia w komorze roboczej. Ujęcie zachodzących w czasie cyklu pracy silnika przemian termodynamicznych wyraża rzeczywisty obieg termodynamiczny. Wykorzystanie wyników pomiarowych w algorytmach obliczeniowych oraz modelach matematycznych: ilości ciepła generowanego w cylindrze, wyznaczenia pozostałych parametrów stanu czynnika roboczego, pozwoli wskazać, które z elementów oraz parametrów układu w największym stopniu przyczyniają się do poprawy (lub pogarszania) jakości konwersji energii realizowanej w obrębie tłokowego silnika spalinowego. Prace związane z budową układu poligeneracyjnego na bazie modułu ORC w Laboratorium Siłowni Poligeneracyjnych w IMP PAN obejmą - prace w zakresie modelowania numerycznego pracy poszczególnych urządzeń (zagadnienia gazodynamiczne w obszarze pary przegrzanej oraz pary mokrej o niewielkim zawilgoceniu FLUENT), - modelowanie numeryczne pracy całego obiegu, - prace w zakresie doboru optymalnego czynnika roboczego dla zadanych parametrów pracy układu, - prace projektowe komponentów układu obejmujący laboratoryjny układ grzewczy, parownik, skraplacz, wymienniki regeneracyjne, turbogenerator, układ produkcji chłodu oraz system automatyki, - prace o charakterze eksperymentalnym zmierzające do opracowania charakterystyk cieplno-przepływowych urządzeń i całego obiegu. Doświadczenia badawcze zdobyte w Laboratorium Siłowni Poligeneracyjnych oraz wieloletnie doświadczenie kadry Instytutu Maszyn Przepływowych PAN, jednostek współpracujących oraz konsorcjanta przemysłowego GK ENERGA w zakresie aplikacji innowacyjnych rozwiązań w układach energetycznych, będą przydatne przy opracowaniu dokumentacji technicznej typoszeregów układów kogeneracyjnych i budowie, w ramach niniejszego bloku tematycznego, trzech kogeneracyjnych instalacji pilotażowych przeznaczonych do wdrożenia w Gminnych Centrach Energetyczncyh. Opracowanie siłowni kogeneracyjnej wymaga opracowania projektu obiegu termodynamicznego i projektów urządzeń stanowiących elementy tego obiegu oraz projektów automatyki tych urządzeń. Prace projektowe w zakresie opracowania sterownika 139

139 zasilania silnika spalinowego o ZS i jego oprogramowania realizowane będą przy udziale firmy KME czołowego w Polsce producenta, konstruktora i eksportera instalacji gazowych dla silników spalinowych, posiadających kilkunastoletnie doświadczenie w tej dziedzinie. Charakter doświadczalny będą miały badania optymalizacyjne silników spalinowych z kryterium n max i min C02 oraz spełnienie normy ISO 8178 (w zakresie D1 i D2). Charakter projektowy mają także prace zmierzające do opracowania dokumentacji technicznej planowanych instalacji pilotażowych oraz typoszeregów urządzeń kogeneracyjnych w przewidywanym zakresie mocy. W ramach bloku tematycznego Siłowni kogeneracyjnej przewiduje się badania pilotażowe zbudowanych instalacji. W ramach projektu opracowywane będą wyłącznie instalacje demonstracyjne oraz pilotażowe ściśle dedykowane celom projektu i stanowiące wynik końcowy podejmowanych prac. Badania pilotażowe i wdrożeniowe realizowane będą od 3 roku trwania projektu. 9. Blok tematyczny 2. Mikrobiogazownia domowa, Blok tematyczny 3. Układy zgazowania termicznego biomasy oraz odpadów rolnych, komunalnych, ściekowych i in., Blok tematyczny 4, Układy produkcji paliw gazowych i płynnych metodami konwersji biologicznej biomasy (Biogazownia rolnicza, Biorafineria). (etapy 15-33) Etapy bloków tematycznych 2,3,4 będą realizowane w oparciu o własny potencjał wykonawczy oraz laboratoryjny istniejący w Instytucie Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku, Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu, na Uniwersytecie Warmińsko- Mazurskim w Olsztynie i Instytucie Energetyki w Warszawie, jak również w oparciu o potencjał kadrowy oraz laboratoryjny instytucji współpracujących, a w tym: Politechniki Gdańskiej, Politechniki Wrocławskiej, Uniwersytetu Warszawskiego, Politechniki Częstochowskiej, Politechniki Poznańskiej, ISCMOiB Opole oraz innych podmiotów naukowo-badawczych, a także GK ENERGA. Poszczególne zadania dotyczące biogazowni fermentacyjnej wykonywane w ramach bloku Mikrobiogazowni domowej oraz bloku Układów produkcji paliw gazowych i płynnych metodami konwersji biologicznej biomasy będą realizowane według podanych poniżej założeń metodycznych. Podstawą badań produkcyjnych będą eksperymenty prowadzone w obiektach doświadczalnych UWM w Olsztynie, PG Gdańsk oraz PŚl. Planuje się następujące przedsięwzięcia badawcze: 140

140 - opracowanie technologii generatywnego rozmnażania (z nasion) ślazowca pensylwańskiego poprzez zróżnicowanie warunków agrotechnicznych uprawy (system pasowy siewu, regulacja zachwaszczenia, nawożenie, terminy i sposób zbioru biomasy), - określi się wartość i skład chemiczny biomasy ślazowca pensylwańskiego pozyskanego z różnych terminów zbioru oraz sposób jej konserwacji, - określi się wartość nawozową produktu pofermentacyjnego oraz opracuje się zasady jego wykorzystania jako nawozu organicznego do nawożenia plantacji roślin energetycznych, - określi się wielkości retencji węgla w glebie, ilości wyprodukowanego węgla użytecznego oraz emisji CO 2 i innych gazów cieplarnianych (N 2O, CH 4) powstałych w trakcie produkcji biomasy ślazowca pensylwańskiego, pozostałości rolniczych i ich transformacji do biogazu. Wykonana będzie analiza energochłonności i kosztów produkcji biogazu z pozostałości poprodukcyjnych i kosubstratu z ślazowca pensylwańskiego. Podstawą będą badania laboratoryjne oraz eksperyment polowy prowadzony w obiekcie doświadczalnym UWM w Olsztynie. Planuje się następujące przedsięwzięcia badawcze: 1) opracowanie optymalnego sposobu uszlachetniania nasion ślazowca, 2) Opracowanie technologii generatywnego rozmnażania ślazowca pensylwańskiego poprzez zróżnicowanie warunków agrotechnicznych, zróżnicowanie gęstości siewu, regulacja zachwaszczenia, nawożenie, terminy i sposób zbioru biomasy, 3) Określi się wartość i skład chemiczny biomasy ślazowca pensylwańskiego pozyskanego z różnych terminów zbioru. Wykonane zostaną eksperymenty zakiszania biomasy ślazowca w różnych kombinacjach. Na tej podstawie określi się optymalny sposób konserwacji biomasy ślazowca. Następnie oznaczona zostanie wartość i skład chemiczny kiszonek z biomasy pozyskanej z różnych terminów zbioru. Wartość nawozowa produktu pofermentacyjnego zostanie określona w laboratorium. Następnie zostanie założone doświadczenie wazonowe z wykorzystanie pozostałości pofermentacyjnych do nawożenia ślazowca. Na tej podstawie opracuje się zasady jego wykorzystania jako nawozu organicznego do nawożenia plantacji. W bilansie środowiskowym określi się wielkości retencji węgla w glebie, ilości wyprodukowanego węgla użytecznego oraz emisji CO 2 i innych gazów cieplarnianych (N 2O, CH 4) powstałych w trakcie produkcji biomasy ślazowca pensylwańskiego, pozostałości rolniczych i ich transformacji do biogazu. Uzyskane wyniki pomiarów bezpośrednich przeanalizuje się pod względem statystycznym w programie Statistica. Wykonana będzie analiza energochłonności i kosztów produkcji biogazu z pozostałości poprodukcyjnych i kosubstratu z ślazowca pensylwańskiego z uwzględnieniem aspektów środowiskowych. 141

141 Zespół realizujący zadania w bloku biogazowni rolniczej jest interdyscyplinarny i wykorzystuje zarówno metody badawcze stosowane w naukach chemicznych, technicznych jak i biologicznych przy rozwiązywaniu problemów związanych z pozyskiwaniem energii z odpadów przemysłu rolno spożywczego jak i z upraw dedykowanych. Szczegółowe metody zależą od rozwiązywanego problemu i przyjętych metod kontroli analitycznej badanych procesów. Badania produktywności mas fermentacyjnych wstępnie przygotowanych w wyniku rozdrobnienia, działania słabym kwasem fosforowym, i o ustalonym stosunku substratów będą testowane z wykorzystaniem metody OxiTOP (WTW, Niemcy). Na podstawie pomiarów zmian ciśnienia gazu zachodzących w wyniku beztlenowej biodegradacji frakcji organicznej (PN-EN ISO 11734:2003) wyznaczone zostaną współczynniki kinetyczne biodegradacji (k i B 0) i produktywność fermentowanej masy (SGP) przy założonym poziomie istotności (p<0,05). Projektuje się przeprowadzenie badań bioróżnorodności w masie fermentacyjnej w zależności od sposobu wstępnego przygotowania prób oraz rodzaju inokulum wprowadzonego do fermentowanej masy. Zmiany w biocenozie reaktorów analizowane będą przy wykorzystaniu techniki PCR-DGGE (ang. Polymerase Chain Reaction - Denaturing Gradient Gel Electroporesis). Projektuje się wykonanie następujących analiz: fizykochemiczne masy fermentacyjnej doprowadzanej do reaktorów oraz do stabilizacji: odczyn [PN-EN 12176:2004],potencjał redoks [PN-85/T ], zawartość materii organicznej wyrażona jako straty przy prażeniu [PN-EN 872:2002 (U)], ogólny węgiel organiczny (OWO) z wykorzystaniem analizatora TOC Thermo 1200N, lotne kwasy tłuszczowe (LKT) [PN 75/C-4616/04], kwasowość [PN-91/C ], zasadowość [PN-91/C ]. Ilość produkowanego gazu będzie określana na podstawie pomiarów zmian ciśnienia panującego w reaktorach, zgodnie z normą PN-EN ISO 11734:2003. Badania wpływu wyselekcjonowanych mikroorganizmów o wysokiej aktywności hydrolitycznej na efektywność i fazy fermentacji zostaną przeprowadzone na 200 szczepach grzybów z rodzaju Trichoderma i Aspergillus i 35 konsorcjach bakteryjnych będących w posiadaniu Katedry Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu. Pomiar aktywności enzymatycznych będzie polegał na pomiarze stref przejaśnień powstałych w wyniku aktywności enzymów na podłożu zestalonym agarem. Ocena aktywności poszczególnych grup enzymów prowadzona będzie z wykorzystaniem automatycznego licznika kolonii i pomiaru stref aktywności wokół kolonii mikroorganizmów. Aktywność enzymatyczna Substrat Indykator amylolityczna Skrobia płyn Lugola lipolityczna tłuszcz roślinny błękit Wiktoria 142

142 proteolityczna Kazeina HgCl 2 celulolityczna karboksymetyloceluloza czerwień Kongo Badania efektywności fermentacji przy zmieniającym się substracie będą prowadzone przy 45 i 60 dobowym czasie zatrzymania (HRT). Skrócenie czasu zatrzymania będzie skutkowało zwiększeniem obciążenia związkami organicznymi reaktora do około 3 kgsmo/m 3 d Do badań zostaną wykorzystane cztery reaktory o objętości czynnej 12 dm 3. Każdy z fermentorów jest wyposażony w płaszcz wodny oraz elektroniczny system regulacji temperatury, sondy pomiarowe ph oraz redox, manometr, mieszadło łopatkowe oraz system zaworów pozwalających na dozowanie oraz pobór próbek materiału fermentującego i gazu. Projektuje się wykonanie analiz fizykochemiczne masy fermentacyjnej doprowadzaej do reaktorów oraz po stabilizacji oraz stałą kontrolę ilości i składu gazu fermentacyjnego. Podstawą badań izotopowych ścieżek węgla i wodoru w fermentacji metanowej będzie stała analiza izotopowa węgla i wodoru w metanie, który w zależności od ścieżki metanogenezy będzie wykazywał skrajnie różne wartości stosunków izotopowych wodoru i węgla. Ponadto, przewidywane stałe zmiany składu izotopowego H i C pozwolą na ocenę tempa biodegradacji związków organicznych i nieorganicznych będących substratami metanu pozwoli to na stałe ocenę wydajności procesu oraz precyzyjne wyznaczenie czasu jaki pozostał do zakończenia procesu. W przypadku stosowania mieszaniny masy roślinnej różnego pochodzenia (w tym C3 lub C4) o różnej podatności na rozkład mikrobiologiczny, możliwa będzie precyzyjna bieżąca ilościowa ocena proporcji produkcji metanu z różnych roślin lub ich części. Pozwoli to także na detekcję, a co za tym idzie, zapobieganie niekontrolowanemu mikrobiologicznemu utlenianiu metanu jaki może mieć miejsce i przyczyniać się do strat. Fermentacje będą prowadzone fermentatorach Sartorious oraz metodą batch w różnych warunkach z kontrolą temperatury, warunków fizykochemicznych i substratów. Analizy izotopowe będą prowadzone przy pomocy spektrometru mas Deta V Adantage. Całość badań będzie prowadzona w Pracowni Geologii Izotopowej i Geoekologii gdzie od lat tego typu badania są prowadzone. W bloku mikrobiogazowni rolniczej przy opracowaniu założeń systemowych przewiduje się wykorzystanie analizy krytycznej wyników badań cząstkowych i następnie integracja w spójnym ciągu ogniw technologicznych procesu produkcji biopaliw II generacji. Reaktor fermentacyjny składał się będzie z dwóch funkcjonalnych części. Ze złoża biologicznego, na którym zachodził będzie zasadniczy proces oczyszczania oraz z osadnika umieszczonego bezpośrednio pod złożem biologicznym. Całość urządzenia znajdować się będzie we wspólnej obudowie. Obudowa w urządzeniach będzie wykonana jest z laminatu zbrojonego włóknem szklanym. Jest to tworzywo przenikalne dla mikrofal, dlatego proponuje się zastosowanie dodatkowej powłoki zabezpieczającej z blachy stalowej o grubości 1,0 mm. 143

143 Stal jest materiałem całkowicie nieprzepuszczalnym dla mikrofal. Stalowa osłona będzie powodować odbijanie i zawracanie promieniowania do wnętrza złoża, co wpłynie na większą równomierność rozkładu pola. Dla ograniczenia strat ciepła konstrukcja powinna być dodatkowo zaizolowana przy pomocy styropianu Sterowanie pracą generatorów mikrofalowych będzie odbywało się w dwóch trybach: stałych przedziałów czasowych dostarczanie promieniowania odbywałoby się niezmiennie z założonym programem oraz sterowanie poziomem temperatury we wnętrzu złoża. Przy opracowaniu układu technologicznego beztlenowych złóż biologicznych z mikrofalowym wspomaganiem fermentacji stosowane metody opierają się o badania laboratoryjne, pilotowe i prace studialno-obliczeniowe z dziedziny inżynierii procesowej. Wstępne testy zostaną wykonane w warunkach laboratoryjnych dla różnych substratów (mierniki stężeń składników biogazu, GC, GC-MS, BOD, badania mikrobiologiczne), co pozwoli na dobór składu substratów, dla których zostaną przeprowadzone testy w biogazowi pilotowej (gdzie czasy przebywania substratów są znacznie dłuższe i bez wstępnej laboratoryjnej optymalizacji procesu, nie pozwoliłyby na zoptymalizowanie procesu w czasie określonym przez projekt, zmniejszą też koszty badań do przewidzianych dla finansowania zadania). W oparciu o wyniki doświadczeń z wykorzystaniem technik obliczeniowooptymalizacyjnych inżynierii procesowej zostaną przygotowane założenia dla powiększenia skali. W ramach podetapu Zatężanie metanu w biogazie uzyskanym podczas fermentacji i kofermentacji odpadów lignocelulozowych Projektuje się wykorzystanie modułu membranowego wyposażonego w membranę kompozytową (skład opracowany przez zespół) zbudowaną z cienkiej warstewki litej umieszczonej na wspierającej ją warstwie porowatego materiału polimerowego, co powinno zagwarantować zagęszczenie metanu w biogazie oraz oczyszczenie gazu. Skonstruowana zostanie instalacja umożliwiającą prowadzenie badań technologicznych w układach wielofazowych, w tym ze znacznym udziałem objętościowym fazy gazowej. Zestaw badawczy wyposażony jest: w dwa zbiorniki o objętości 600 m3 oraz jeden o objętości 1200 m3 oraz system pomp umożliwiających zmianę konfiguracji reaktorów. Każdy zbiornik wyposażony jest w zewnętrzny wymiennik ciepła o mocy 6 kw, służący do ogrzewania lub chłodzenia zawartości. Ponadto, w układ sterowania i wizualizacji oraz zdalnej kontroli pracy. Zestaw służył do badań nad wpływem dezintegracji ultradźwiękowej osadów ściekowych na wydajność produkcji biogazu w komunalnej oczyszczalni ścieków. Doświadczenie uzyskane w ramach tych badań zostanie wykorzystane do opracowania projektu mikrobiogazowni pracującej w oparciu o surowiec odpadowy pochodzenia roślinnego i z produkcji zwierzęcej oraz biomasę roślin z upraw dedykowanych. Konieczne będzie zaprojektowanie i wykonanie urządzeń do podawania 144

144 biomasy do bioreaktorów. Jakość otrzymanego biogazu będzie analizowana za pomocą czujników metanu, dwutlenku węgla, siarkowodoru oraz tlenu. W ramach badań planuje się określić wydajność procesu otrzymywania biogazu w zależności od zmian parametrów takich jak: a) temperatury procesu, b) ph roztworu, c) czasu trwania fermentacji, d) wilgotności, e) rodzaju biomasy, f) częstotliwości uzupełniania zbiornika, g) proporcji poszczególnych substratów, h) wstępna obróbka wsadu (liza komórek). Przebieg procesu będzie monitorowany w sposób ciągły przez pomiar ph, temperatury oraz mierzone będą także ilości oraz skład powstającego biogazu. Pomiary te będą prowadzone przy użyciu Analizatora gazów. Analizator ten pozwala na równoczesny pomiar ilości CH 4, O 2, CO 2 oraz H 2S. W pracach nad zgazowaniem biomasy IChPW planuje wykorzystać prototypową instalację powietrznego zgazowania biomasy w złożu stałym o wydajności ~20kg biomasy/h. Schemat i widok instalacji prezentuje Rys. C1. Rys. C1. Schemat i widok instalacji powietrznego zgazowania biomasy w złożu stałym. Biomasa poddawana zgazowaniu załadowywana jest do prostopadłościennego zbiornika pośredniego o wymiarach mm, zwężającego się w dolnej oraz górnej części. W dolnej części zbiornika znajduje się podajnik ślimakowy, umożliwiający transport biomasy do reaktora zgazowania. W zbiorniku zamontowano czujniki poziomu min. i max. w celu automatyzacji wypełniania zbiornika biomasą. Podajnik ślimakowy posiada system regulacji wydajności poprzez zmianę prędkości obrotowej ślimaka, w zależności od zużycia biomasy w procesie zgazowania. Jako czynnik zgazowujący zastosowano powietrze, które podawane jest za pomocą wentylatora promieniowego w trzech miejscach reaktora: pod ruszt, w środkowej części oraz bezpośrednio nad złoże biomasy. Powietrze to jest również podawane do komory spalania w celu utylizacji powstałego gazu procesowego oraz do palnika pilotowo-startowego w komorze spalania. Reaktor zgazowania w złożu stałym jest pionowym cylindrycznym reaktorem o średnicy wewnętrznej Ø400mm i wysokości części roboczej ok. 920mm. Paliwo podlega 145

145 w reaktorze sekwencyjnym procesom suszenia, pirolizy, spalania i zgazowania. W strefie suszenia i pirolizy proces jest prowadzony współprądowo, w strefie zgazowania przeciwprądowo, natomiast w strefie spalania występuje prąd mieszany. Istnieje możliwość regulacji wysokości stref poprzez odpowiednią regulację poszczególnych strumieni powietrza. Wytworzony gaz jest odbierany za pomocą stalowej rury Ø60,3mm umieszczonej w osi reaktora. Poziom wprowadzenia rury do reaktora może być zmieniany, co pozwala na zmianę wysokości punktu odbioru wytworzonego gazu. Temperatura projektowa gazu ze zgazowania wynosi około 850 C. Gaz ze zgazowania podlega wstępnemu schłodzeniu w wymiennikach ciepła gaz-gaz i gazpowietrze/woda, a następnie oczyszczaniu na filtrach węglowych i filtrze tkaninowym. Oczyszczony gaz będzie spalany w silniku gazowym z generatorem energii elektrycznej. Podstawowe parametry operacyjne instalacji są następujące: wydajność - ~15 20kg biomasy/h, moc cieplna - ~80kW, temperatura złoża - <1300 o C, temperatura gazu - ~ o C, ciśnienie atmosferyczne, wartość opałowa gazu - ~8 10MJ/m 3. Reaktor zgazowania biomasy w złożu stałym z regulowanymi strefami doprowadzania powietrza i odbioru gazu jest przedmiotem zgłoszenia patentowego nr pt. Zgazowarka ze złożem stałym (data zgłoszenia ). W zakresie oczyszczania gazu ze zgazowania biomasy IChPW planuje wykorzystać układ oczyszczania gazu prototypowej instalacji powietrznego zgazowania biomasy w złożu stałym, złożony z wymienników ciepła gaz-gaz i gaz-powietrze/woda, w których gaz ze zgazowania podlegać będzie wstępnemu schłodzeniu. Gaz ten zostanie następnie odpylony w pracujących naprzemiennie filtrach węglowych (pełniących również funkcję adsorberów) oraz w filtrze przegrodowym. W trakcie prowadzonych testów zgazowania różnego rodzaju biomasy prowadzona będzie optymalizacja parametrów operacyjnych wymienionych elementów układu oczyszczania gazu, tak aby finalnie otrzymywać gaz o wymaganych parametrach jakościowych dla jego zastosowania w silniku gazowym. Optymalizacja pracy układu oczyszczania gazu prowadzona będzie dla różnych trybów pracy reaktora zgazowania (różnej wydajności, różnych konfiguracjach strefy odbioru gazu i dozowania powietrza). Oczyszczony gaz będzie spalany w silniku gazowym połączonym z generatorem energii elektrycznej. IChPW dysponuje również elektrofiltrami wykorzystywanymi do usuwania aerozoli smołowych zawartych w surowych gazach wytwarzanych podczas termicznej konwersji paliw 146

146 stałych. Elektrofiltry te zostaną wykorzystane do przeprowadzenia testów skuteczności usuwania aerozoli smołowych z gazu ze zgazowania biomasy. Badania termicznej i katalitycznej konwersji wyższych węglowodorów (smół) zawartych w surowym gazie procesowym będą prowadzone z wykorzystaniem instalacji z inertną membraną ceramiczną, której schemat i widok prezentuje Rys. C2. Instalacja ta umożliwia prowadzenie badań w temperaturach do 900 o C oraz przy ciśnieniu gazu do 0,2MPa. Wyniki badań konwersji wyższych węglowodorów z zastosowaniem tego stanowiska badawczego pozwolą na określenie optymalnych parametrów procesowych dla uzyskania gazu o oczekiwanej jakości. Podstawowym elementem stanowiska jest reaktor konwersji (1), w którym zachodzą reakcje częściowego utlenienia gazu procesowego ze zgazowania biomasy i jego konwersji z parą wodną. Gaz procesowy o temperaturze ~ o C wprowadzany jest przez zawór (Z1) do reaktora (1), w którym umieszczony jest wkład porowaty (A) i złoże katalizatora (B). Reaktor wyposażony jest w grzanie elektryczne (D) do wstępnego wygrzania i stabilizacji temperatury oraz iskrownik (C) do zapłonu zainicjowania reakcji półspalania. Razem z gazem procesowym do reaktora (1) wprowadzana jest przez zawór (Z3) para wodna z wytwornicy pary (9) lub z sieci (dostępnej w miejscu zainstalowania stanowiska badawczego). Do reaktora (1) poprzez porowatą przegrodę (A) wprowadzany jest tlen z butli (7), transportowany przewodem z zaworami (Z6) i (Z5). W trakcie uruchomienia stanowiska badawczego do reaktora (1) wprowadzany jest azot z butli (8), transportowany przewodem z zaworami (Z5) i (Z5) oraz przewodem z zaworem (Z4). Dla uniknięcia wprowadzenia do reaktora (1) korka wodnego, przewód doprowadzający parę wodną do reaktora wygrzewany jest przez upust pary do otoczenia przez zawór (Z9). Reaktor (1) wyposażony jest w punkty pomiaru temperatury i ciśnienia. Na przewodach doprowadzających tlen i parę do reaktora zainstalowane są przepływomierze (masowe regulatory przepływu), a na przewodzie doprowadzającym gaz procesowy do reaktora zamontowany jest króciec z zaworem Z8 do poboru próbki gazu do analizy składu. Gaz poprocesowy o temperaturze o C kierowany jest z reaktora (1) do chłodnicy (2) typu rura (wężownica) w rurze, zasilanej zimną wodą wprowadzaną przewodem, na którym zainstalowany jest zawór (Z10) i przepływomierz (rotametr). W celach kontrolnych oraz bilansowych na wlocie gazu do chłodnicy oraz na obu wylotach (gazu i wody) zainstalowane są punkty pomiaru temperatury. Ochłodzony gaz kierowany jest poprzez separator 3, płuczkę 4, ssawę 5 do pochodni 6 w celu spalenia. Na przewodzie odprowadzającym gaz poprocesowy do pochodni zainstalowany jest przepływomierz oraz króciec z zaworem Z11 do poboru próbki gazu do analizy składu. W pochodni zamontowany 147

147 jest palnik pilotowy do zapalenia gazu i potrzymania płomienia, zasilany w zależności od warunków lokalizacyjnych gazem ziemnym lub ciekłym LPG (propan-butan). Podstawowe parametry operacyjne instalacji są następujące: temperatura konwersji: o C natężenie przepływu gazu: max. 25dm 3 /min natężenie przepływu O 2 / N 2: max.10dm 3 /min natężenie przepływu pary wodnej: max. 0,2kg/h natężenie przepływu wody: max. 2dm 3 /min natężenie przepływu gazu ziemnego: max. 0,5 dm 3 /min A Z4 P T Z5 P F F Gaz procesowy Woda Z2 9 Z8 F Z1 Z3 Z9 A C T Z6 Z7 O 2 N Reaktor konwersji 2. Chłodnica 3. Separator 4. Płuczka 5. Ssawa 6. Pochodnia 7. Butla z tlenem 8. Butla z azotem A. Wkład porowaty B. Złoże katalizatora C. Iskrownik D. Grzałka Woda Z10 D F T 1 B 2 T T Spaliny Gaz opałowy Powietrze 6 5 T 3 4 F A Z11 Rys. C2. Schemat i widok instalacji konwersji wyższych węglowodorów w reaktorze z inertną membraną ceramiczną Instalacje i aparatura, którymi dysponuje IChPW powinny umożliwić dopracowanie technologii oczyszczania surowego gazu ze zgazowania biomasy dla jego zastosowania w silniku gazowym. IChPW dysponuje również niezbędnym zapleczem analitycznym umożliwiającym prowadzenie bieżącej kontroli składu gazu na każdym etapie oczyszczania. W planowanych badaniach IChPW zamierza również wykorzystać instalację pilotową zgazowania biomasy w złożu stałym o mocy ~ kW, wybudowaną przez firmę SYNGAZ Sp. z o.o. Instalacja ta zostanie zaprojektowana i wybudowana w oparciu o wyniki badań procesu zgazowania biomasy prowadzonych w skali wielkolaboratoryjnej. 148

148 Rys. C3. Schemat i wizualizacja instalacji małej mocy zgazowania biomasy w złożu stałym (IEn). Prace dotyczące zgazowania biomasy IEn planuje prowadzić wykorzystując kogeneracyjny układ zgazowania biomasy małej mocy (<50kW) w reaktorze współprądowym ze złożem stałym, charakteryzującym się rozdziałem strumienia gazu i spalin oraz optymalizacją przepływów strumieni ciepła. Gaz wytwarzany w tej instalacji charakteryzuje się niską zawartością smół. Dzięki rozdzieleniu strumienia gazu i spalin, gaz zawiera mniejszą ilość ditlenku węgla i azotu, a więcej wodoru i tlenku węgla niż gaz wytwarzany w typowych układach zgazowania w złożu stałym z udziałem powietrza. Wysoka sumaryczna zawartość wodoru i tlenku węgla jest korzystna, ponieważ decyduje o dobrych osiągach ogniwa paliwowego typu SOFC, którego wykorzystanie w układzie jest również przewidywane. Obniżenie stężenia metanu i wyższych węglowodorów zmniejsza ryzyko wytwarzania depozytów węglowych powodujących blokowanie powierzchni ogniwa. Schemat i trójwymiarową wizualizację instalacji prezentuje Rys. C3. W pracach nad oczyszczaniem gazu ze zgazowania biomasy IEn planuje wykorzystać instalację laboratoryjną, która umożliwia prowadzenie badań oczyszczania gazu wprowadzanego do instalacji z natężeniem przepływu wynoszącym ok. 120Ndm 3 /h. Złożona jest ona ze stacji przygotowania próbki gazowej (pompa, filtr, chłodnica), układu płuczek do absorpcji smół w łaźni chłodzącej oraz gazomierza. IEn dysponuje również instalacją umożliwiającą badanie oczyszczania gazu podawanego do instalacji z natężeniem przepływu ok. 360Ndm 3 /h. Ta instalacja składa się ze stacji przygotowania próbki (pompa, filtr, chłodnica, króćce poboru gazu, przepływomierze - 50 i 500Ndm 3 /h, regulator temperatury), wysokotemperaturowych filtrów prostych i typu T (maksymalna temperatura pracy C; porowatość elementów filtrujących - 2µm, 7µm, 15µm i 60µm), filtrów niskotemperaturowych (porowatość 0,3µm, maksymalna temperatura pracy 50 C), filtrów grawitacyjnych i układu pomiarowo-regulacyjnego. IEn uruchamia również linię oczyszczania gazu ze zgazowania biomasy na zimno. Umożliwi ona oczyszczanie gazu przy przepływie ok. 15kg/h. Linia ta złożona będzie 149

149 z chłodnicy gazu, cyklonu oraz filtra suchego z wymiennym wkładem. W posiadaniu IEn znajduje się aparatura umożliwiająca prowadzenie kontroli składu ilościowo-jakościowego oczyszczanego gazu na każdym etapie oczyszczania (m.in. wyparka obrotowa do oznaczania zawartości smół metodą grawimetryczną, chromatograf gazowy do oznaczania zawartości CO, CO 2, H 2, CH 4, C 2-C 3, O 2, N 2, analizatory Ultramat 23 firmy Siemens dla oznaczania zawartości CO, CO 2, O 2, CH 4 oraz Calomat 6E firmy Siemens dla oznaczania zawartości H 2). Będące w dyspozycji IEn układy badawcze oczyszczania gazu umożliwią opracowanie doświadczalnej linii oczyszczania gazu za zgazowania biomasy w reaktorze ze złożem stałym o mocy 30kW, dla jego zastosowania w stosie ogniw paliwowych typu SOFC. Przewidywane jest również przeskalowanie linii oczyszczania gazu ze zgazowania biomasy w reaktorze ze stałym złożem z mocy 30kW do 800kW, również z docelowym zastosowaniem oczyszczonego gazu do zasilania stosu ogniw paliwowych typu SOFC. W pracach nad zgazowaniem biomasy UWM wykorzysta projektowaną instalację pilotażową, która składała się będzie z kilku bloków funkcjonalnych. Schemat funkcjonalny instalacji pilotażowej przedstawia Rys. C4. BIOMASA pelet, brykiet, zrębki Suszenie biomasy SPALINY ZGAZOWYWANIE Oczyszczanie gazu i rozkład w złożu ceramicznym Silnik tłokowy Ogniwa paliwowe Stacja membranowa wytwarzania tlenu: tlen +para wodna, tlen Rys. C4. Schemat funkcjonalny instalacji pilotażowej do wytwarzania energii w skojarzeniu z wykorzystaniem zgazowania tlenowo-parowego. Do realizacji procesu zgazowania zastosowany zostanie reaktor dolnociągowy z przewężeniem konstrukcyjnym, który pozwala na rozkład termiczny substancji smolistych już wewnątrz gazyfikatora, co znacznie poprawia czystość generowanego gazu. Reaktor ten będzie wymagał modyfikacji zasilania czynnikiem tlenowo-parowym poprzez zastosowanie odpowiednich materiałów. Strefa spalania układu zgazowania zostanie wykonana z materiałów otrzymanych z włókien ceramicznych, co pozwoli uzyskać wysoką odporność na działanie korozji, która bardzo szybko niszczy reaktory wykonane ze stali, zwłaszcza 150

150 w strefie spalania i pirolizy. W procesie zgazowywania niezbędny jest czynnik zgazowywujący, którym w najprostszym przypadku może być powietrze atmosferyczne. Natomiast w celu podniesienia kaloryczności gazu generatorowego należy pozbyć się balastu w postaci azotu poprzez jego wyeliminowanie z czynnika zgazowywującego. Zastosowanie jako czynnika zgazowującego tlenu, lub tlenu i pary wodnej (tlen uzyskany metodą separacji membranowej z powietrza) pozwoli znacznie podnieść kaloryczność gazu generatorowego oraz wyeliminować balast azotowy, który powodowałby generację w silniku spalinowym dużych ilości toksycznych NO x. Separacja membranowa jest to proces o wiele mniej energochłonny, a co za tym idzie bardziej opłacalny niż dotychczasowa metoda separacji tlenu z powietrza oparta na sitach molekularnych. W tym celu zespół UWM chciałby zaproponować instalację, która będzie realizowała proces wzbogacania powietrza w tlen poprzez zespół specjalnych filtrów membranowych pracujących w układzie filtracji krzyżowej, w których to filtrach zachodzić będzie proces separacji gazowej z powietrza. Znając charakterystyki membrany do separacji gazowej można obliczyć wielkość powierzchni filtracyjnej niezbędnej do pozyskania odpowiedniej ilości powietrza o znanym stopniu wzbogacenia. Przeprowadzone obliczenia pozwolą na zaprojektowanie zarówno instalacji, a także i filtrów niezbędnych do realizacji zdania. Zespół realizujący zadanie posiada technologię i niezbędna technikę do wytworzenia potrzebnej ilości membran oraz filtrów, a także jest w stanie wykonać instalację według zaproponowanego projektu. Ostatni etap realizacji zadania to weryfikacja obliczeń projektowych w odniesieniu do uzyskanych wyników i wprowadzenie odpowiednich korekt i poprawek zarówno w projekcie, jak i wykonanym prototypie. Wykonana instalacja będzie sterowana za pomocą PLC. Rys. C5. przedstawia powierzchnię prototypu membrany do separacji tlenu z powietrza. Rys. C5. Widok powierzchni zewnętrznej prototypu membrany do separacji tlenu z powietrza 151

151 Zespół pod przewodnictwem prof. dr hab. Leona Gradonia będzie brał udział w pomiarach zanieczyszczeń w gazach podawanych na silnik, dla identyfikacji stężeń i rozkładów wielkości cząstek stałych i ewentualnie kropel cieczy. Na tej podstawie, opracowane zostaną: konstrukcje filtra definiujące liniową prędkość przepływu gazu przez filtr oraz strukturę materiału filtracyjnego, konstrukcja układu oczyszczania mokrego oraz konstrukcja cyklonu do separacji wstępnej cząstek stałych. Przy projektowaniu struktury materiału na podstawie zadanych parametrów operacyjnych pracy filtra i wielkości cząstek zdefiniowane zostaną podstawowe mechanizmy decydujące o depozycji cząstek na włóknach filtra, a na tej podstawie określone zostaną podstawowe parametry materiału filtracyjnego, tzn. rozkład przestrzenny średnic włókien filtracyjnych oraz rozkład porowatości materiału włókninowego. Te dwa parametry decydują o pracy filtra wyznaczając skuteczność filtracji, opory przepływu i pyłochłonność. Na podstawie obliczeń teoretycznych wytworzone zostaną próbki materiału filtracyjnego metodą rozdmuchu stopionego polimeru. Próbki materiału filtracyjnego zostaną następnie sprawdzone doświadczalnie w warunkach symulujących prace filtra w warunkach rzeczywistych. Zespół dysponuje bazą aparaturową do wykonania projektu, w tym stacją obliczeniową, aparaturą do pomiaru rozkładu wielkości i stężeń cząstek, zestawem PALAS do pomiarów pracy filtra w warunkach naturalnych dla dowolnego pyłu testowego o średnicach 0,2 100mm, aparaturą SMPS do testowania filtra dla cząstek nm oraz zestawem doświadczalnym do produkcji materiałów filtracyjnych metodą rozdmuchu stopionego polimeru. Zespół ponadto ma duże doświadczenie w projektowaniu i wdrażaniu systemów filtracyjnych dla różnych zastosowań przemysłowych. Dodatkowo zostanie przebadany układ do rozkładu termicznego substancji smolistych w złożu ceramicznym opracowanym przez firmę ATON-HT S.A.. Rys. C6 przedstawia reaktor prototypowy do rozkładu węglowodorów kondensujących. Rys. C6. Widok prototypu reaktora MOS do rozkładu termicznego węglowodorów kondensujących 152

152 Instalacja pilotażowa zostanie również wyposażona w instalację oczyszczania odcieków powstających w różnych jej częściach. Z natury rzeczy powstający odciek jest mocno zanieczyszczony substancjami organicznymi i nieorganicznymi, a tym samym charakteryzuje się wysokimi wskaźnikami zawartego w nim ładunku. Celem niniejszego zadania jest opracowanie i wykonanie takiego systemu oczyszczania, ażeby w sposób prosty i ekonomicznie atrakcyjny można było oczyszczony odciek odprowadzić do wód powierzchniowych lub/i zawrócić do obiegu jako wodę technologiczną. Przewiduje się, że zaproponowany system oczyszczania wyżej omawianego odcieku będzie oparty o technikę membranową pracująca w układzie filtracji krzyżowej, kolumny węgla aktywnego i membranowego odgazowywacza. Na podstawie znajomości założeń projektowych (dobowa i godzinowa produkcja odcieku), a także składu pozyskiwanych odcieków (wartości średnie, rozrzuty) można zaprojektować odpowiednią instalację membranową. Przewiduje się także próbę wykorzystania do tego zadania unikalnej (będącej w opracowaniu) technologii wolnych rodników [FRT]. Zastosowanie technologii [FRT] pozwoliłoby w efekcie pozyskiwać czystą wodę oraz suchą masę wytrąconych z odcieków soli. Zespół UWM posiada odpowiednie wyposażenie badawcze (stacje pilotowe mikrofiltracji, ultrafiltracji, nanofiltracji oraz odwróconej osmozy, a także pilotową stację [FRT]. Zespół Katedry Inżynierii procesów Zintegrowanych dysponuje niezbędną aparaturą pomiarową, ekstruderami do produkcji membran polimerowych, urządzeniami do produkcji filtrów kapilarnych, a także umiejętności w projektowaniu i realizacji instalacji membranowych. Rys. C7 przedstawia widok prototypowej instalacji membranowej do filtracji odcieku pirolitycznego. Rys. C7. Prototyp instalacji do filtracji odcieku pirolitycznego Realizowane przez Politechnikę Wrocławską etapy będą wykonane następująco: Właściwości wywaru gorzelnianego zostaną określone przy użyciu standardowych metod stosowanych w analizie technicznej i chemicznej. Badania będą obejmowały próby 153

153 z użyciem różnych urządzeń: wirówka dekantacyjna, prasa taśmowa, filtr workowy. Ponadto dobrany zostanie rodzaj i stężenia polielektrolitów pod kątem uzyskania maksymalnego, uzasadnionego ekonomicznie efektu odwodnienia wywaru. W przypadku wirówki dekantacyjnej i filtra workowego badania będą przeprowadzone na stanowisku badawczym w Politechnice Wrocławskiej, z użyciem egzemplarzy demonstracyjnych udostępnionych przez sprzedawcę urządzeń. Badania na prasie taśmowej będą przeprowadzone na stanowisku badawczym wskazanym przez dostawcę pras taśmowych. Analiza istniejącego stanu wiedzy bazowała będzie na przeglądzie ogólnodostępnej literatury, konsultacjach z użytkownikami istniejących instalacji oraz na wiedzy własnej wykonawców projektu. Analiza i charakterystyka popiołu powstającego w wyniku spalania wywaru gorzelnianego pod kątem jego wpływu na proces i urządzenia technologiczne (szlakowanie, korozja, oblepianie powierzchni komory spalania) oraz pod kątem sposobu jego zagospodarowania. Właściwości wywaru gorzelnianego zostaną określone przy użyciu standardowych metod stosowanych w analizie technicznej i chemicznej. Planuje się budowę pilotowej instalacji zgazowania i spalania wywaru gorzelnianego w małej skali technicznej, o wydajności kilkudziesięciu kilogramów na godzinę. Instalacja będzie wyposażona w pomiary temperatury i ciśnienia oraz w króćce umożliwiające pobór i zamrażanie próbek substancji stałej i gazowej z poszczególnych fragmentów ciągu technologicznego. Elementy wykonawcze; napędy, wentylatory, klapy będą wyposażone w urządzenia regulacyjne, umożliwiające zmianę w szerokim zakresie parametrów procesu. System sterowania, oparty na sterowniku PLC będzie umożliwiał regulację oraz rejestrację parametrów procesowych. Planuje się przeprowadzenie kilku serii badań, mających różne cele i różniących się sposobem sterowania instalacją. Jednym z głównych celów prowadzenia tych badań jest optymalizacja gabarytów komory zgazowania i komory dopalania. Możliwość zmniejszenia wymiarów tych urządzeń pozwoliłaby obniżyć koszt inwestycyjny oraz koszty i problemy eksploatacyjne. Innym ważnym celem jest opracowanie parametrów procesu optymalnych z punktu widzenia ochrony środowiska i sprawności cieplnej instalacji. Badania składu gazów i substancji stałej, pobieranej z poszczególnych stref instalacji, będą przeprowadzone metodą zamrażania próbek w ciekłym azocie, w celu gwałtownego przerwania reakcji zachodzącej w pobranej próbce. Próbki będą pobierane przez króćce, równomiernie rozmieszczone wzdłuż komory zgazowania i komory dopalania. W miejscach poboru próbek będzie mierzona i rejestrowana temperatura komory. Wyniki tych pomiarów pozwolą określić długość poszczególnych stref procesu strefy suszenia, strefy odgazowania, strefy zgazowania, oraz stwierdzić, w jakim stopniu te strefy nakładają się na siebie. 154

154 Dla doboru metody i warunków oczyszczania gazu zostaną użyte techniki wykorzystujące zjawiska katalizy i adsorpcji. Proponuje się, aby zawarte w surowym gazie substancje smoliste usuwać na drodze reformingu, natomiast związki siarki w procesie adsorpcji. W oparciu o wyniki badań procesu zgazowania w instalacji pilotowej zostaną określone optymalne parametry procesu z punktu widzenia najkorzystniejszego składu gazów pirolitycznych. Zostanie przeprowadzona seria badań przy wybranych optymalnych parametrach procesu. Określenie maksymalnej i minimalnej trwałej wydajności instalacji będzie przeprowadzone w cyklu dobowym. Będą one połączone z badaniami bilansowymi, w celu określenia sprawności cieplnej instalacji. Opracowane zostaną: projekt technologiczny procesu wykorzystania energetycznego wywaru gorzelnianego. założenia technologiczne procesu oczyszczania gazu ze zgazowania odpadu gorzelnianego. analizy techniczno-ekonomicznej dla zastosowania technologii energetycznego wykorzystania wywaru gorzelnianego. Opracowanie technologii, analiz i wytycznych będzie wykonane przez członków zespołu realizującego zadanie badawcze z Politechniki Wrocławskiej, w oparciu o informacje uzyskane z przeprowadzonych badań. Badania na Politechnice Częstochowskiej składać się będą z kilku etapów, wśród których wyróżnić można: analizę źródeł i dostępności biomasy oraz odpadów biodegradowalnych, opracowanie założeń projektowych instalacji kogeneracyjnej, badania optymalizacyjne obiegu cieplnego wykorzystaniu modułu optymalizacyjnego pakietu MATLAB zintegrowanego z oprogramowanie symulacyjne IPSEpro, badania doświadczalne na pilotowej instalacji o pomniejszonej skali w Instytucie Badawczo-Wdrożeniowym Maszyn Sp. z o.o. Analiza źródeł i dostępność biomasy oraz odpadów biodegradowalnych przeprowadzona będzie w oparciu o badania ankietowe w odpowiednich komórkach samorządu terytorialnego, miejskiej oczyszczalni ścieków i przedsiębiorstwa komunalnego. Analiza ta zostanie uzupełniona analizą ekonomiczną kosztów pozyskania, transportu i ew. oszczędności związanych z utylizacją odpadów. Analiza ta pozwoli ocenić min. optymalny przedział mocy jednostkowej instalacji. W ramach opracowania założeń projektowych przeprowadzona zostanie min.: 155

155 identyfikacja i dobór urządzeń obiegu cieplnego z punktu widzenia technologicznego, identyfikacja kluczowych, punktu widzenia sprawności energetycznoegzegetycznej, zmiennych procesowych, ustalenie zakresów zmian parametrów procesowych. Ważnym etapem zadania będzie analiza optymalizacyjna układu przy wykorzystaniu modułu optymalizacyjnego pakietu MATLAB zintegrowanego z oprogramowanie symulacyjne IPSEpro firmy SimTech. Za główne kryterium optymalizacji przyjęta zostanie całkowita sprawność energetyczno-egzergetyczna analizowanego układu cieplnego. Analizie optymalizacyjnej poddane zostaną zarówno układ cieplny w konfiguracji podstawowej jak i rozbudowanej o układu ORC z turbinka parową, lub też o układ do uzdatniania mieszaniny biomasy i odpadów organicznych z przeznaczeniem do produkcji biopaliwa drugiej generacji. Analizie optymalizacyjnej poddane zostaną układu o kilku mocach wyjściowych. Ostatnim etapem będą badania na doświadczalne na pilotowej instalacji o pomniejszonej skali w Instytucie Badawczo-Wdrożeniowym Maszyn Sp. z o.o. Celem tych badań będzie określenie parametrów technologicznych instalacji zwłaszcza pod kątem proporcji biodegradowalnych odpadów komunalnych i osadów ściekowych w przetwarzanej biomasie oraz analizy sprawności procesu i porównaniu wyników z wynikami badań optymalizacyjnych. W istniejących przemysłowych instalacjach zgazowujących odpady biomasowe (odpady drzewne, odpady skórzane, ptasie pióra) dokonane zostaną odpowiednie modyfikacje konstrukcyjne umożliwiające zainstalowanie aparatury pomiarowej do pomiaru parametrów fizycznych i składu chemicznego syngazu oraz do pomiaru parametrów fizycznych i składu chemicznego gazów wylotowych. Na potrzeby badania procesu spalania zainstalowane zostaną na Uniwersytecie Warszawskim urządzenia do pomiaru rozkładu temperatury w komorze spalania oraz system wizualizacji przepływu gazu. Zainstalowany też zostanie system akwizycji danych. Zebrane dane będą wszechstronnie wykorzystane. Dane o składzie chemicznym, temperaturze i zapyleniu syngazu posłuż do zdefiniowania wymagań stawianych systemom oczyszczania syngazu do użytku w silnikach i/lub turbinach gazowych. Kompletny zestaw danych dot. syngazu i gazów wylotowych posłuży do optymalizacji procesu spalania metodami uczenia maszynowego (sieci neuronowe i inne metody tego typu). Kompletny zestaw danych posłuży do kalibracji i walidacji numerycznego modelu procesu spalania. Model taki, przynajmniej w pewnym stopniu, pomoże przewidywać optymalne parametry instalacji dla nowych, dotąd nietestowanych, typów odpadów biomasowych. Dane dot. gazów wylotowych posłużą do projektowania modułu ciepłowniczego CHP ORC, który będzie mógł być testowany w istniejących instalacjach zgazowujących. 156

156 W badaniach projektowych Instytutu Szkła, Ceramiki Materiałów Ogniotrwałych i Budowlanych zakłada się układ ORC, który będzie współpracował z agregatem prądotwórczym pracującym na gazie syntezowym wytworzonym z biomasy. Przemysł cementowy wykorzystuje już w procesie wypalania różnego rodzaju przetworzone odpady palne, w tym również biomasę. Ze względu na stosunkowo niską wartość opałową tych paliw ograniczony jest ich udział w procesie. Wprowadzenie zgazowania biomasy i innych odpadów organicznych oprócz zwiększenia udziału tych paliw w procesie pozwoli dodatkowo na uruchomienie produkcji energii w agregacie prądotwórczym np. z turbiną gazową. Powstały z biomasy gaz syntezowy będzie można bez dodatkowego przetworzenia spalać w tzw. wstępnym dekarbonizatorze. Natomiast w celu wykorzystania go w turbinie gazowej poddany zostanie dodatkowej obróbce. Ciepło odpadowe z turbiny gazowej wykorzystane zostanie w kotle odzyskowym II, do podgrzania termooleju. Dzięki skojarzeniu układu ORC i turbiny gazowej będzie można uzyskać łącznie znacznie wyższą moc elektryczną, co znacznie poprawi efektywność tego rozwiązania. Oprócz produkcji energii elektrycznej produkowane będzie ciepło / chłód, które zostanie wykorzystane do ogrzewania lub klimatyzacji w okresie letnim, centralnej sterowni i biurowca. Wprowadzenie kogeneracji do cementowni oprócz zwiększenie sprawności energetycznej procesu wypalania klinkieru i obniżenia kosztów produkcji ma również duże znaczenie ekologiczne. Metodyka badań prowadzonych na Politechnice Poznańskiej będzie oparta na modelowaniu procesów energetycznych zachodzących w poszczególnych elementach układów technologicznych wytwórczych źródłach kogeneracyjnych, zintegrowanych ze zgazowaniem biomasy, oraz wielowariantowych (parametrycznych) badaniach symulacyjnych a także na modelowaniu właściwości fizycznych mieszanin gazów w wysokich temperaturach, opartym na podstawach kwantowej fizyki statystycznej. W grupie zadań związanych z Biorafinerią Lignocelulozową (blok 4) podstawą badań produkcyjnych będą eksperymenty prowadzone w warunkach kontrolowanych i naturalnych w obiektach doświadczalnych UWM w Olsztynie oraz instytucji współpracujących (PW, IPiEO i IChiTJ Warszawa, UJ i IKiFP PAN Kraków, IMP PAN i PG Gdańsk, IUNG Puławy, UP Poznań) Planuje się następujące przedsięwzięcia badawcze: - intensywną selekcję oraz wybór wartościowych klonów do reprodukcji, poprzez określenie zmienności genetycznej zgromadzonych w kolekcji UWM w Olsztynie genotypów oraz wykonanie kontrolowanych krzyżowań wewnątrzgatunkowych, - mikrorozmnażanie wierzby w warunkach in vitro w celu szybkiego namnażania najcenniejszych form oraz ocena mieszańców w ścisłym doświadczeniu polowym i selekcja wstępna, 157

157 - ocena jakości drewna wyselekcjonowanych mieszańców (skład elementarny C, H, N, S, O, ciepło spalania, wartość opałowa, zawartość popiołu), - ocenę efektów stosowania grzybów mikoryzowych oraz ligniny w produkcji lignocelulozy, w tym również badania zróżnicowania elementów agrotechnologii, - określi się plon biomasy lignocelulozowej oraz jej cechy termofizyczne i skład chemiczny pod kątem wysokiej wydajności w produkcji bioetanolu, - określona zostanie efektywność ekonomiczna i sprawność energetyczną uprawy i pozyskania biomasy badanych gatunków w różnych warunkach agrotechniki, - monitoring fauny występującej na plantacjach i wokół nich, w tym: zebranie materiału badawczego (owady wodne, owady lądowe, pszczoły) obserwacje ornitologiczne oraz szczegółowe obserwacje i analizy porażenia roślin przez patogeny, - w końcowym etapie opracowane zostaną technologie uprawy i zbioru badanych gatunków roślin wieloletnich, - badania w zakresie organizacji produkcji i logistyki dostaw surowca do biorafinerii, - ocena potencjału energetycznego biomasy rolniczej wytwarzanej lokalnie. Podstawą analiz środowiskowych będą wyniki badań obserwacyjnych oraz monitoring, prowadzone na obiektach doświadczalnych założonych w części produkcyjnej oraz w terenie, w zakresie powietrza, wody i gleby uwzględniające: - źródła emisji gazów cieplarnianych, w tym asymilacja CO2 przez rośliny, sekwestracja i mineralizacja materii organicznej, emisja CH4 z gleby, nakłady energetyczne na produkcję biomasy i konwersję do biopaliwa, bezpośrednia i pośrednia emisja NOx, kompleksowe analizy bilansowe i opracowanie modelu, - w analizie bilansu wodnego uwzględnione zostaną dwie potencjalne lokalizacje plantacji roślin lignocelulozowych, z dostatkiem (pojezierze) i niedostatkiem (grunty marginalne) wody, dla których wykonany zostanie bilans potrzeb wodnych roślin z jednej strony, z drugiej zaś potencjał retencji wody i możliwość uzupełnienia okresowego braku wody, oraz ocena wpływu wielkoobszarowych plantacji lignocelulozowych na ilościowe parametry bilansu wodnego. ponadto zastosowany zostanie matematyczny model obiegu wody przy intensywnej produkcji roślin lignocelulozowych, - analizy właściwości powietrzno-wodnych, fizycznych i chemicznych gleby przed, w trakcie i po zakończeniu cyklu badań (zawartość materii organicznej, próchnicy glebowej i jej jakość, zasobność w przyswajalne formy makro i mikroskładników); Podstawą badań socjoekonomicznych będzie kwestionariusz ankietowy opracowany w kontekście charakterystyki sytuacji społeczno-gospodarczej regionu z uwzględnieniem możliwości produkcji rolniczej z przeznaczeniem na cele energetyczne oraz oceny dochodowości upraw lignocelulozowych, oddziaływania biorafinerii w skali lokalnej i regionalnej, zatrudnienia w regionie ze szczególnym uwzględnieniem 158

158 wielofunkcyjności obszarów wiejskich. Przedmiotem prowadzonych analiz będą zarówno dane wtórne jak i badania terenowe. - Badania wtórne to zebranie informacji i sporządzenie bazy danych dotyczących sytuacji i tendencji w produkcji rolniczej surowców na cele energetyczne - Badania pierwotne wykonane przy pomocy kwestionariuszy wywiadu wśród producentów rolnych, właścicieli (lub przedstawicieli kadry kierowniczej) podmiotów zajmujących się skupem i przetwórstwem biomasy. Przeprowadzonych zostaną konsultacje oraz zaproponowane będą rekomendacje w zakresie potencjalnych możliwości rozwoju upraw lignocelulozowych w kontekście uwarunkowań socjoekonomicznych. - Badanie wydajności degradacji materiałów lignocelulozowych pod wpływem promieniowania jonizującego. Prowadzone będą w Instytucie Chemii i Techniki Jądrowej, który dysponuje 6-cioma akceleratorami elektronów o zróżnicowanych parametrach oraz laboratoryjnymi źródłami promieniowania gamma. W Instytucie istnieje możliwość prowadzenia badań zarówno w skali laboratoryjnej jak i pilotowej. Pracownicy instytutu posiadają duże doświadczenie we wdrażaniu technik radiacyjnych w przemyśle a także w zakresie radiacyjnej modyfikacji polimerów naturalnych. Instytut posiada szereg urządzeń do badania struktury i innych własności fizykochemicznych materiałów (SEM, XRF, DSC, DTA, ICP - MS, HLPC. GC, Izotron etc). Działania prowadzące do uruchomienia instalacji pilotowej prowadzone będą w oparciu o wykorzystanie akceleratora IŁU 6 zainstalowanego w IChTJ. Akcelerator ten dysponuje wiązką elektronów o energii w zakresie 0,7-2 MeV i mocą wiązki do 20 kw. Proces napromieniania celulozy w skali masowej prowadzony będzie z wykorzystaniem systemu transportu odpowiadającemu warunkom technologicznym procesu. W ramach badań nad optymalizacją wstępnej, chemicznej degradacji masy lignocelulozowej w pierwszej fazie projektu proponuje się przeprowadzenie wstępnej optymalizacji warunków i katalizatorów hydrolizy celulozy. W tym celu czysta, rozdrobniona celuloza I zostanie poddana działaniu roztworów szeregu soli nieorganicznych (m. inn. CaCl 2, Na 2HPO 4, K 2SO 4) w temperaturze 100 o C, w kilku wariantach stężeń: 0,5 %; 1%, 2%, 4%. Otrzymane zawiesiny/roztwory zostaną poddane badaniom pozwalającym na oznaczenie zawartości celulozy II, oligosacharydów i glukozy. Wstępna degradacja celulozy zostanie przeprowadzona w skali laboratoryjnej, w reaktorze z zastosowaniem mieszadła magnetycznego (IKA) z czujnikiem umożliwiającym termostatowanie reakcji. Oznaczenie sacharydów i oligosacharydów zostanie wykonane metodą wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC) co pozwoli na wyeliminowanie procedur skutkujących np. powstawaniem głównie słabo zdegradowanej celulozy i glukozy (ulegnie ona rozkładowi w następnym etapie). Dystrybucja rozmiarów ziaren wstępnie zdegradowanej celulozy zostaną zmierzone przy użyciu aparatu Zetasizer Nano (Malvern) co umożliwi weryfikację skuteczności metody 159

159 i wybór jej optymalnego wariantu. Pomiar zarówno wielkości ziaren celulozy jak również oznaczenie stężeń sacharydów będą też pomocne na etapie doboru i oceny skuteczności dodanego środka powierzchniowo czynnego. Hydroliza wstępnie zdegradowanej celulozy będzie prowadzona przy użyciu kwasu fosforowego(v) o stężeniach 0,5-3,5% w temperaturach o C. Reakcje będą prowadzone w reaktorze/autoklawie pozwalającym na pracę w temperaturach do 300 o C pod ciśnieniem do 200 bar. Dodatkowym, spodziewanym efektem obecności soli nieorganicznych zastosowanych na etapie wstępnego przygotowania celulozy jest podniesienie siły jonowej roztworu i zwiększenie wydajności otrzymywanych oligosacharydów, których zawartość w wyjściowym roztworze będzie oznaczana techniką HPLC. Druga faza badań obejmuje zastosowanie zoptymalizowanych warunków przygotowania i hydrolizy czystej celulozy, do przetwarzania biomasy lignocelulozowej. W badaniach przewidziano wykorzystanie co najmniej trzech rodzajów substratu lignocelulozowego. Masa lignocelulozowa zostanie poddana wstępnej degradacji oraz hydrolizie przy użyciu kwasu fosforowego w przynajmniej kilkunastu wariantach stężenia, ciśnienia i temperatury oraz 5 interwałach czasowych zbliżonych do tych zoptymalizowanych dla czystej celulozy. Uzyskana dla tych rezultatów macież wydajności otrzymywanych oligosacharydów stanowić będzie kolejny etap optymalizacji procesu. Badania na tym etapie obejmą również ocenę wpływu wybranych surfaktantów na proces przekształcania celulozy z biomasy lignocelulozowej w związki o mniejszej masie cząsteczkowej. Znając optymalne warunki ciśnienia, temperatury oraz czasu prowadzenia reakcji przy zastosowaniu określonej procedury wstępnej obróbki celulozy oraz odpowiedniego do wydajnej hydrolizy stężenia kwasu fosforowego możliwa będzie ocena zastosowania związków powierzchniowo czynnych na wydajność badanego procesu w odniesieniu do każdego z trzech zastosowanych źródeł celulozy. Metodyka i rodzaj wykonywanych na tym etapie analiz pozostanie analogiczna jak zaproponowana dla pierwszej fazy badań. Wydaje się, że jedyną modyfikacją może być w tym przypadku konieczność odsączenia/odwirowania zawiesin powstających w wyniku degradacji biomasy w celu uzyskania odpowiedniej jakości analitu. Trzecia faza badań obejmuje ocenę wpływu rozdrobnienia masy lignocelulozowej na efektywność procesu hydrolizy. Zoptymalizowane warunki hydrolizy masy lignocelulozowej zostaną zastosowane do przerobu surowca o różnym stopniu rozdrobnienia. Wyznaczenie maksymalnej, średniej wielkości ziarna masy lignocelulozowej pozwalającej na efektywne pozyskiwanie glukozy pozwoli na minimalizację kosztów mechanicznej/ultradźwiękowej homogenizacji masy. Na tym etapie planowane jest zarówno sprawdzenie efektywności homogenizacji/mielenia surowca metodami klasycznymi jak i ultradźwiękowymi. Zadanie zostanie zrealizowane we współpracy Zakładu Chemii Organicznej Wydziału Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, Katedry Chemii Uniwersytetu 160

160 Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie oraz Instytutu Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN w Krakowie. Do dyspozycji zespołu badawczego są m. in.: Dyfraktometr proszkowy X PERT PRO MPD (multipurpose powder diffractometer) PANalytical, Spektrometr Jądrowego Rezonansu Magnetycznego Avance 300 firmy Bruker, FTIR firmy Bruker (Equinox 55), GC- FID Clarius 500 Perkin-Elmer, Zetasizer Nano (Malvern), autoklawy reakcyjne Roth W ramach badania wpływu środków powierzchniowo czynnych na proces wstępnej hydrolizy celulozy jako środki powierzchniowo czynne zostaną zastosowane surfaktanty kationowe, przede wszystkim z grupy amin np.: DTACl (chlorek trimetylododecyloamoniowy), BDTDACl (chlorek benzylodimetylotetradecyloamoniowy). Przewiduje się również możliwość zastosowania niejonowych środków powierzchniowo czynnych np. TWEEN 80. W każdym przypadku zastosowane stężenia surfaktantu mieścić się będą w przedziale 0.1-1%. Kryterium doboru najodpowiedniejszego surfaktanu będzie jego najniższe, możliwe stężenie pozwalające na poprawę efektywności procesu wstępnej hydrolizy oraz podatność na degradację w środowisku kwaśnym w warunkach podwyższonej temperatury (warunki właściwej hydrolizy celulozy do oligosacharydów). Ocena wpływu dodatku surfaktaktantów na proces wstępnej hydrolizy celulozy zostanie dokonana na podstawie porównania z procesem prowadzonym bez ich dodatku. Oczekuje się, że odpowiednio dobrany surfaktant ulegnie degradacji pod wpływem kwasu nieorganicznego na etapie właściwej hydrolizy celulozy. Zakres badań podetapu Dobór metod oraz optymalizacja warunków hydrolizy odpadów lignocelulozowych będzie obejmował: dobór wstępnej metody obróbki surowców, dobór preparatów enzymatycznych i ich dawki, wybór bioreaktora do prowadzenia hydrolizy, z możliwością prowadzenia jednoczesnej hydrolizy i fermentacji. Do planowania eksperymentów zastosowane zostaną metody statystyczne, co umożliwi wyznaczenie optymalnych warunków obróbki wstępnej i hydrolizy. Badania hydrolizy w wybranych warunkach procesowych dostarczą danych do opracowania modelu kinetycznego przemiany niezbędnego do projektowania reaktorów. Uzyskane dane doświadczalne posłużą do opracowania koncepcji technologicznej i założeń projektowych dla pilotowej instalacji enzymatycznej hydrolizy odpadów lignocelulozowych. W ramach podetapu katalityczna konwersja surowca drzewnego do furfuralu badania uwodornienia furfuralu będą prowadzone w aparaturze przepływowej wyposażonej w reaktor różniczkowy kwarcowy. Aparatura byłaby zbudowana przy wykorzystaniu złączy Swagelok z co najmniej czteroma liniami doprowadzającymi gazy procesowe powietrze (do kalcynacji katalizatora), wodór (do redukcji), gaz reakcyjny (H 2/Furfural) i gaz nośny argon lub hel. Każda z linii posiadałaby elektroniczny masowy przepływomierz (MFC) do precyzyjnej regulacji przepływu gazów. Ciekłe produkty będą kondensowane periodycznie (np. co godzinę) w mieszaninie mrożącej i przekazane do analizy GC-MS. Badania kinetyki 161

161 reakcji obejmowałby w pierwszym etapie screening wytypowanych materiałów katalitycznych na podstawie danych z literatury, ale także według własnych pomysłów np. metody syntezy katalizatora i dobór nośników i promotorów. Kolejnym etapem byłaby optymalizacja parametrów procesu dla katalizatora rokującego największe nadzieje: temperatura, stosunek wodoru do furfuralu, przepływ mieszanki przez złoże (czas przebywania) i inne. Wyniki badań dla poszczególnych katalizatorów badanych w reakcji uwodornienia furfuralu przedstawione będą w postaci wykresów konwersja, selektywność, skład fazy ciekłej. W badaniach nad optymalizacją warunków hydrolizy enzymatycznej substratów lignocelulozowych planowane jest zastosowanie kilku substratów. Niezbędne będzie określenie ich składu chemicznego precyzujące ilość trzech głównych frakcji: ligniny, celulozy i hemiceluloz. W pierwszym etapie badań po uwzględnieniu składu materiału przeznaczonego do biokonwersji, ustalone zostaną warunki wstępnej obróbki delignifikacyjnej we współpracy z zespołem realizującym zadanie Badania nad optymalizacją wstępnej, chemicznej degradacji masy lignocelulozowej. Próby chemicznego nadtrawienia biomas lignocelulozowych przeprowadzone zostaną w warunkach laboratoryjnych z zastosowaniem wodnych roztworów NH4OH (10-15%), NaOH (1-4%), Ca(OH)2 (1-4%) w szerokim zakresie temperatur ( o C) dostosowanym do każdego z alkaliów. Czas wstępnej delignifikacji będzie skorelowany z temperaturą w zależności odwrotnie proporcjonalnej (doby-godziny). Analiza efektów planowanych eksperymentów zostanie przeprowadzona na podstawie porównania składu otrzymanych półproduktów z materiałem wyjściowym, przy czym najistotniejszym wyróżnikiem będzie poziom usunięcia ligniny. Ze względu na sekwencyjną zależność procesów, hydroliza enzymatyczna będzie równoległym narzędziem badawczym oceniającym skuteczność zabiegu delignifikacji. Doświadczenia zostaną przeprowadzone z udziałem preparatów enzymatycznych: cellulaz, hemicelluaz, cellobiaz różnego pochodzenia w proporcjach dostosowanych do składu wyjściowego substratu. W tym etapie badań wszczęte zostaną również doświadczenia nad mikrobiologiczną degradacją biomasy lignocelulozowej z udziałem grzybów o stwierdzonych zdolnościach do produkcji zewnątrzkomórkowych cellulaz ewentualnie peroksydaz ligninowych i lakkaz. Efekty hydrolitycznej degradacji polisacharydów, dostępnych dzięki wstępnej obróbce mierzone będą z wykorzystaniem wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC) i chromatografii gazowej (GC). Optymalizacja parametrów hydrolizy enzymatycznej przeprowadzona zostanie dla wybranych wariantów doświadczeń charakteryzujących się najkorzystniejszymi efektami mierzonymi poziomem degradacji polisacharydów. W tym celu przeprowadzona będzie szczegółowa kalkulacja odnosząca uzyskane efekty do wydajności teoretycznej wynikającej z podstawowego składu każdego z testowanych substratów lignocelulozowych.. Wyróżnikami decydującymi o wyborze wariantów badawczych będą parametry gwarantujące najkorzystniejszy efekt degradacji 162

162 substratów w możliwie krótkim czasie w warunkach uzasadnionych względami ekonomicznymi (energochłonnością, obecnością agresywnych substancji, koniecznością neutralizacji). Badania tego etapu skierowane będą głównie na ustalenie poziomu minimalnych dawek wybranych preparatów enzymatycznych gwarantujących korzystny efekt hydrolityczny. Dodatkowo uwzględniony zostanie wpływ poziomu rozdrobnienia substratu, operacji mechanicznych wspomagających hydrolizę, obecności tlenu w środowisku reakcji. Dopracowane zostaną również parametry inżynierii środowiska uwzględniające modyfikację warunków hydrolizy do procesów prowadzonych w systemie SSF. Na podstawie doświadczeń laboratoryjnych wyznaczone zostaną procedury technologiczne pozwalające na przeprowadzenie procesu w powiększonej skali. W ramach podetapu doboru oraz doskonalenia warunków fermentacji hydrolizatów lignocelulozowych w pierwszej fazie badań przeprowadzona zostanie selekcja szczepów drobnoustrojów wśród szczepów drożdży przemysłowych z rodzaju Saccharomyces i z laboratoryjnych kolekcji własnych (Candida, Mucor, Kluyveromyces, Pichia, Pachysolen) o różnych zdolnościach fermentacyjnych. Dobór odpowiednich mikroorganizmów będzie determinowany ich zdolnością do szybkiej fermentacji glukozy i pochodnych hemiceluloz. Wstępne doświadczenia fermentacyjne zostaną przeprowadzone z wykorzystaniem podłóż zawierających w swoim składzie różne proporcje glukozy+ksylozy. Wybrane drożdże przetestowane zostaną ponadto pod względem odporności na substancje inhibujące ewentualnie obecne w hydrolizatach lignocelulozowych ( produkty hydrolizy ligniny i hemiceluloz np. kwasy, alifatyczne alkohole, furaldehydy, związki aromatyczne). Określone zostaną również ich wzajemne korelacje wskazujące na możliwość prowadzenia fermentacji z udziałem kultur wielo-szczepowych. W drugiej fazie badań planuje się wykorzystać i ocenić przydatność zarówno hydrolizatów enzymatycznych jak i kwasowych pozyskanych w trakcie realizacji zadań pt. Badania nad optymalizacją warunków hydrolizy enzymatycznej substratów lignocelulozowych oraz Badania nad optymalizacją wstępnej, chemicznej degradacji masy lignocelulozowej. Optymalizacja warunków fermentacji dotyczyła będzie również składu brzeczki fermentacyjnej tzn. ewentualnej koncentracji hydrolizatu, doboru niezbędnych składników odżywczych dla drobnoustrojów oraz procesów i operacji mechanicznych wspomagających fermentację (mieszanie, cyrkulacja brzeczki). W zależności od uzyskanych wyników w trzeciej fazie przewiduje się zastosowanie wariantu jednoczesnego scukrzania celulozy, hemicelulozy i fermentacji powstających cukrów z wykorzystaniem dobranych kultur drobnoustrojów. Warunkiem ograniczającym może być uzyskanie zgodności parametrów hydrolizy/fermentacji dla zastosowanych drobnoustrojów i enzymów (temperatura, kwasowość, obecność tlenu, odporność na etanol). Alternatywnym sposobem poprawy wydajności fermentacji będzie przeprowadzenie procesu 163

163 izomeryzacji ksylozy do ksylulozy (podlegającej fermentacji przez S.cerevisiae). Planuje się również możliwość wykorzystania biokatalizatorów w postaci immobilizowanej. W ostatnim etapie badań zamierza się przeprowadzić doświadczenia w powiększonej skali wykorzystując do tego celu odpowiednio skonstruowane fermentory. W zależności od wyników badań uzyskanych III etapie wymagana będzie konstrukcja odpowiedniego typu urządzenia: - do fermentacji płynnego hydrolizatu, z możliwością poprowadzenia procesu w systemie ciągłym i/lub wykorzystaniem unieruchomionych drobnoustrojów - do jednoczesnej hydrolizy i fermentacji (SSF), wyposażonego w odpowiednie systemy mieszania i przenoszenia masy, do pracy w systemie okresowym. W planowanych eksperymentach z wykorzystaniem wyselekcjonowanych mikroorganizmów i w ustalonych warunkach fermentacji lub hydrolizy/fermentacji zostaną ocenione wyróżniki ekonomiczne procesu: wydajność [dm 3 EtOH100/100 kg substratu lub dostępnych cukrów fermentujących], sprawność [% wydajności teoretycznej], produktywność [cm 3 EtOH100/ kg substratu (cukru) h] szybkość tworzenia etanolu [cm 3 EtOH100/dm 3 brzeczki h]. Pozwoli to na efektywne porównanie uzyskanych rezultatów z ogólnie przyjętymi parametrami charakterystycznymi dla gorzelnictwa oraz na ewentualną optymalizację parametrów procesu dla powiększonej skali. Produkt w postaci odfermentowanej brzeczki poddany będzie procesowi destylacji wielostopniowej gwarantującej uzyskanie spirytusu o stężeniu powyżej 90 % v/v etanolu, który zostanie oceniony pod kątem przeznaczenia na cele paliwowe uwzględniające wymagania norm. Końcowym zadaniem będzie powiązanie procesu fermentacji z systemem wstępnej obróbki i/lub hydrolizy substratu lignocelulozowego pozwalającym na konstrukcję pełnego ciągu technologicznego biorafinerii. Niewykorzystane frakcje lignocelulozy pozostające po procesie hydrolizy i fermentacji mogą zostać zagospodarowanie przez zespół badawczy realizujący zadanie Biotechnologiczne uwarunkowania produkcji biogazu z biomasy roślinnej oraz optymalizacja parametrów konstrukcyjnych biogazowi lub Energetyczne zagospodarowanie pozostałości po produkcji bioetanolu Metodologia badawcza dla założonego podetapu badania kinetyki reakcji anodowego utleniania etanolu.zadania jest następująca: (a) przeprowadzenie selekcji oraz przygotowanie anodowych materiałów elektrodowych (z uwzględnieniem badania kinetyki reakcji utleniania etanolu z wykorzystaniem materiałów na bazie Pt oraz tzw. materiałów nanostrukturalnych, gdzie: - wykorzystane zostaną stało i zmiennoprądowe metody elektrochemiczne, w tym: woltametria cykliczna, metody polaryzacyjne oraz spektroskopia impedancyjna (przy użyciu 164

164 systemu do pomiarów elektrochemicznych 12608W firmy Solartron oraz zestawu firmy Gamry Instruments) - wykonana zostanie kompleksowa analiza strukturalna (morfologiczna) materiałów anodowych, obejmująca następujące techniki: SEM (scanning electron microscopy), STM (scanning tunnelling microscopy), XRD (x-ray diffraction), itp. (b) wykonanie kompleksowych badań reakcji utleniania etanolu w układzie ogniwa etanolowo-tlenowego (pojedynczego ogniwa oraz stosu), z uwzględnieniem: wpływu stężenia etanolu, temperatury reakcji oraz składu elektrolitu na kinetykę procesu utleniania alkoholu oraz przebiegu parametrόw prądowo-napięciowych zestawionego ogniwa (stosu) w czasie, z wykorzystaniem systemu do pomiarόw elektrochemicznych Solartron oraz utworzonego laboratoryjnego stanowiska do badań charakterystyki prądowo-napięciowej ogniw paliwowych typu PEM. Pozostałość z procesu biorafinacji będzie w pierwszej fazie będzie poddana osuszania do uzyskania odpowiedniej wilgotności a następnie w celu homogenizacji poddana procesowi peletyzacji lub brykietowania. Osuszanie wstępne w celu pozbycia się wody kapilarnej (prasa filtracyjna) będzie realizowane w sposób mechaniczny natomiast osuszanie w celu pozbycia się wilgoci związanej będzie się odbywać metodami termicznymi (suszarnia bębnowa). Osuszony pozostałość zostanie następnie poddana obróbce mechanicznej (peletyzacja, brykietowanie). Otrzymany w ten sposób wsad zostanie wykorzystany do procesu zgazowania. Osuszona pozostałość z procesu biorafinacji może również zostać wykorzystana bez konieczność homogenizacji (peletyzacja, brykietowanie) bezpośrednio w instalacji do pirolizy ciągłej po wstępnym podsuszeniu do około 40%. Instalacja demonstracyjna do produkcji bioetanolu z masy lignocelulozowej będzie się składać z trzech głównych sekcji pozwalających na przeprowadzenie celulozy zawartej w biomasie w etanol. Pierwsza sekcja instalacji umożliwi otrzymanie roztworu glukozy i oligosacharydów z biomasy i będzie się składała z trzech urządzeń: (1) rozdrabniającego biomasę, na ziarna o optymalnej z punktu widzenia dalszej obróbki wielkości (2) przepływowego reaktora do wstępnej degradacji celulozy (pretreatment) pracującego w reżimie podwyższonej temperatury pod ciśnieniem atmosferycznym, (3) reaktora do hydrolizy celulozy z biomasy, przepływowego, pracującego w reżimie podwyższonej temperatury pod ciśnieniem atmosferycznym lub okresowego, pracującego w reżimie podwyższonej temperatury pod zwiększonym ciśnieniem (ostateczne rozwiązanie zostanie wybrane na podstawie wyników wstępnych badań). Parametry optymalnej wielkości ziaren biomasy zostaną ustalone na podstawie wyników wstępnej degradacji celulozy. Kryteriami będą zarówno stężenie glukozy 165

165 i oligosacharydów w hydrolizacie jak również nakłady energetyczne potrzebne do osiągnięcia odpowiedniego rozdrobnienia. Drugą sekcją planowanej instalacji będzie bioreaktor do fermentacji sacharydów zawartych w hydrolizacie biomasy. Urządzenie zostanie wyposażone w czujniki temperatury oraz ph umożliwiające kontrolowanie procesu. Ostatnim z elementów instalacji będzie sekcja destylacyjna. W jej skład wejdą: piec do bezpośredniego ogrzewania sfermentowanej biomasy (bezpośrednio lub za pomocą pary wodnej) oraz kolumna destylacyjna. Ze względu na spodziewaną dużą lepkość wprowadzanej do kolumny cieczy, oraz jej niehomogeniczność, przewiduje się również konieczność przeprowadzenia odpowiednich modyfikacji konstrukcji półek w kolumnie. Umożliwi to pracę sekcji destylacyjnej w reżimie ciągłym. Planowana jest organizacja laboratorium/stacji doświadczalnej przystosowanego do prowadzenia procesu pozyskiwania etanolu z masy lignocelulozowej. Stacja doświadczalna może służyć zarówno do celów demonstracyjnych jak również do prowadzenia dalszych eksperymentów mających na celu doskonalenia procesów stosowanych w biorafinerii a także instalacji służących do pozyskiwania z materiału roślinnego zarówno biopaliw jak też różnego rodzaju chemikaliów. W części dotyczącej biorafinerii z alg proces namnażania biomasy glonowej, przeprowadzony będzie w zbiornikach otwartych, które znajdują się na wyposażeniu laboratorium zespołu badawczego. Wykorzystywane w eksperymencie reaktory będą miały pojemność od 1 do 10 dm 3. Substrat stosowany w hodowli będą stanowić różnego rodzaju pożywki, w tym również wytworzone na bazie odpadów pochodzących z zakładów branży spożywczej. Hodowla obejmować będzie procesy wpracowywania, namnażania, odprowadzania uzyskanej biomasy i realizowana będzie w wariantach technologicznych uwzględniających zmienność warunków technologicznych (rodzaj pożywki, sposób mieszania, dostarczanie CO 2, gatunek glonów). Przed wprowadzeniem do systemu basenów otwartych pożywki oparte na produktach odpadowych będą poddawane sterylizacji w celu zachowania czystości hodowli. Reaktory otwarte zostaną wyposażone w automatyczny system kontroli parametrów hodowli tj. temperatura, odczyn, zasolenie, tlen rozpuszczony, natężenie światła. Badania w skali ułamkowo-technicznej prowadzone będą w oparciu o wykorzystanie systemu basenów otwartych, których sposób eksploatacji wynikać będzie z rezultatów osiągniętych w skali laboratoryjnej. Badania te będą miały na celu określenie zjawisk i problemów jakie mogą pojawić się w przypadku wykorzystania opracowanej technologii w pełnej skali technicznej. Dodatkowo będą stanowić fundament do określenia wytycznych potencjalnych możliwości budowy systemu zbiorników otwartych na obiektach zakładów przemysłowych branży spożywczej. Baseny otwarte zostaną odseparowane od zmiennych 166

166 warunków środowiska zewnętrznego za pomocą przezroczystych namiotów izotermicznych. Wewnętrzne ściany oraz dno reaktorów będzie pokryte białą farba, białymi arkuszami plastycznymi lub folią aluminiową aby zwiększać całkowitą ilość światła otrzymanego przez glony. Rozwiązanie takie pozwoli na optymalizację parametrów hodowli. Proces hodowli będzie prowadzony w temperaturze od 10 do 30 C. W skali ułamkowo technicznej skonstruowany i eksploatowany zostanie system odzysku i zagęszczania biomasy glonowej oparty na procesach membranowych, wirowaniu i suszeniu. Co najmniej raz na kwartał przewiduje się wyłączenie i opróżnienie systemu reaktorów w celu dokonania rutynowych zabiegów konserwacyjnych i czyszczenia. Czyszczenie i dezynfekcja będą prowadzone również w razie zanieczyszczenia hodowli niechcianymi gatunkami glonów i pasożytami. Do czyszczenia wykorzystywane będą metody automatyczne, które nie wymagają demontażu bioreaktora i zmniejszają czas przestoju systemu. Przewiduje się opracowanie technologii wytwarzania biopaliwa stałego i płynnego z biomasy glonów na bazie odpadów przemysłu spożywczego. W kolejnych fazach realizacji podetapu planuje się: - Prowadzenie badań stanowiskowych właściwości fizykochemicznych biomasy glonów pod potrzeby uzyskania biopaliwa. - Opracowanie technologii i założeń instalacji otrzymywania paliwa stałego z masy glonów. - Opracowane będą procedury produkcji oleju z glonów i jego przetworzenie na biopaliwo o wymaganych właściwościach fizycznych. - Następnie zostanie przeprowadzona ocena efektywności produkcji biopaliwa z glonów w stosunku do produkcji biopaliw pierwszej generacji. 167

167 10. Blok tematyczny 5 Oczyszczanie i uszlachetnianie (w tym reforming do wodoru) produktów gazowych zgazowania fermentacyjnego i termicznego (biogazu). (etapy 34-40) Etapy tego bloku będą realizowane w oparciu o własny potencjał wykonawczy oraz laboratoryjny istniejący w GK ENERGA, Instytucie Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku i Politechnice Gdańskiej, jak również w oparciu o potencjał kadrowy oraz laboratoryjny instytucji współpracujących, a w tym: Uniwersytetu Warszawskiego i Warmińsko- Mazurskiego, oraz innych podmiotów naukowo-badawczych. Badania nad usuwaniem dwutlenku węgla oraz siarkowodoru biogazu będą prowadzone w obiektach przemysłowo wytwarzających biogaz oraz podczas prób fermentacji. Proponowane badania zostaną przeprowadzone w mobilnej instalacji reaktora cyklonowego. Instalacja wyposażona jest w trzy zbiorniki ze stali kwasoodpornej o pojemności 600, 600 i 1200 m 3, które są wyposażone w reaktory SFR, a dodatkowo jeden z nich posiada wewnętrzny zbiornik, umożliwiający prowadzenie dwustopniowej adsorpcji. Instalacja zaopatrzona jest w dwie dmuchawy bocznokanałowe o maksymalnej wydajności 600 m 3 /h, które mogą pracować w układzie zamkniętym lub otwartym. Do zasilania w fazę ciekłą służą czerty pompy o maksymalnej wydajności 75 dm 3 /h, które pozwalają na dowolne łączenie w trzema reaktorami cyklonowymi. Ponadto instalacja posiada wymienniki ciepła o mocy 32 i 10 kw. Możliwa jest również korekcja ph podczas prowadzenia procesu. Instalacja wyposażona jest w układ automatyki, który umożliwia wizualizacje i sterowanie parametrami procesu w układzie automatycznym i półautomatycznym. W następnej fazie badań zbudowane zostaną prototyp i instalacje demonstracyjnotestowe urządzenia w celu identyfikacji problemów pojawiających się w instalacjach w pełnej skali przemysłowej. Na podstawie historycznych kosztów wcześniej zbudowanej instalacji mobilnej można stwierdzić, że nakłady na budowę prototyp/instalacji testowych w technologii SFR powinny być dużo niższe niż stosowanych obecnie układów do oczyszczania biogazu z CO 2. Istotą technologii jest wykorzystanie reaktora SFR, w którym ciecz tłoczona do głowicy wprawiana jest w ruch wirowy. Faza gazowa tłoczona jest do części cylindrycznej, gdzie na jej powierzchni omywanej przez fazę ciekłą, następuje generowanie pęcherzyków. Ich tworzenie zachodzi w polu sił ścinających i dużym przyspieszeniu, dzięki czemu powstające pęcherzyki mają bardzo małą średnicę, nawet μm. Wytworzenie tak małych pęcherzyków stwarza doskonałe warunki w procesach wymiany masy. 168

168 W badaniach planuje się wykorzystanie szerokiej gamy absorbentów, począwszy od wody, znanych i szeroko stosowanych amin i wodorotlenków, a skończywszy na roztworach wodnych wybranych cieczy jonowych. Najczęściej wykorzystywanym roztworem aminy jest roztwór monoetyloaminy MEA ze względu na zdolność absorpcji dwutlenku węgla w warunkach niskich ciśnień. Reakcje zachodzące między aminą i dwutlenkiem węgla można przedstawić następująco: RNH 2 + CO 2 RNHCOO - + H + (1) RNH 2 + H + RNH3 + (2) 2RNH 2 + CO 2 RNHCOO - + RNH3 + (3) Stan równowagi powyższej reakcji przesuwa się w prawo w warunkach wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury (< 40 C) oraz w lewo w warunkach niskiego ciśnienia i wysokiej temperatury. Dla wyższych ciśnień częściej stosuje się absorpcję fizyczną. Pomiary zawartości gazów prowadzone będą za pomocą analizatora biogazu. Przeprowadzenie dużej liczby pomiarów uwzględniających temperaturę, ciśnienie, prędkość przepływu cieczy i gazu pozwoli na optymalizację procesu z określeniem parametrów pracy. Zespół UWM i UW zbuduje instalację, która będzie realizowała proces oczyszczania syngazu z substancji smolistych i pyłów do poziomu akceptowanego przez producentów silników. Najbardziej obiecującą technologią jest mycie tych gazów olejem i następnie sprawne oczyszczanie tego oleju i jego filtracja. Obecnie w trakcie testów jest kilka systemów tego typu między innymi stosowany w instalacji zgazowania w Gussing i system firmy Dahlman. Opracowanie własnego efektywnego systemu może otworzyć możliwości rozwoju technologii wysoko efektywnej produkcji prądu. Kolejne etapy badań to: - Oczyszczenie gazu z substancji smolistych i pyłów, - Szczegółowa analiza wpływu instalacji zgazowania na środowisko, - Określenie zakresu zmian konstrukcyjnych urządzeń do zgazowania wymaganych dla sprzęgnięcia ich z systemami oczyszczania gazu, - Analiza odpadów powstałych w procesach oczyszczania gazów, - Ocena niezawodności pracy i problemów eksploatacyjnych takich rozwiązań, - Ustalenie optymalnych warunków oczyszczania i spalania gazów w istniejących instalacjach zgazowania odpadów. W swoich badaniach nad reformingiem biogazów do wodoru IMP planuje wykorzystać metodę bazującą na urządzeniu plazmowym, w którym wytwarzana plazma używana jest do reformingu (konwersji) węglowodorów, co pozwala na uzyskanie efektu redukcji zawartości smół w gazie ze zgazowania biomasy, a także zwiększenie zawartości 169

169 wodoru. W IMP opracowana została laboratoryjna metoda plazmowej produkcji wodoru w procesie reformingu węglowodorów w oparciu o prototypową konstrukcję mikrofalowego generatora plazmy (MGP). Dla wykonania planowanych badań generator plazmy musi zostać wyposażony w urządzenia do odfiltrowania sadzy (tworzącej się zazwyczaj podczas termicznej konwersji smół) oraz separacji gazowych produktów (np. adsorber zmiennociśnieniowy PSA lub filtr membranowy). Rola filtra sadzy oraz separatora gazów procesowych jest bardzo istotna w przypadku poddawania konwersji wyższych węglowodorów zawartych w gazie ze zgazowania biomasy. IMP zamierza wykonać następujące prace i badania: Budowa stanowiska do konwersji i węglowodorów i produkcji wodoru z biogazu za pomocą plazmowego wyładowania mikrofalowego. Zbadanie efektywności konwersji węglowodorów i produkcji wodoru metodą pirolizy, częściowego utleniania i reformingu parowego biogazu. Optymalizacja plazmowego procesu konwersji węglowodorów i produkcji wodoru. Opracowanie wytycznych do budowy i użytkowania plazmowego systemu konwersji węglowodorów i produkcji wodoru w warunkach zmiennego składu chemicznego biogazu i zapotrzebowania na wodór. 11. Blok tematyczny 6 Układ kogeneracji energii elektrycznej i ciepła na bazie ogniwa paliwowego o mocy 2,5 kwe. (etapy 41-47) Etapy Bloku Tematycznego 6 będą realizowane w oparciu o własny potencjał wykonawczy oraz laboratoryjny istniejący w Instytucie Energetyki w Warszawie, jak również w oparciu o potencjał kadrowy oraz laboratoryjny instytucji współpracujących, a w tym: Akademię Górniczo-Hutniczą (AGH), Odziału Cermiki Cerel Instytutu Energetyki, ITME oraz innych podmiotów naukowo-badawczych. W ramach zadania skonstruowany zostanie prototyp badawczy modułu stosu ogniw paliwowych o mocy 2,5 kw. Projekt modułu stosu umożliwi skalowanie mocy elektrycznej układu stosów ogniw paliwowych bez konieczności wprowadzania zmian konstrukcyjnych na poziomie pojedynczego stosu. Jednocześnie planowany jest znaczny wzrost sprawności elektrycznej przy zwiększeniu ilości stosów. Projekt zapoczątkowany będzie badaniami materiałowymi, wytworzeniem, charakteryzacją i testami nowych materiałów dla stosu ogniw paliwowych SOFC. Nowe materiały anodowe, katodowe i elektrolitowe, będące substratami do wytworzenia przegród ogniw paliwowych, zostaną zaproponowane, scharakteryzowane i dostarczone przez 170

170 Akademię Górniczo-Hutniczą (AGH) do Odziału Cermiki Cerel Instytutu Energetyki (IEn Cerel). W oparciu o dostarczone materiały, IEn Cerel wykona małogabarytowe przegrody ogniw paliwowych. Przewiduje się, że w ramach projektu zostanie opracowana technologia wytwarzania stałotlenkowych membran ogniw paliwowych, których częścią przenoszącą obciążenia mechaniczne będzie anoda. Jest to zadanie dużo trudniejsze niż dla ogniw na podłożu elektrolitowym, ze względu na stosunkowo niską wytrzymałość porowatego kompozytu anodowego, oraz konieczność stosowania ściśle kontrolowanej gradientowej porowatości stosunkowo grubej anody. Wiodącą technologią będzie wykonanie nośnika anodowego metodą warstwowego odlewania folii o zmiennym udziale środka porotwórczego. Technologia ta umożliwia wykonanie dobrej jakości membran, ale jest bardzo czuła na wahania warunków technologicznych, mocno wpływających na kształt i rozmieszczenie porów, oraz na deformację podczas wypalania. Dlatego też planuje się przetestowanie wytwarzania nośników anodowych alternatywnymi metodami takimi jak: warstwowe prasowanie na gorąco z użyciem termoplastycznych żywic oraz wtrysku termoplastycznego. Do odlewania nośników anodowych zostanie użyta sprawdzona w warunkach laboratoryjnych metoda odlewania warstwowego kompozytów ZrO 2 NiO środek porotwórczy. Przewiduje się wykorzystanie urządzeń do przygotowania i odpowietrzania zawiesin, oraz samego odlewania. Metodą tą zostanie wykonanych kilka rodzajów folii o zmiennych ilościach lepiszcza i rodzaju użytego środka porotwórczego. Z folii o grubości około 1 mm laserem zostaną wycięte formatki na podłoża o wymiarach 100 x 100 mm. Wykorzystanie metody prasowania na gorąco i wtrysku termoplastycznego wymagać będzie dostosowania urządzeń do urabiania na gorąco zawiesin, oraz wykonania specjalnych form. Stosując te metody również zostaną wykonane surowe nośniki anodowe początkowo o wymiarach 50 x50 mm, a po dopracowaniu technologii również 100 x 100 mm i grubości 0,8 1,2 mm. Surowe nośniki ogniw paliwowych zostaną poddane procesowi wypalania z zastosowaniem specjalnych podkładów korundowych o różnej porowatości i grubości. Wykonane zastaną też próby przyspieszenia cyklu wypalania z zastosowaniem przewietrzania pieca w niskich temperaturach podczas jednoczesnego wypalania większych partii. Celem tych badań będzie określenie granicznych warunków, przy których nośnik anodowy jest już dobrze spieczony i ma prawidłową wielkość i rozmieszczenie porów, a nie występują jeszcze deformacje i pęknięcia. Po wypaleniu próbne nośniki anodowe zostaną poddane badaniom strukturalnym, fizycznym i wytrzymałościowym. Najlepsze zestawy i najlepiej rokujące technologie zostaną poddane dalszym badaniom na większej partii próbek, które pozwolą ocenić jakość i powtarzalność uzyskanych wyników. 171

171 W kolejnym kroku posiadane urządzenia dostosowane zostaną do ujednorodniania past na warstwy pośrednie oraz elektrolit i katodę. Wykonane zostaną też nowe siatki do nanoszenia dużych powierzchni metodą sitodruku. W tym etapie przewiduje się wykonanie kilku różnych siatek, z użyciem których zostaną wykonane badania nad uzyskaniem najbardziej jednorodnych powłok. Ze względu na bardzo wysokie ceny materiałów perowskitowych używanych na katody ogniw paliwowych przewiduje się wykonanie ich we własnym zakresie metodą reakcji w fazie stałej. Zastosowanie ich do wytwarzania ogniw paliwowych wymagać będzie jednak przeprowadzenia szeregu prób nad doborem składników past, oraz ich wypalania. W przypadku uzyskania pozytywnych wyników wykonane własne perowskity zostaną użyte w dalszej części prac. Po dobraniu optymalnych siatek i materiałów katodowych na wcześniej wykonanych płytkach podłoża anodowego, zostanie niesiona warstwa anodowa funkcjonalna i kontaktowa. Również tutaj konieczne będzie przeprowadzenie szeregu prób wypalania zmierzających do skrócenia stosowanych w pracach laboratoryjnych cykli wypalania mających duży wpływ na koszty procesu wypalania. Następnie na wypalone i sprawdzone dobre podkłady zostanie naniesiona warstwa elektrolitu z proszku ZrO 2 stabilizowanego 8% molowymi Y 2O 3 o grubości 0, mm, autorską Metodą Impregnacji Powierzchniowej opracowaną w CEREL. Tak wykonane półogniwa mają bardzo dużą tendencję do deformacji podczas wypalania, która związana jest z dużym skurczem bardzo cienkiego elektrolitu i ściąganiem krawędzi do środka płytki. W trakcie prowadzenia prac laboratoryjnych na małych próbkach deformacje te nie dyskwalifikowały wykonanych ogniw. Przy wykonywaniu dużych gabarytów deformacje stają się kluczowym problemem wymagającym rozwiązania. Konieczne będzie wykonanie prób nakładania z drugiej strony warstwy kompensacyjnej niwelującej deformacje, albo wykonanie dodatkowych warstw pośrednich niwelujących skurcz elektrolitu. Znaczącą rolą w procesie wypalania elektrolitu jest wysokość i rodzaj zastosowanych podkładek dystansowych, stąd przewiduje się wykonanie serii badań nad ich doborem. Również tutaj przewidziane jest wykonanie badań nad szybkością wypalania oraz wpływem pełnego upakowania pieca na rozkład temperatury i stopień deformacji dużych powierzchniowo półogniw. Po otrzymaniu dobrej jakości podłoży anodowych z warstwami anodowymi funkcjonalną i kontaktową oraz gęstym cienkim elektrolitem, nałożone zostaną metodą sitodruku warstwy katodowe. Bazowym materiałem będzie LSCF. Przewiduje się również zastosowanie innych materiałów katodowych opracowanych w trakcie realizacji projektu przez zespoły do spraw materiałowych. Wytworzone ogniwa w IEn Cerel wykorzystane zostaną do badań kinetyki elektrodowej, oraz charakteryzacji metodami prądowo-napięciowymi (AGH). W trakcie tej 172

172 diagnostyki przeprowadzone zostaną testy ogniwa w skrajnych warunkach pracy, tzn. pod obciążeniami bliskimi prądom zwarciowych oraz przy minimalnych zawartościach wodoru i tlenu w gazach zasilających. Testy te mają wykazać trwałość chemiczną komponentów ogniwa w tych skrajnych warunkach pracy, a więc jego wrażliwość na nietypowe warunki eksploatacji lub awarię. Na tej podstawie wskazane zostaną źródła strat energetycznych występujących w trakcie pracy ogniw i zaproponowane zostaną drogi ich zmniejszenia. Wyniki badań stanowić będą kryterium oceny potencjału materiałowo-konstrukcyjnego przegrody ogniwa do zastosowań w stosie ogniw tlenkowych (Kryterium K-1). Równocześnie IEn we współpracy z Instytutem Technologii Materiałów Elektronowych prowadzić będzie badania nad udoskonaleniem uszczelnień stosu ogniw. Zasadniczym celem jest uzyskanie uszczelnień, pozwalających uzyskać szczelne, w temperaturze pracy połączenia ogniwa, które nie ulegają degradacji w wyniku wielu tysięcy godzin pracy. Do uzyskania założonego celu posłużą szkła z dwóch układów: BaO-CaO- Al 2O 3-SiO 2 i SrO-La 2O 3 -Al 2O 3- B 2O 3-SiO 2. Wytopione a następnie frytowane szkła będą mielone. Określone zostaną wszystkie parametry szkła: temperatura przejścia, temperatura mięknięcia i inne punkty charakterystyczne, oraz współczynnik rozszerzalności cieplnej. Z uzyskanego proszku szklanego przygotowana zostanie zawiesina wodna o pożądanych parametrach, wylana folia a z niej wycięte uszczelnienia. Uszczelki te zostaną następnie przebadane w IEn w trakcie testów plastyczności, oraz testów szczelności krótkich stosów (1-10 ogniw). W zależności od uzyskanego wyniku analizie zostanie poddana mikrostruktura i skład fazowy połączenia, również na próbkach pomocniczych. Na podstawie uzyskanych wyników przeprowadzone zostaną korekty składu chemicznego badanych szkieł, wykonane wytopy nowych szkieł, przygotowane nowe folie, oraz wycięte nowe uszczelki. Procedura będzie powtarzana aż do momentu uzyskania zadawalających wyników pracy ogniwa SOFC. Poza głównymi składnikami testowanych szkieł z dwóch wymienionych układów, badaniom podlegać będzie wpływ zmian ich udziału ilościowego na własności szkła i uzyskiwanego uszczelnienia w ogniwie, a także wpływ dodatkowych składników szkła. Wyniki badań stanowić będą kryterium oceny potencjału materiałowo-konstrukcyjnego uszczelnienia do zastosowań w stosie ogniw tlenkowych (Kryterium K-2). Dodatkowo, IEn przeprowadzi testy szeregu stali ferrytowych jako materiały na interkonektory dla stosów ogniw paliwowych. Konfiguracje materiałowo-konfiguracyjne przegrody ogniwa paliwowego wyselekcjonowane w Etapie 6.1 zostaną przeskalowane w IEn Cerel do rozmiarów pełnogabarytowych w kolejnym etapie prac badawczych (Etap 6.2 Rozwój technologii wytwarzania pełnowymiarowych przegród ogniw SOFC na podłożu anodowym do zastosowań w module stosów SOFC). Pełnowymiarowe przegrody ogniw zostaną poddane testom na stanowisku badań ogniw pełnowymiarowych w IEn. Zakres testów obejmował będzie badania metodami elektrochemicznymi takimi jak: spektroskopia impedancyjna, 173

173 rejestracja krzywych prądowo-napięciowych, testy wytrzymałości mechanicznej, testy trwałości ogniw (testy długoczasowe) oraz pomiary własności geometrycznych ogniwa. Wyniki badań wykorzystane zostaną do optymalizacji osiągów ogniwa (IEn, IEn Cerel). Konfiguracje materiałowo-konstrukcyjne przegrody ogniwa spełniające Kryterium 3 wykorzystane zostaną jako elementy konstrukcyjne krótkiego stosu ogniw. Dodatkowo, spełnienie Kryterium 4 uzasadni przeskalowanie technologii wytwarzania przegród ogniw do skali ćwierć-technicznej (IEn Cerel). W przypadku niespełnienia Kryterium 4, IEn pozyska przegrody ogniw do konstrukcji stosu w ramach współpracy z partnerem zagranicznym (18 miesiąc projektu). Kolejnym etapem zadania, będą badania krótkich stosów ogniw SOFC skonstruowanych z zastosowaniem nowych materiałów i technologii, wyselekcjonowanych w Etapie Planowany jest szeroki zakres testów w tym badania szczelności stosu, badania napięciowe, badania osiągów prądowo-napięciowych, badania trwałości stosu w tym cykle termiczne, badania korozyjne, badania wpływu wybranych paliw gazowych na osiągi stosu, badania w zakresie różnych temperatur pracy oraz badania przy różnym poziome obciążenia prądowego stosu. Liczba i zakres przeprowadzonych testów krótkich stosów uzależniona będzie od wyników badań, oraz bieżących potrzeb Etapu 6.5. Na obecnym etapie planowanych jest minimum 20 testów. Istniejąca infrastruktura hali badawczej (indywidualna wentylacja stanowisk, systemy alarmowe gazów palnych, instalacja elektryczna, zasilanie powietrzem, zasilanie paliwem) umożliwia jednoczesne wykorzystanie 5 stanowisk badawczych w celu testów krótkich stosów. W zasobach IEn znajdują się obecnie 2 stacje badawcze umożliwiające testowanie krótkich stosów. W oparciu o Kryterium 5 podjęta zostanie decyzja o zastosowaniu wybranych rozwiązań materiałowo konstrukcyjnych do konstrukcji pełnowymiarowego stosu na Etapie 6.5. Etap 6.5 zostanie zapoczątkowany intensywnym modelowaniem projektowym stosu ogniw o mocy 2,5 kw. Celem obliczeń modelowych będzie określenie geometrycznych charakterystyk stosu w oparciu o doświadczalnie zweryfikowany model osiągów przegrody ogniwa, model stosu ogniw oraz modele pomocnicze (m.in. model uszczelnienia oraz model mechaniki stosu). Wynikiem badań modelowych będzie projekt wykonawczy stosu ogniw AS- SOFC. Kolejnym działaniem w ramach Etapu 6.5 będzie pozyskanie elementów konstrukcyjnych stosu wg. specyfikacji technologicznej projektu wykonawczego oraz konstrukcja stosu o mocy elektrycznej 2,5 kw. Jednocześnie, opracowany zostanie harmonogram testów stosu ogniw. Do celów badań stosu ogniw przystosowane zostanie stanowisko badawcze, którego konstrukcja zostanie zakończona w roku bieżącym. Stanowisko to umożliwia testowanie stosów ogniw tlenkowych o mocy elektrycznej do 3 kw przy zasilaniu paliwem z reformera parowego metanolu. Alternatywnie, możliwe będzie zasilanie stosu ogniw 174

174 mieszanką symulującą szereg alternatywnych paliw gazowych (gaz syntezowy otrzymany ze zgazowania biomasy/węgla, LPG, biogaz itd.). Wyniki testów stosu wykorzystane zostaną do weryfikacji modeli obliczeniowych skonstruowanych w początkowej fazie Etapu 6.5. Wyniki te wykorzystane zostaną w Etapie 6.6. Etap ten obejmuje opracowanie założeń konstrukcyjnych układu sprzężonej generacji energii elektrycznej i ciepła w oparciu o skalowalny moduł stosu ogniw SOFC. Układ ten umożliwi jednoczesną generację mocy elektrycznej i ciepła użytkowego (gorąca woda na potrzeby użytkowe) ze sprawnością elektryczną 30-45%, oraz sprawnością całkowitą 75-90%. Sprawność elektryczna i całkowita układu uzależniona jest od rodzaju dostarczanego paliwa gazowego. Podstawą opracowania konstrukcji układu będą obliczenia pakietu symulacyjnego AspenPlus, oraz pakietu CFD Fluent, wspomagane obliczeniami inżynieryjnymi. W oparciu o osiągi prądowe stosu ogniw, oraz wyniki obliczeń projektowych opracowany zostanie projekt wykonawczy. Następnie pozyskane zostaną elementy konstrukcyjne prototypu układu. Na tym etapie planowane są również badania nad konstrukcją palnika bezpłomieniowego umożliwiającego dopalenie gazu resztkowego ze stosu ogniw paliwowych o niskiej zawartości paliwa (20%), z wykorzystaniem gazu katodowego o niskiej zawartości tlenu (11-15%). Projekt wykonawczy obejmował będzie również układ naboru danych i sterowania umożliwiający pełną identyfikację układu energetycznego. Kolejnymi działaniami w ramach Etapu 6.7 będzie konstrukcja, testy rozruchowe, oraz badania układu sprzężonej generacji mocy i ciepła (mikro-chp). Określone zostaną charakterystyki osiągów pracy w tym sprawność elektryczna i sprawność całkowita układu zasilanego rzeczywistym lub symulowanym oczyszczonym paliwem gazowym otrzymanym w wyniku konwersji biologicznej, pirolizy lub procesu zgazowania. 175

175 Rys. C8. Sposób realizacji zadań bloku tematycznego nr 6 OGNIWA PALIWOWE. 176

176 12. Blok tematyczny 7 Badania wyprzedzające nowych technologii procesowych i materiałowych dla energetyki rozproszonej. (etapy 48-52) Etapy tego bloku tematycznego będą realizowane w oparciu o własny potencjał wykonawczy oraz laboratoryjny istniejący w Instytucie Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku, jak również w oparciu o potencjał kadrowy oraz laboratoryjny instytucji współpracujących, a w tym: Politechniki Gdańskiej i Politechniki Warszawskiej oraz innych podmiotów naukowo-badawczych. Wymienione zespoły wyposażone są w niezbędną aparaturą (oraz posiadają niezbędną wiedzę odnośnie metod badawczych zarówno doświadczalnych jak i teoretycznych), w tym: 1. Skaningowy mikroskop elektronowy Zeiss EVO-40 do analizy topograficznej i materiałowej wykonanych próbek materiałów; rok Wysokostabilne zasilacze wysokiego napięcia firmy SPELMANN o zakresie 40kV i mocy 300 i 600 W (3 szt.) do zasilania dysz w procesie elektrorozpylania, elektroprzędzenia oraz wytwarzania plazmy wyładowania elektrycznego; lata Wysokostabilny zasilacz wysokiego napięcia stałego i zmiennego firmy TREK o zakresie 20kV/20 khz i mocy 300 W do impulsowego zasilania dysz w procesie elektrorozpylania oraz plazmy wyładowania elektrycznego; rok Piec wysokotemperaturowy do wyżarzania próbek materiałów o temperaturze do 1300 o C z programowalnym profilem temperatury firmy Nabertherm, z możliwością podawania gazu neutralnego, rok Oscyloskopy cyfrowe typu TDS 3032 i 3012 firmy TEKTRONIX do rejestracji przebiegów czasowych sygnałów z sond pomiarowych; rok generator impulsu opóźnienia - delay pulse generator; rok Mikroskop optyczny metalograficzny odwrócony NIKON (zamówienie w trakcie realizacji) 8. Komora rękawicowa firmy TERRA UNIVERSAL INC do przeprowadzania eksperymentów w czystych warunkach, rok Napylarka do nanoszenia cienkich warstw metalowych lub węglowych typu sputter coating, rok Digestorium do prac chemicznych wymagających ochrony personelu, rok Spektrograf Spectra Pro 500 firmy Acton Research Corporation z kamerą CCD ST-6V, SBIG firmy CVI; rok Spektrometr XRF konstrukcja własna 13. Laser Nd:YAG (Quantel BW) (cztery harmoniczne, 6 ns FWHM) 177

177 14 Komora próżniowa o średnicy 20 cm wyposażona w pompę turbomolekularną 15. Zestaw do automatycznego pomiaru wzniesienia kapilarnego metodą Washburna konstrukcja własna 16. Analizator kątów zwilżania - konstrukcja własna 17. Waga sorpcyjna umożliwiająca pomiar sorpcji par i gazów, Sartorius 18. Analizator powierzchni właściwej i porowatości, sorpcji i desorpcji BET (GEMINI V model 2365) 19. Chromatograf gazowy (Varian 3600, detektor FID, automatyczny podajnik próbek) 20. Analizator CO 2 Anagas CD Analizator gazów CO 2, CH 4, NH 3 i H 2S planowany zakup. Pierwsze trzy zadania (etapy) poświęcone są technologiom procesowym (separacji tlenku węgla, fotokonwersji CO do metanu oraz spalania biednych mieszanek węglowodorowych), a pozostałe dwa technologiom materiałowym dla energetyki rozproszonej. Istnieje silne sprzężenie pomiędzy nimi poprzez wzajemne wykorzystanie rezultatów badań. Separacja dwutlenku węgla z biogazu z wykorzystaniem cieczy jonowych Podstawę warsztatu naukowego wnioskodawców stanowi wiedza i umiejętności w zakresie fizykochemii powierzchni, absorpcji gazów w cieczach (separacja CO 2 z fazy gazowej i ciał stałych) oraz oznaczania cieczy jonowych. Umiejętności te zostały znacznie rozwinięte dzięki udziałowi Katedry Technologii Chemicznej (jako członka założyciela) w sieci naukowej SURUZ, finansowanej ze środków UE a obecnie przez MNiSzW. Celem sieci jest współpraca między naukowymi jednostkami w Polsce pracującymi nad różnymi aspektami fizykochemii powierzchni m.in. zastosowanie systemów dyspersyjnych w przemyśle i ochronie środowiska, mechanizmy interakcji i stabilności systemów dyspersyjnych (piany, emulsje, zawiesiny). Wnioskodawcy posiadają doświadczenie praktyczne w obsłudze urządzeń analitycznych, które wykorzystywane będą w projekcie chromatograf gazowy, analizatory gazów, goniometr, analizator powierzchni właściwej porowatości BET itp. Podstawowa aparatura dla realizacji etapu znajduje się w Katedrze Technologii Chemicznej PG lub jest dostępna jej pracownikom patrz lista na wstępie opisu BT 7. Fotokonwersja dwutlenku węgla do lekkich węglowodorów - Opracowanie metody otrzymywania fotokatalizatorów o wysokiej wydajności kwantowej w reakcji fotokonwersji CO 2 (TiO 2 modyfikowany metalami i niemetalami). 178

178 W metodzie zol-żel modyfikowany TiO 2 będzie otrzymywany poprzez hydrolizę izopopoksy tytanu(iv) w obecności odpowiednich domieszek (rozpuszczalne soli metali lub związki organiczne będące prekursorem pierwiastków o charakterze niemetali). Zol otrzymany po hydrolizie będzie suszony, ucierany, przemywany, suszony i poddawany kalcynacji w piecu rurowym w zakresie temperatur 300 C-450 C. W metodzie impregnacji powierzchniowej komercyjnie dostępny TiO 2 (P-25, ST-01) będzie ucierany w moździerzu z prekursorami metali lub niemetali, suszony i poddawany kalcynacji w piecu rurowym w zakresie temperatur 300 C-450 C. Otrzymane fotokatalizatory zostaną poddane charakterystyce: wyznaczanie powierzchni właściwej BET, wyznaczanie składu pierwiastkowego metodą XPS, oznaczanie struktury chemicznej fotokatalizatora metodą spektroskopii w podczerwieni FT-IR/DRS, wyznaczanie szerokości pasma wzbronionego DR-UV/VIS, wyznaczanie wielkości krystalitów i składu fazowego katalizatora metodą dyfrakcji rentgenowskiej XRD. Badanie efektywności fotokonwersji CO 2 w fazie gazowej i ciekłej (wpływ geometrii reaktora i stosowanego źródła światła). I etap badań będzie obejmował porównanie efektywności fotokonwersji CO 2 w obecności różnych fotokatalizatorów. Laboratoryjny układ do fotokonwersji w fazie gazowej będzie się składał z butli ze sprężonym CO 2, termostatowanego przepływowego fotoreaktora kwarcowego o objętości 1,5 dm 3, czujników (pomiar temperatury oraz wilgotności fazy gazowej) oraz źródła promieniowania UV-VIS (lampa ksenonowa Xe-1000 W firmy Oriel, emitująca promieniowanie w zakresie od UV-VIS) oraz filtry wycinające określony zakres promieniowania. Cały układ badawczy będzie umieszczony w światłoszczelnej obudowie, eliminującej wpływ promieniowania słonecznego oraz oświetlenia laboratorium na efektywność reakcji fotodegradacji. Zastosowanie lampy ksenonowej wraz z filtrami optycznymi umożliwia prowadzenie fotoreakcji zarówno w zakresie światła widzialnego jak i w zakresie UV - w zależności od zastosowanych filtrów wycinających odpowiedni zakres promieniowania. Badania aktywności zostaną również przeprowadzone w obecności promieniowania słonecznego. Źródło promieniowania oraz zestaw filtrów optycznych znajdują się na wyposażeniu Katedry Technologii Chemicznej PG. Omawiany układ zostanie wyposażony w termostatowany fotoreaktor przepływowy, z zainstalowanymi czujnikami, umożliwiającymi prowadzenie reakcji w fazie gazowej w obecności TiO 2. Efektywność procesu będzie oceniania na podstawie pomiaru stężenia węglowodorów w mieszaninie poreakcyjnej (analiza chromatograficzna). Fotokatalizatory o najwyższej aktywności zostaną wykorzystane w II etapie badań. II etap badań będzie obejmował wpływ geometrii reaktora i typu promieniowania na efektywność konwersji CO 2 (badania w skali ułamkowotechnicznej). 179

179 a) Fotoreaktor rurowy układ będzie zbudowany z kwarcowej komory reakcyjnej o pojemności 4 dm3 umieszczonej w parabolicznym zwierciadle koncertującym promieniowanie. Wewnątrz komory reakcyjnej zostanie umieszczona przegroda porowata z warstwą TiO 2. Reakcja będzie prowadzona z wykorzystaniem promieniowania słonecznego. b) Fotoreaktor cienkowarstwowy: układ do fotokonwersji w fazie wodnej nasyconej CO 2 będzie złożony z fotoreaktora cienkowarstwowego o powierzchni naświetlania 400 cm2 i grubości warstwy naświetlanej 1 cm. o pojemności 1 dm 3 wykorzystującego promieniowanie słoneczne Fotokatalizatory będą osadzane w postaci cienkiej warstwy na tylnej ściance fotoreaktora. Przestrzeń pomiędzy płytami będzie wypełniona wodnym roztworem łapaczy ładunków. Dwutlenek węgla będzie doprowadzany do fotoreaktora na zasadzie barbotażu. Proces fotokonwersji będzie prowadzony w układzie ciągłym lub periodycznym. Efektywność procesu będzie oceniania na podstawie stężenia węglowodorów w mieszaninie poreakcyjnej (analiza chromatograficzna). Natężenie promieniowania słonecznego mierzone będzie za pomocą czujnika promieniowania. c) Fotoreaktor z wirującą warstwą cieczy faza wodna zawierająca łapacze ładunków podawana będzie pompą do głowicy reaktora cyklonowego. W proponowanym rozwiązaniu ciecz wiruje w przestrzeni utworzonej pomiędzy kwarcową osłoną lampy UV a rurą porowatą sekcji wprowadzania fazy gazowej. Dostarczana do układu faza gazowa wtłaczana jest przez porowatą rurę polipropylenową. Siła odśrodkowa oraz siły ścinające wirującej warstwy cieczy powodują silną dyspersję gazu. Nasycona CO 2 warstwa cieczy, o grubości 5 mm, poddawana będzie działaniu promieniowania UV. Wytworzenie cienkiej warstwy cieczy, wirującej wokół lampy UV, umożliwia korzystną ekspozycję przepływającego roztworu na promienie UV i tym samym efektywniejsze wykorzystanie promieniowania UV niż w przypadku zastosowania lamp zanurzeniowych. Technologia diagnostyki i katalizy spalania biednych mieszanek biogazowych w silnikach i turbinach spalinowych. Zastosowanie bardziej wyrafinowanych metod diagnostycznych opartych na pomiarach sond Langmuir a jest możliwe jedynie w przypadku stworzenia całościowego programu badań, w tym w zakresie: gazodynamiki propagacji frontu spalania, kinetyki plazmo-chemicznej oraz oddziaływań plazmy z powierzchnią w warunkach szybko zmiennych pól oraz wysokiego ciśnienia. Na przykład, wciąż nie znane są wyczerpujące odpowiedzi na pytania: 180

180 1. Jakie są mechanizmy chemo-jonizacji w różnych płomieniach węglowodorowych i jak gęstość jonizacji (skład jonowy) zależy od warunków spalania? 2. Jak plazma oddziałuje z różnymi powierzchniami? 3. Jakie parametry płomienia można wyznaczyć korzystając z sygnału sondy? 4. Jaka jest optymalna konstrukcja sondy dla pomiarów różnych charakterystyk płomienia? IMP PAN posiada niezbędną wiedzę oraz opracowaną metodologię w celu rozwiązania w/w problemów. Opracowano metody plazmo-chemicznej kinetyki umożliwiające wyznaczenie i weryfikację eksperymentalną składu plazmy w płomieniu węglowodorowym. Ponadto, grupa posiada własne algorytmy metody Cząsteczka - W - Komórce (Particle In Cell - PIC) Monte Carlo dla obliczania dynamiki plazmy w warstwie przyściennej, m. in. dla opisu sond Langmuira i procesów heterogenicznych. W ramach projektu zostaną metody te zostaną rozwinięte. Rezultaty obliczeń teoretycznych będą zweryfikowane z rezultatami prac doświadczalnych. Szczególna uwaga zostanie poświęcona oddziaływaniom płomienia z powierzchnią, jego zaniku (flame quenching) oraz efektom oddziaływań katalitycznych. Poza tym zespół realizujący zadanie posiada dostęp do specjalistycznego sprzęt do tworzenia i badania warstw katalitycznych oraz diagnostyki płomieni metodami spektroskopowymi oraz sondą Langmuira patrz lista na wstępie opisu BT 7. Opracowanie materiałów oraz technologii wytwarzania kluczowych elementów układów ORC oraz Nowe materiały funkcjonalne dla elementów układów kogeneracyjnych poświęcone są rozwojowi nowych materiałów w tym tworzeniu warstw katalitycznych oraz o podwyższonej wytrzymałości w celu wydłużenia czasu bezawaryjnej pracy i okresów międzyremontowych. Wyniki badań wskazują, że sprawność ogniw paliwowych zależy w znacznym stopniu od efektywności stosowanych katalizatorów. Przy stałych koncentracjach nośników stopień rozwinięcia powierzchni katalizatora decyduje o gęstościach generowanego prądu. Z kolei, w odniesieniu do warstw ochronnych znane opracowania i raporty podają, że oszczędności wynikające z zastosowania warstw ochronnych na kluczowych elementach układów kogeneracyjnych można szacować na 25-30% kosztów układu. Wynika to z wydłużenia czasu bezawaryjnej pracy i okresów międzyremontowych. Jako podstawowy materiał do wykonania wielu elementów konstrukcyjnych urządzeń energetyki rozproszonej, np. wału turbogeneratora, przewiduje się stale konstrukcyjne. Stale konstrukcyjne są stosowane w budowie maszyn i urządzeń pracujących w zakresie temperatury od 20 do 300 C, w środowiskach o niewielkim działaniu korozyjnym. Właściwości stali konstrukcyjnych stopowych zależą od stężenia węgla i pierwiastków stopowych. Główne znaczenie Cr, Mn, Si, Ni, Mo i innych dodatków stopowych w stalach konstrukcyjnych polega na polepszeniu hartowności stanowiącej podstawowe kryterium 181

181 doboru tych stali. Uzyskanie struktury martenzytycznej na założonym przekroju elementu zapewnia po obróbce cieplnej wydatne zwiększenie własności mechanicznych. Pierwiastki węglikotworcze, takie jak np. Cr, V, Mo, W, zwiększają także twardość i odporność na ścieranie w wyniku tworzenia węglików, wpływają na zmniejszenie wielkości ziaren, przeciwdziałają kruchości odpuszczania (Mo, W) oraz powodują polepszenie wielu innych własności technologicznych i użytkowych stali. W celu uzyskania najkorzystniejszych własności stale konstrukcyjne stopowe należy stosować w stanie obrobionym cieplnie lub po innych procesach technologicznych zapewniających wykorzystanie pozytywnego działania pierwiastkow stopowych. Jedną z rozważanych opcji umacniania jest azotowanie plazmowe - nowoczesna, próżniowa odmiana azotowania gazowego z wykorzystaniem zjawiska wyładowania jarzeniowego. Polega na nasycaniu azotem powierzchni detali stalowych i żeliwnych w środowisku zjonizowanych gazów w zakresie temperatur C. Zaletami tej technologii są: możliwość precyzyjnego regulowania struktury warstwy azotowanej, zwłaszcza uzyskiwanie litych, nieporowatych, a także monofazowych warstw powierzchniowych (tzw. warstwa biała) oraz warstw azotowania wewnętrznego (tzw. warstwa dyfuzyjna bez warstwy związków), intensyfikacja czasu procesow krotko i średniookresowych ze względu na przyspieszoną dyfuzję azotu. Jako rozwiązanie alternatywne w prezentowanym opracowaniu dla zastosowania stali na wałek turbogeneratora, zaproponowano stop aluminium. Podstawową zaletą stopów aluminium w porównaniu ze stopami żelaza jest znaczne zmniejszenie ciężaru właściwego elementu konstrukcji, jak również ograniczenie strat materiałowych związanych z kosztowną obróbką mechaniczną materiały te świetnie nadają się do odlewania i mogą być także zastosowane do spalarki wytwornicy pary. W ramach prac dostarczone zostaną zestawy materiałów w postaci walców ze stali i tworzyw sztucznych oraz tulei (Al2O3, ZrO2), a przewidywane operacje uszlachetniania powierzchni roboczych (azotowanie, nanoszenie warstw ceramicznych) zostaną wykonane i poddane badaniom wytrzymałościowym. Warstwy modelowe zostaną wytworzone z wykorzystaniem technik laserowej ablacji (PLD), dyspergowania i napawania oraz metod elektrohydrodynamicznych (elektrospraying, electrospinning, electroplating). Wybór techniki ablacyjnej do otrzymywania nanowarstw w skali laboratoryjnej jest dobrze uzasadniony licznymi wynikami badań doświadczalnych. Wskazują one, że proces wzrostu można kontrolować, nawet z dokładnością do pojedynczych monowarstw atmowych, poprzez dobór warunków próżniowych, konfiguracji próbki i substratu oraz parametrów naświetlania. 182

182 Laserowe dyspergowanie jest techniką badaną dopiero od kilku lat. Polega na nadtopieniu odpowiednio skupioną wiązką laserową wierzchniej warstwy materiału podłoża i jednoczesnym wstrzykiwaniu w roztopiony materiał cząstek fazy wzmacniającej, głównie proszków ceramicznych. W ten sposób tworzone będą warstwy kompozytowe o osnowie metalicznej MMC (metal matrix composite). Laserowe napawanie, polega na nanoszeniu materiału proszkowego, stopionego wiązką lasera na materiał podłoża tak, aby uzyskać trwałe złączenie materiałów i jednocześnie w ten sposób, aby strefa wpływu ciepła w podłożu była jak najmniejsza. Wykonane będą próby dla różnych par materiałów o potencjalnym zastosowaniu w mikrosiłowniach i/lub kotłach ekologicznych. Nowo opracowane materiały poddane zostaną badaniom metalograficznym, wytrzymałościowym oraz tribologicznym. Prace doświadczalne wspomagane będą modelowaniem teoretycznym. Metody elektrohydrodynamiczne (electrospraying, electrospinning, electroplating) i plazmowe charakteryzują się niskimi kosztami inwestycyjnymi, niską energochłonnością, proekologicznością, elastycznością w produkcji (łatwością zmiany parametrów wytwarzania), niskimi stratami materiałów i małym poziomem zapotrzebowania na materiały pomocnicze oraz możliwością przeprowadzenia procesu zwykle w temperaturze otoczenia i przy ciśnieniu normalnym. Ocenia się, że w najbliższym czasie będzie wzrastać zapotrzebowanie na nowe, elastyczne (flexible) łatwe do modyfikacji technologie wytwarzania o umiarkowanych kosztach inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Do tego rodzaju technologii należą rozwiązania proponowane w zgłaszanym projekcie badawczym. Zbadane zostaną warunki generacji kropel cieczy o minimalnej wielkości dla różnych modów elektrorozpylania, zwłaszcza dla modu stożkowo-strugowego i wielostrugowego, w zależności od napięcia zasilającego dyszę kapilarną, odległości międzyelektrodowej i prędkości strugi cieczy wypływającej z dyszy kapilarnej. Określenie wpływu podstawowych parametrów fizycznych wybranych czynników (lepkość, napięcie powierzchniowe, rezystywność) na możliwość generacji wybranych modów rozpylania (mod stożkowo-strugowy lub wielostrugowy) pozwalających zminimalizować wielkość generowanych kropel cieczy w aspekcie wytwarzania mikro- i nanocząstek oraz nanopokryć. Opracowane zostaną metody jednoczesnego nanoszenia warstw nanokompozytowych złożonych z różnych składników bazującej na elektrorozpylaniu. Badanie podstawowych parametrów charakteryzujących wytworzone warstwy jednoskładnikowe i nanokompozytowe, a w szczególności: struktury, twardości chropowatości, adhezyjności i ścieralności. Istotą zagadnienia będzie poszukiwanie rozwiązań zapobiegających niszczeniu i przedłużenie żywotności materiałów katalitycznych. Badania ukierunkowane będą też na wytwarzanie warstw o wymaganej porowatości, które mogą znaleźć zastosowanie w ogniwach paliwowych, w szczególności w membranach do 183

183 wymiany protonów PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells), membranach pokrytych porowatą platyną lub porowatych anod z cermetu niklowego lub kobaltowego. Wyniki badań posłużą do analizy i porównania własności materiałów uzyskanych metodą PLD oraz technikami syntezy płomieniowej, CVD oraz elektrohydrodynamiczne. Technikami SEM oraz XRD badana będzie fizyczna stabilność cząstek i warstw w zależności od ich charakterystycznego wymiaru liniowego (średnicy). Równolegle badany będzie model zjawisk fotoseparacji oraz kinetyki generacji ładunku w warunkach kontaktu cząstek z warstwą naświetlanego sensybilizatora (barwnika), w celu lepszego zrozumienia procesów, wynikiem których jest efekt fotowoltaiczny. Badana będzie również możliwość stabilizowania struktury warstw poprzez stosowanie domieszek metalicznych. Domieszkowanie będzie jedną z proponowanych w projekcie metod stabilizacji. Problem trwałości struktur cienkowarstwowych wymaga wyjaśnienia w związku z opisaną w literaturze tendencją do agregacji molekuł w warunkach zmiennej temperatury. Badania doświadczalne zostaną wykonane na stoiskach doświadczalnych Laboratorium Laserowego IMP PAN oraz Środowiskowego Laboratorium Spektroskopii przy Politechnice Gdańskiej. W badaniach stosowane będą stanowiska spektroskopowe i technologiczne laserów dużej mocy: laser Nd:YAG(1 J, 8 ns, 20 Hz) z komorą próżniowa (10-7 mbar) i instalacją kriogeniczną (min. 10 K), oraz lasery CO 2 o mocach nominalnych 1,2 i 2,5 kw z optyką adaptacyjną umożliwiającą modyfikowanie i kontrolę profilu wiązki laserowej. Planuje się też użycie lasera dyskowego Nd:YAG, w przypadku realizacji zakupu finansowanego przez Pomorską Specjalną Strefę Ekonomiczną w ramach PO-IG, działanie 5.1, lub alternatywnie - lasera diodowego dużej mocy (HPDL) w ramach współpracy z Politechniką Śląską w Gliwicach. 13. Blok tematyczny 8 Integracja energetyki rozproszonej z siecią elektroenergetyczną (etapy 53-58) Etapy bloku tematycznego 8 będą realizowane w oparciu o własny potencjał wykonawczy istniejący w GK ENERGA, w Instytucie Maszyn Przepływowych i na Politechnice Śląskiej, jak również w oparciu o potencjał kadrowy oraz laboratoryjny instytucji współpracujących, a w tym: Politechniki Gdańskiej oraz innych podmiotów naukowobadawczych. Podstawowymi metodami realizacji poszczególnych celów będą studia z dużym zakresem różnorodnych analiz: technicznych i ekonomicznych. W analizach technicznych istotny będzie udział modelowania zjawisk mechanicznych, elektrodynamicznych i elektromagnetycznych na styku źródła elektrycznego i sieci rozdzielczej. Podjęte zostaną 184

184 próby integracji technologii sieciowych i wytwórczych łącznie z technologiami zasobnikowymi. Planuje się w szczególności (Instytut Elektrotechniki) opracowanie Inteligentnego Systemu Monitorowania, Diagnostyki i Sterowania Mikrobiogazowni/Mikroelektrowni, który zawiera układy pomiarowe, mikroprocesorowe sterowniki lokalne podzespołów oraz komputer nadrzędny mikrobiogazowni/mikroelektrowni. Urządzenia mikrobiogazowni/ mikroelektrowni spięte są magistralą CAN zapewniającą pełną komunikację wewnętrzną, a także zewnętrzną przez sieć publiczną. System działa bez obsługi i zapewnia pełną automatykę wewnętrzną oraz umożliwia sterowanie z Centrum Zarządzania. Planuje się także opracowanie Centrum Zarządzania inteligentnych rozproszonych mikrobiogazowni/mikroelektrowni (głównie w postaci przedsięwzięcia informatycznego). Sprzęt i oprogramowanie powinny zapewniać możliwość zdalnego dostępu do każdej mikrobiogazowni/mikroelektrowni w celu dostosowania pracy jednostki do aktualnych potrzeb systemu elektroenergetycznego i odpowiednio dobranych wskaźników efektywności. D. Nowoczesność proponowanych rozwiązań w porównaniu do rozwiązań dotychczas stosowanych w kraju i za granicą (szczególnie w krajach Unii Europejskiej i w USA) (H52) 14. Blok tematyczny 1 Siłownie poligeneracyjne (systemy produkcji energii elektrycznej, ciepła i chłodu) zintegrowane z układami produkcji paliw z biomasy W bloku tym podjęto temat rozwoju technologii poligeneracji: energii elektrycznej, ciepła i chłodu, zagadnienia niezwykle istotnego w związku z projektami klimatycznymi Uni Europejskiej. Kogeneracja to jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej, które prowadzi do większego, niż w przypadku produkcji rozdzielonej, wykorzystania energii pierwotnej. Kogeneracja prowadzi zatem do obniżenia kosztów wytwarzania energii końcowej, jak i przyczynia się do zmniejszenia emisji gazów i zanieczyszczeń, w szczególności CO 2 [ 7, 8 ]. 7 Distributed Energy Peer Review, December 2005, Darlington, USA. 8 Polimeros G., 2002, Energy Cogeneration Handbook, Industrial Press Inc 185

185 Przykładowe liczbowe zyski z kogeneracji przedstawiono na rysunku poniżej. Jak widać ze schematu, dla wytworzenia 21 jednostek energii elektrycznej i 33 jednostek ciepła w kogeneracji (przy założeniu sprawności całkowitej na poziomie 90%) potrzeba 60 jednostek energii pierwotnej. Natomiast do wytworzenia tej samej ilości energii końcowej przy generacji rozdzielnej potrzeba aż 97 jednostek energii pierwotnej (rys. D1). Rys. D1. Produkcja energii elektrycznej i ciepła w trybie generacji rozdzielnej i Kogeneracji Podstawowymi urządzeniami układów kogeneracyjnych, lub inaczej systemów CHP (Combined Heat & Power) w skali energetyki zawodowej są przede wszystkim turbiny parowe przeciwprężne lub upustowo-kondensacyjne pracujące w obiegu zamkniętym Rankine a oraz turbiny gazowe pracujące w obiegu Braytona [ 9 ]. Spotyka się także układy kombinowane, dwupaliwowe. Kogeneracja jednak najczęściej zdeterminowana jest przez wielkość zapotrzebowania na ciepło, co ogranicza znacznie możliwości stosowania układów kogeneracyjnych w dużej, ale także w małej skali. To właśnie stanowi przesłankę do podjęcia w ramach niniejszego projektu inicjatywy polegającej na implementacji kompleksu przedmiotowych technologii energetycznych opartych na biomasie jako podstawowym źródle energii pierwotnej w skali gminy lub małego miasta. Układy kogeneracji rozproszonej wymagają jednak odbiorców ciepła. Oznacza to, iż technologie kogeneracyjne można zaimplementować poprzez modernizację istniejącej infrastruktury ciepłowniczej: planuje się zatem modernizacje istniejących ciepłowni opalanych tradycyjnym paliwem (najczęściej węglem) na układy kogeneracyjne zintegrowane z układami produkcji biopaliw płynnych lub gazowych. W ramach projektu planuje się także rozszerzenie tej koncepcji na układy poligeneracyjne, generujące nie tylko energie elektryczną oraz ciepło użytkowa, lecz także chłód dla celów komfortu lub celów technologicznych (składowanie płodów rolnych). 9 Perycz S., 1992, Turbiny parowe i gazowe, Wyd. PAN, Seria Maszyny Przepływowe, Tom 10, Wrocław Warszawa Kraków, Zakład Narodowy im. Ossolińskich. 186

186 Kogeneracja znajduje szczególne zastosowanie w małych jednostkach wytwórczych energetyki rozproszonej. Energia wyprodukowana w jednostkach mikro i małej energetyki rozproszonej, np. kotłowniach biomasowych, czy biogazowniach trafia w pierwszej kolejności do lokalnego odbiorcy. Rozróżnia się generację na użytek własny gospodarstw, budynków przedsiębiorstw, obiektów administracji i użyteczności publicznej. Nadwyżki energii elektrycznej przekazywane są rozdzielczych sieci elektroenergetycznych. Nadwyżki ciepła trafiają do lokalnych sieci ciepłowniczych. Wyprodukowane paliwa mogą zostać wykorzystane dla celów transportowych lub być zatłoczone do lokalnych sieci paliwowych. Wśród podstawowych zalet energetyki rozproszonej należy wymienić: - możliwość wykorzystania lokalnych zasobów energetycznych, w tym w szczególności odnawialnych źródeł energii, - możliwość produkcji różnych rodzajów energii w kogeneracji w miejscu zapotrzebowania na ciepło, - uniknięcie nadmiernej mocy zainstalowanej, - zmniejszenie obciążenia szczytowego, - redukcja strat przesyłowych, - zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego przez dywersyfikację źródeł energii, - redukcję emisji gazów cieplarnianych (kogeneracja, odnawialne źródła energii). Wśród wad energetyki rozproszonej należy wymienić: - nieprzewidywalność produkcji energii z niektórych źródeł (elektrownie wiatrowe, słoneczne) i konieczność utrzymania rezerw mocy, - wysokie początkowe nakłady inwestycyjne, - wysokie koszty przyłączenia opomiarowania i bilansowania energii na jednostkę mocy wytworzonej. Polityka Unii Europejskiej jest bardzo korzystna dla wytwarzania energii w jednostkach energetyki rozproszonej i w oparciu o odnawialne źródła energii. Przykładami są: - dyrektywa 2010/75/UE o emisjach przemysłowych, - dyrektywa 2009/28/WE w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych), - dyrektywa 2012/27/UE w sprawie efektywności energetycznej. Na wzrost opłacalności wytwarzania energii w jednostkach energetyki rozproszonej wpływa system zachęt ekonomicznych, np. za zieloną energię (zielone certyfikaty), za kogenerację (czerwone certyfikaty), za efektywność energetyczną oraz tzw. płytkie opłaty za przyłączenie do sieci. 187

187 Istnieje też szereg regulacji, które mogą działać zarówno na korzyść jak i na niekorzyść wywarzania energii w jednostkach energetyki rozproszonej, np.: - regulacje dotyczące przyłączenia do sieci, - regulacje środowiskowe odnośnie emisji gazów cieplarnianych i innych szkodliwych gazów (SO 2, NO x), zanieczyszczeń pyłowych, emisji hałasu, zeszpecenia krajobrazu, oddziaływania na środowisko, - regulacje dotyczące bezpieczeństwa i bezpiecznej eksploatacji. Podstawowymi urządzeniami układów kogeneracyjnych w małej energetyce rozproszonej są silniki spalinowe. Agregaty prądotwórcze na bazie silników spalinowych nadbudowane węzłem ciepłowniczym stanowią trzon układów kogeneracyjnych skojarzonych z układami do produkcji paliw z biomasy biogazowniami i biorafineriami. Silniki spalinowe przeważnie pracują w zakresie mocy od kilkunastu kwe do kilku MWe. Na rysunku przedstawiono schemat obiegu kogeneracyjnego silnika spalinowego. Spalinowy silnik tłokowy napędza generator energii elektrycznej. Ciepło z układu chłodzenia i smarowania zostaje wykorzystane na podgrzanie ciepłej wody. Ciepło spalin z wylotu silnika można wykorzystać do produkcji pary dla procesów technologicznych lub także dla celów ciepłowniczych, rys. D2. Rys. D2. Schemat obiegu kogeneracyjnego silnika spalinowego Podstawowymi zaletami elektrowni opartych na silnikach tłokowych są: - wysoka sprawność produkcji energii elektrycznej w szerokim mocy, w tym także podczas pracy w obszarze obciążeń częściowych, - możliwość szybkiego uruchomienia i uzyskania obciążenia nominalnego, - możliwość pracy w miejscach oddalonych od linii przesyłowych i w charakterze zasilania awaryjnego, - duża różnorodność stosowanych paliw, - stosunkowo niskie nakłady inwestycyjne. 188

188 Silniki spalinowe wymagają jednak odpowiednich układów zasilania i automatyki zapłonu, aby mogły spalać paliwa gazowe jak i ciekłe, także paliwa mniej kaloryczne, takie jak biogaz z biogazowni fermentacyjnej, czy ciekłe produkty fermentacji alkoholowej i pirolizy. W wyniku przeprowadzonych w niniejszym projekcie badań modelowych, stanowiskowych, pilotażowych i wdrożeniowych zostanie opracowany typoszereg zespołów napędowych o podobnej konfiguracji (różniących się skalą) wraz z inteligentnymi sterownikami rozpoznającymi jakość stosowanego paliwa gazowego i dobierającymi doń właściwą (optymalną) strategię sterowania układem zasilania (dawkę pilotującą, dawkę ekologiczną, główną dawkę gazu, kąt wyprzedzenia początku wtrysku). W przypadku zasilania silników napędowych agregatów kogerencyjnych paliwami płynnymi (estrami i alkoholami) sterowniki dobierać będą mapę sterowania obejmujące w/w kryteria. Zakłada się takie samo ukompletowanie i wyposażenie części napędowej agregatów bez względu na rodzaj stosowanego paliwa. Jedynie oprogramowanie sterowników zapewniać będzie właściwą pracę agregatów. Opisane tu inteligentne sterowania silników o ZS (w zastosowaniach stacjonarnych a także trakcyjnych) nie są stosowane ani w kraju ani za granicą w systemach z tymi silnikami. Dotychczas używane silniki napędowe agregatów prądotwórczych (w tym kogerencyjne) zasilane paliwami alternatywnymi (gazem metanem) są przekonstruowanymi silnikami o ZS z obniżonym stopniem sprężania i zamontowaną instalacją zapłonową. Stają się zatem silnikami o zapłonie iskrowym, o niższej niż w przypadku silnka o ZS sprawności. (Zaznaczyć należy, że paliwo gazowe ma mniejszą wartość opałową, uzysane efekty energetyczne są zatem jeszcze niższe niż w przypadku zasilania ON). Większość dotąd pracujących agregatów prądotwórczych zasilanych gazem (pochodzenia fermentacyjnego) jest napędzane silnikami o ZI (zapłonie iskrowym). Równocześnie, zarówno w produkcji, jak i w eksploatacji znajdują się duże ilości agregatów prądotwórczych zasilanych olejem napędowym są to silniki o obiegu Diesla. W zakresie mocy większej od 10kW są to tylko silniki o ZS. Projekt zapewnia wielopaliwowość agregatów, wychodzi naprzeciw już istniejącym rozwiązaniom, wzbogacając ofertę na rynku a także poprawiając bezpieczeństwo energetyczne kraju. W układach kogeneracyjnych w małej skali można także wykorzystywać turbiny lub mikroturbiny gazowe. Idea układu kogeneracyjnego jest tu identyczna jak w przypadku obiektów w dużej skali. Turbiny gazowe charakteryzują się znacznie dłuższym czasem eksploatacji niż silniki spalinowe i nie wymagają częstych usług dla podtrzymania eksploatacji. Sprawność turbin gazowych w odniesieniu do produkcji energii elektrycznej wypada jednak przeważnie o kilka punktów procentowych gorzej niż dla silników spalinowych w rozważanym zakresie mocy. Wyższe są także koszty inwestycyjne. 189

189 Generalnie istnieje mała ilość doświadczeń w kraju jak i zagranicą związanych z wykorzystaniem gazu ze zgazowania biomasy w turbinach gazowych, mimo ich potencjalnych zalet. Badania zaproponowane w projekcie umożliwią wprowadzenie technologii wykorzystujących turbiny gazowe do produkcji energii elektrycznej z biomasy. Integracja układu turbiny gazowej z układem parowym z czynnikiem organicznym może być interesującym rozwiązaniem ze względu na wysoką sprawność oraz może być konkurencyjna do układów z silnikami tłokowymi ze względu na niskie koszty obsługi. Odpowiednikami turbin parowych wielkiej mocy w energetyce rozproszonej są małe turbiny lub mikroturbiny parowe pracujące w organicznym obiegu Rankine a (ORC), którego schemat przedstawiono na rys. D3 [ 10 ]. Podstawowymi elementami składowymi siłowni są: ekologiczny kocioł przystosowany do spalania różnego rodzaju biomasy i biopaliw, obieg pośredni oleju termalnego odbierający ciepło od spalin i przekazujący je do czynnika roboczego, parownik, turbina na czynnik niskowrzący, generator, skraplacz oraz pompy obiegowe czynnika roboczego i oleju termalnego. W przyjętym rozwiązaniu prąd elektryczny stanowi ok % mocy cieplnej układu. Na cele ciepłownicze wykorzystuje się ciepło przegrzania i kondensacji czynnika roboczego układu ORC. Rozwiązanie to jest ciekawe ze względu na jego szczególną predyspozycję do wykorzystania niskotemperaturowych źródeł ciepła, możliwość utylizacji różnych rodzajów paliwa i możliwość zastosowania budowy modułowej a zatem łatwość dostosowania do wymaganego zakresu mocy. Rys. D3. Siłownia kogeneracyjna w obiegu parowym ORC; P parownik, TP turbina parowa, K kondensator, G generator. Proponowane w projekcie rozwiązanie mikrosiłowni kogeneracyjnej CHP ORC o mocy modułu kWe nie ma swoich odpowiedników w kraju. Za granicą znane są 10 Mikielewicz J., Bykuć S., Mikielewicz D., 2006, Application of renewable energy sources to drive ORC mikro CHP, In: Heat transfer and Renewable Sources of Energy, Eds: Mikielewicz J., Nowak W., Stachel A.A. 190

190 podobne instalacje, ale na znacznie większe moce przez co skierowane są do innego, zdecydowanie węższego grona odbiorców. Oferowany jest co prawda cały typoszereg układów kogeneracyjnych opartych na obiegu organicznym o mocy cieplnej powyżej 2 MWc, elektrycznej powyżej 500kW. Taka ilość energii jest zdecydowanie za duża dla osiedli wiejskich i miejskich poza sezonem grzewczym, nie mówiąc już o małych i średnich przedsiębiorstwach przemysłowych lub usługowych, czy gospodarstwach rolnych, które potrzebują ciepła i energii elektrycznej na własny użytek. Dostrzega się więc istotną lukę w oferowanych na rynku rozwiązaniach układów do kogeneracji ciepła i energii elektrycznej, dotyczącą zakresu mocy cieplnej do ok. 1MW, elektrycznej do ok. 200 kwc, wykorzystujących technologie dostosowane do utylizacji źródeł odnawialnych. Nowe proponowane rozwiązania mogą zapewnić postęp technologiczny i wprowadzić element konkurencyjności wobec drogich zagranicznych technologii tym droższych im większy jest na nie popyt w naszym kraju. Jak wskazano powyżej właśnie tego rodzaju rozwiązanie wydaje się najbardziej predestynowane do aplikacji w roli Gminnego Centrum Energetycznego. Absolutną nowością w sferze technologicznej jak i koncepcyjno-ekonomicznej jest także strumienicowy układ produkcji chłodu skojarzony z układem kogeneracyjnym opracowany w ramach niniejszego projektu. Proponowane kotły odzyskowe, wymienniki ciepła, urządzenia rozprężne siłowni ORC charakteryzują się bardzo nowoczesną konstrukcją. Zagranica nie ma odpowiednika dla proponowanych kotłów odzyskowych. Z myślą o rozwijaniu technologii minisiłowni kogeneracyjnych skojarzonych z układami produkcji paliw z biomasy i charakteryzujących się bardzo wysoką sprawnością produkcji energii elektrycznej (40-45%) w ramach niniejszego projektu prowadzone będą prace nad budową obiegów kombinowanych gazowo/parowych. Wydaje się, że największą rolę odegrają tu jednostki o mocy 0.5-1MWe. Podstawowy obieg siłowni to obieg silnika spalinowego lub turbiny gazowej, gdzie generator napędzany jest przez silnik spalinowy/ turbinę gazową. Dodatkowym obiegiem jest obieg parowy ORC pracujący na cieple odpadowym stanowiącym ciepło spalin oraz ciepło chłodzenia silnika / turbiny. Turbina parowa w obiegu ORC napędza dodatkowy generator, który produkuje dodatkową energię elektryczną. Ciepło przegrzania i kondensacji czynnika roboczego układu ORC jest wówczas wykorzystywane na cele ciepłownicze. Układy takie są niewątpliwą nowością nie tylko na krajowym, lecz także na światowym rynku energetycznym. Według ocen amerykańskich istnieje olbrzymi rynek światowy na minisiłownie kogeneracyjne liczony w milionach potencjalnych instalacji. W świetle zarysowanych tendencji światowych i europejskich, a przede wszystkim w świetle sytuacji w kraju i oficjalnych dokumentów rządowych, istnieje pilna potrzeba uruchomienia na znacznie szerszą skalę badań w Polsce w zakresie kogeneracji rozproszonej w małej skali opartej na 191

191 odnawialnych źródłach energii. Dotyczy to zwłaszcza badań związanych z budową małych instalacji w formie kompleksów agroenergetycznych składających się z niskoemisyjnych biogazowi rolniczych nowego typu skojarzonych z minisiłowniami kogeneracyjnymi. Ten nurt badań doskonale wpisuje się zarówno w priorytety badawcze POIG, jak i politykę energetyczną Państwa, zwłaszcza biorąc pod uwagę olbrzymi (także i w Polsce) potencjalny rynek na tego typu produkty. W podsumowaniu, o innowacyjności projektu w zakresie siłowni kogeneracyjnej stanowią przede wszystkim: układy zasilania I sterowania silników spalinowych przystosowanych do spalania gazów niskokalorycznych, obieg parowy Rankine a z turbiną pracującą w oparciu o czynnik organiczny (ORC) w systemie produkcji energii cieplnej i elektrycznej w niedostępnym dotychczas zakresie mocy, nowatorskie projekty turbiny parowej, ekspandera, wymienników ciepła i wymienników ciepła odpadowego oraz niskoemisyjnego kotła wielopaliwowego współpracującego z turbiną ORC, nowatorskie rozwiązanie układu produkcji chłodu oparte na układzie strumienicowym, opracowanie nowych modeli spalania biopaliw w silnikach tłokowych, opracowanie kompletnej dokumentacji technicznej I budowa instalacji pilotażowych dedykowanych dla Gminnych Centrów Energetycznych, zastosowanie elektrohydrodynamicznych i plazmowych nanotechnologii materiałowych do konstrukcji nowych materiałów dla mikrosiłowni kogeneracyjnych. 15. Blok tematyczny 2. Mikrobiogazownie domowe, Blok tematyczny 3. Układy zgazowania termicznego biomasy oraz odpadów rolnych, komunalnych, ściekowych i in., Blok tematyczny 4. Układy produkcji paliw gazowych i płynnych metodami konwersji biologicznej biomasy (Biogazownia rolnicza, Biorafineria) W blokach tematycznych 2, 3 i 4 podjęto niezwykle istotny temat rozwoju nowoczesnych technologii produkcji paliw płynnych (biorafineria lignocelulozowa) i gazowych (biogazownia pirolityczna, fermentacyjna), w tym rodzącą się w Polsce ideę mikrobiogazoni domowej, która w aspekcie energetyki rozproszonej, może rozwiązać wiele problemów w kraju i za granicą, w tym zapotrzebowanie gospodarstw domowych na tanią energię oraz aktywizacji zawodowej ludności mieszkającej na terenach wiejskich. 192

192 Ze względu na powiązanie tematyczne przedstawimy tu zbiorczy opis nowoczesności proponowanych rozwiązań w porównaniu do rozwiązań dotychczas stosowanych w kraju i za granicą (szczególnie w krajach Unii Europejskiej i w USA). Globalne zapotrzebowanie na energię systematycznie wzrasta. W latach rosło ono o około 2% rocznie, a obecnie wzrost ten będzie prawdopodobnie coraz większy. Aktualnie około 79% energii jest w skali światowej wytwarzane z wykorzystaniem paliw kopalnych węgla, ropy i gazu, około 7% pochodzi z elektrowni jądrowych a 14% jest generowane z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii. Według prognoz długoterminowych do 2040 roku wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych będzie się systematycznie zwiększało, a dominującym źródłem pozostanie biomasa. Szacuje się, że udział biomasy w strukturze zużycia energii ze źródeł odnawialnych zmieni się z poziomu 79% do 52%, ale jednocześnie zwiększy się efektywność produkcji nowych paliw (EREC 2004). Paliwa kopalne wykorzystywane do produkcji energii są przyczyną emisji wielu zanieczyszczeń do atmosfery, w tym przed wszystkim związków odpowiedzialnych za efekt cieplarniany i związane z nim zmiany klimatu. Ponadto kraje dysponujące ubogimi zasobami paliwa kopalnych lub nie dysponujące nimi wcale, przy obecnej sytuacji politycznej na świecie są narażone na mniej lub bardziej realne niebezpieczeństwo wystąpienia braku dostaw energii. Wykorzystanie w miejsce paliwa kopalnych odnawialnych źródeł energii pozwala na obniżenie emisji gazów cieplarnianych, jak również zwiększa bezpieczeństwo dostaw energii. W roku 2002 obecne kraje członkowskie Unii Europejskiej około 6% zapotrzebowania na energię pokrywały ze źródeł odnawialnych. Do roku 2020 wskaźnik ten ma wzrosnąć do 20%. Obecnie około 2/3 energii wytwarzanej ze źródeł odnawialnych pochodzi z biomasy i nieuniknionym jest jej jeszcze intensywniejsze wykorzystanie w celu osiągnięcia założonych planów wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych [ 11 ]. Biomasa to stałe i ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także przemysłu przetwarzającego ich produkty oraz części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji [ 12 ]. Aktualnie najpowszechniej stosowanym procesem jej energetycznego wykorzystania jest bezpośrednie spalanie lub współspalanie z paliwami kopalnymi. Jednak w ostatnich latach coraz większym zainteresowaniem cieszą się nie tylko znane od dawna procesy pirolizy i zgazowania biomasy (przede wszystkim drewna 11 BIOMASS:GREEN ENERGY FOR EUROPE. GENREAL INFORMATION, EUR ( 12 Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 9 grudnia 2004 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązku zakupu energii elektrycznej i ciepła wytwarzanych w odnawialnych źródłach energii (Dz. U. Nr 267, poz. 2656). 193

193 i odpadów), ale coraz bardziej popularna konwersja biologiczna, w tym fermentacja metanowa. Biogazownie fermentacyjne (BF) Specyfika biogazowni jest uzależniona od lokalnych potrzeb i zastosowanej technologii. Przykładowo, w USA biogazownie służą głównie do zagospodarownia odpadów produkcji zwierzęcej i wytwarzania energii na potrzeby pojedynczych gospodarstw co odpowiada idei mikrobiobazowni. W Europie Zachodniej, biogazownie o relatywnie dużej mocy są często elementem systemu energetycznego ukierunkowywanego na szerokie wykorzystanie źródeł energii odnawialnej. Biogaz BF jest produktem procesu fermentacji metanowej zachodzącej podczas rozkładu materiału organicznego przy udziale acido- i metanogennych bakterii anaerobowych. Jest mieszaniną gazów, w tym głównie metanu (30-70%) i dwutlenku węgla (30-50%). Energetycznym składnikiem biogazu jest metan, a zachodzący w przyrodzie proces metanogenezy jest istotnym elementem biogeochemicznego obiegu węgla w środowisku. Naturalnym źródłem metanu jest gaz naturalny znajdujący się w złożach podziemnych (podwodnych) zawierający około 85% metanu oraz gaz błotny wydzielany na grzęzawiskach zawierający oprócz metanu także 5-16% etanu i około 8% wodoru. Każdego roku w skali świata do atmosfery uwalnia się około 800 mln ton metanu, w tym 90% pochodzi z dekompozycji biomasy, a pozostałe ilości metanu powstają w procesach przeróbki paliw kopalnych. Spalanie 1 litra gazu naturalnego pozwala na otrzymanie 35 jednostek termicznych BTU (British Thermal Unit), podczas gdy wydajność metanu z biogazu jest o około 25% niższa. Pomimo tych relacji metan z biogazu stanowi najefektywniejszy energetycznie ekwiwalent gazu naturalnego a możliwości wykorzystania biogazu są równie szerokie jak gazu ziemnego. W zależności od surowca wartość opałowa biogazu może zawierać się w przedziale 5-6 kwh/m 3, co odpowiada wartości około 0.5 m 3 gazu ziemnego, ale jednocześnie biogaz jest konkurencyjny względem węgla kamiennego (1.2 kg) i drewna (2.2 kg) (Stępniak (2003). W Europie, w 2005 r. w 25 krajach UE wyprodukowano 4959 toe biogazu, głównie z odpadów wysypiskowych i ścieków. Ostatnie lata zmieniają strukturę produkcji biogazu na surowieć pochodzenia rolniczego, zarówno z upraw dedykowanych jak i odpadów przemysłu rolno-spożywczego i biopaliwowego. Jak dotąd w Polsce, pomimo ewidentnej zależności od importowanych surowców energetycznych, rozwój badań nad technologią produkcji biogazu z innego substratu niż odpady komunalne i ścieki, był ograniczony przede wszystkim ze względów koniunkturalnych. W efekcie dzisiaj, funkcjonuje w kraju kilka biogazowni utylizujących 194

194 głownie odpady zwierzęce z udziałem roślinnym jako kosubstratem, nie ma zaś ani jednej funkcjonalnej biogazowni na surowiec roślinny, a dostępne informacje na temat przydatności różnych gatunków roślin do produkcji biogazu wciąż nie mają powiązania z uwarunkowaniami lokalnymi, co z kolei nie przekłada się na konkretne rozwiązania technologiczne i ich aplikacje. Badania proponowane w niniejszym projekcie stają się kluczowymi dla rozwoju tej sfery energii odnawialnej szczególnie w regionie Warmii i Mazur, który z uwagi na swoje uwarunkowania przyrodnicze, ekonomiczne i społeczne (różnorodność zasobów środowiska naturalnego, niskie uprzemysłowienie, niska gęstość zaludnienia wynosząca 59 osób na 1 km 2, niski stopień urbanizacji, wysoki udział ugorów w strukturze UR wynoszący 12,3%, korzystna struktura wielkości gospodarstw rolnych) jest szczególnie predysponowany do stosowania innowacyjnych technologii wytwarzania biogazu. Zakłada się, że realizacja badań pozwoli na opracowanie rozwiązań systemowych dotyczących procesów energetycznego wykorzystania specyficznych kosubstratów biogazowni, tzn. odpadów z produkcji gorzelnianej, mleczarskiej i biopaliwowej w procesie fermentacji z obornikiem i ślazowcem jako substytutem kukurydzy. Dotychczas nie było skutecznych działań na rzecz rozwoju biogazowi w Polsce. Według Grzybek (2005), Grzybek (2008) ten system produkcji energii jest klasycznym przykładem regionalizacji polityki energetycznej. Instalacje są bowiem lokalizowane blisko odbiorców energii elektrycznej i ciepła (gmina, miasto), co znacznie redukuje straty jej przesyłu. Podstawowym wyznacznikiem bezpieczeństwa energetycznego jest dywersyfikacja źródeł i dostaw, a nie tylko cena (Buchowiecki 2009, Grzybek 2005, Grzybek 2008, Janczur 2009). I choć eksperci widzą jeszcze wiele barier, aby produkcja i wykorzystanie biogazu mogły stanowić konkurencyjną opcję - dla tradycyjnych sposobów zaopatrzenia w energię trzeba przewidzieć miejsce tego systemu w produkcji i konwersji agrobiomasy, wyróżniającego się wysoką sprawnością bilansu energetycznego konwersji (Płatek W. i in. 2008). Planując zaplecze surowcowo-wsadowe bioreaktorów biogazowi trzeba raczej wykluczyć monokulturę surowcową nawet jeśliby to miało dotyczyć bardzo wydajnej kukurydzy. Przegląd gmin pod względem zróżnicowania agrosurowców i technologii ich produkcji jest mało optymistyczny (Buchowiecki 2009). Przyjmując, że dobrą wydajność biometanu zapewnia znacznie większy niż 50% udział biomasy jako substratu w stosunku do gnojowicy na całoroczną pracę biogazowi o mocy 1 MW trzeba zapewnić ha zaplecza GO. Przefermentowana biomasa (ok. 30% w stosunku do substratu) ma charakter płynnego substratu. Dostępność pierwiastków dla roślin jest na skutek mineralizacji duża, co zwiększa efektywność nawożenia. Wytwarzanie w biogazowi nawozu dwojako przyczynia się do ochrony klimatu z jednej strony redukuje zużycie energii, z drugiej emisję gazów 195

195 cieplarnianych (Janczur 2009). Utylizacja przefermentowanego substratu wymaga jednak opracowania swoistej logistyki (wybór pól, zapewnienie odpowiedniej powierzchni, terminarz stosowania, techniki rozlewu, itp.). W Polsce działa zaledwie kilka biogazowni rolniczych. Jak wspomniano, produkcja i energetyczne wykorzystanie biogazu rolniczego jest efektywną metodą pozyskiwania energii odnawialnej. Fermentacja metanowa jest najczęściej stosowanym sposobem zagospodarowania odpadów biologicznych i biogazowania roślin pozyskanych z upraw energetycznych. Za kryteria efektywności fermentacji metanowej można uznać wysoką ilość pozyskanego biogazu z kilograma materii organicznej lub lotnych kwasów tłuszczowych, z jednoczesnym wysokim udziałem metanu w biogazie oraz wysoki procent biodegradacji substratów. Proces fermentacji metanowej zachodzi dzięki następującym po sobie: hydrolizie, kwasogenezie, octanogenzie i metanogenezie. Hydroliza oznacza rozpuszczenie związków nierozpuszczalnych oraz biologiczny rozkład polimerów organicznych do monomerów i dimerów. Takie przemiany wymagają obecności enzymów pozakomórkowych, produkowanych przez bakterie hydrolityczne zdolne do rozkładu związków wielkocząsteczkowych (Mata-Alvarez, 2003). W kolejnym etapie kwasogenezie cukry i aminokwasy są przekształcane do alkoholi, lotnych kwasów tłuszczowych, wodoru i dwutlenku węgla. Powstaje tu także amoniak w wyniku rozkładu aminokwasów. Za przebieg kwasogenezy odpowiadają bakterie fermentatywne, dokładniej współdziałające ze sobą baterie kwasowe i metanogenne. Zachwiania równowagi między aktywnością tych dwóch rodzajów mikroorganizmów wywołuje załamanie procesu. Nagromadzenie produktów kwasogenezy (jak lotne kwasy tłuszczowe) powoduje zahamowanie aktywności baterii metanogennych. Większość lotnych kwasów tłuszczowych produkowanych podczas kwasogenezy stanowi kwas octowy, propionowy, masłowy i walerianowy. Proces kwasogenezy w fermentacji mezofilowej frakcji organicznej odpadów komunalnych, przebiegający w optymalnych warunkach, charakteryzuje się najwyższym udziałem octanu i maślanu w sumie lotnych kwasów tłuszczowych (Sans i wsp., 1995 a). Marchaim i Krause (1993) dowiedli, że stosunek stężenia kwasu octowego i propionowego może być użyty jako wskaźnik stabilności fermentacji. Zawartość octanu w ilości powyżej 800 mg C 2H 4O 2/dm 3 czy wartość stosunku octan/propionian przekraczająca 1,4 powoduje załamanie procesu fermentacji (Hill i wsp., 1987). Ten etap fermentacji metanowej jest bardzo wrażliwy na spadki temperatury i zmiany wartości odczynu. Efektywność kwasogenezy wzrasta wraz ze wzrostem odczynu z 32% przy 4,0 ph do 72% przy 6,5 ph. Jednak wzrost odczynu do powyżej 7,0 ph wywołuje spadek efektywności tej fazy. Optymalny odczyn podczas kwasogenezy wynosi ok. 6,0 ph (Yu i Fang, 2003). Wang i wsp. (1999) badali przemiany lotnych kwasów tłuszczowych podczas fermentacji metanowej osadów ściekowych. Wykazali, że wstępna obróbka osadu (rozbijanie ultradźwiękami, mrożenie i ogrzewanie) 196

196 powodowała wzrost produkcji lotnych kwasów tłuszczowych. Zaobserwowano, że rozkład kwasów prostołańcuchowych zachodził szybciej, niż rozkład ich izomerów. Wyznaczono także zależność między długością łańcucha, a stężeniem kwasu im łańcuch jest dłuższy tym stężenie kwasu jest mniejsze. Octanogeneza polega na przekształceniu produktów wcześniejszej fazy (tj. alkoholi, lotnych kwasów tłuszczowych) do wodoru, dwutlenku węgla i octanu poprzez aktywność bakterii acetogennych. Octan może powstawać także dzięki aktywności bakterii homoacetogennych (HA), które wykorzystują dwutlenek węgla i wodór oraz wielowodorowęglany do produkcji tego związku (Mata-Alvarez, 2003). W końcowym etapie metanogenne bakterie autotroficzne przekształcają wodór i dwutlenek węgla do metanu natomiast metanogenne bakterie heterotroficzne (np. Methanosarcina, Methanosaete) produkują metan i dwutlenek węgla z octanu. W celu wyboru optymalnej strategii fermentacji bioodpadów prowadzono w ostatnich kilkunastu latach badania w skali laboratoryjnej, pilotowej, oraz technicznej. Badania dotyczyły warunków prowadzenia procesu tj: wilgotności substratu, temperatury, stopni fermentacji, przepływu substratu (Yadvika i wsp, 2004). Dane literaturowe wskazują na możliwość wspólnej fermentacji metanowej osadów ściekowych i organicznej frakcji odpadów komunalnych (Di Palma i wsp. 1999; Sosnowski i wsp. 2003; Ağdağ i Spoza, 2005), odpadów pochodzenia zwierzęcego (gnojowicy, obornika) odpadów z przemysłu rolno-spożywczego (Kranert i wsp, 2003) oraz innego rodzaju odpadów ulegających biodegradacji (Callaghan i wsp., 1999). Bouallagui i wsp. (2005) wykazali, że przy zawartości suchej masy od 8 do 18%, w tym substancji organicznej od 86 do 92% s.m. sprawność wytwarzania metanu wynosiła 420 dm 3 /kg masy organicznej odpadów rolno-przemysłowych. Instalacje do fermentacji gnojowicy produkują od 1,5 do 2,5 m 3 /m 3 d biogazu przy stężeniu substratu od 6-8% s.m., komory fermentacyjne w oczyszczalniach ścieków komunalnych odpowiednio 0,5 m 3 /m 3 d przy ok. 4,5% s.m. Do produkcji energii cieplnej i/lub elektrycznej może być wykorzystywany biogaz zawierający co najmniej 40% metanu (Lastella i wsp., 2002). Na produkcję metanu duży wpływ ma obciążenie reaktora substancją organiczną. Tempo powstawania metanu osiąga optimum przy obciążeniu reaktora suchą masą organiczną w zakresie od 10 do 16 kg/m 3 reaktora na dobę. Realne obciążenie reaktora w prowadzonych obecnie procesach fermentacji beztlenowej, wynosi około 0,6-1,6 kg/m 3 reaktora na dobę w procesach fermentacji mokrej. Najbardziej rozpowszechniona jest jednostopniowa fermentacja mezofilowa (35-37 C) w reaktorach o pełnym wymieszaniu, zawartość substancji stałych w reaktorze wynosi od 3 do 8 %. Czas zatrzymania w komorze waha się od 2 do 4 tygodni, najczęściej wynosi ok. 20 dni. 197

197 Źródłem odpadów wykorzystywanych przez biogazownie może być przemysł tłuszczowy. Rośliny, z których pozyskuje się na świecie najwięcej oleju, to: kukurydza, oliwka, orzeszki ziemne, rzepak, słonecznik, soja. Coraz większe znaczenie ma także wykorzystanie olejów roślinnych jako paliw, do produkcji biodiesla. W Polsce olej rzepakowy jest podstawowym olejem roślinnym, co wynika z większej produkcji oleju w przeliczeniu na ha powierzchni rolnej niż w przypadku pozostałych roślin oleistych. W związku z tym, że ilość upraw rzepakowych będzie rosła ze względu na zwiększoną produkcję biopaliw, będzie rosła również ilość odpadów powstających podczas produkcji olejów roślinnych. Istnieje zatem potrzeba zagospodarowania tego typu odpadów. Kofermentacja, czyli wspólna fermentacja odpadów ciekłych (mniejsza zawartość suchej masy) i stałych (o wyższej koncentracji suchej masy) ma wiele zalet, gdyż pozwala przygotować zbilansowany chemicznie materiał i uzyskać wyższą efektywność procesu (Sosnowski i wsp. 2003, Sosnowski, Ledakowicz, 2003). Odpady roślinne lub tłuszczowe zawierają dużo suchej masy, a niewiele składników azotowych. Dodatek nawet niewielkich ilości organicznych odpadów przemysłowych pozwala na znaczne zwiększenie produkcji biogazu. Zwłaszcza dodatek odpadów tłuszczowych lub olejów poprawia wydajność gazu na jednostkę objętości reaktora (Salminę, Rintala, 2002). Przerób gnojowicy daje ok. 1-2 m 3 biogazu z 1 m 3 objętości reaktora dziennie, podczas gdy dodatek ok. 20% odpadów tłuszczowych zwiększa produkcję biogazu do 4-10 m 3 z 1m 3 objętości reaktora. Martinem- Garcia i wsp. (2007) prowadzili wspólną fermentację płynnych odpadów z przemysłu olejowego (OMW) z serwatką pochodzącą z produkcji serów w stosunku 75:25. Temperaturę utrzymywano na poziomie 37ºC, odczyn pomiędzy 7 a 7,3 ph. Podczas pierwszych 2,5 miesięcy prowadzenia doświadczenia OLR wynosił poniżej 1 kg ChZT m -3 d -1, następnie zwiększano obciążenie do 3 kg ChZT m -3 d -1. Wraz ze wzrostem obciążenia reaktora ładunkiem zanieczyszczeń (OLR) następował wzrost produkcji biogazu oraz koncentracji metanu, która mieściła się w przedziale 68-75%. Biomasą o znacznym potencjale do produkcji biogazu jest materiał roślinny. Znaczna część energii zawarta jest jednak w ścianach komórkowych roślin zbudowanych głównie z polimerów ligninocelulozowych. Na polimery te składają się głównie: celuloza, hemiceluloza i lignina. Z punktu widzenia przydatności do procesów fermentacji metanowej najbardziej atrakcyjne wydają się być celuloza oraz hemiceluloza natomiast lignina, ze względu na usieciowanie i skład (polimer zbudowany z pochodnych fenolowych alkoholi aromatycznych, głównie: koniferorylowego, synapinowego, kumarylowego połączonych wiązaniami estrowymi i C-C) należy do najtrudniej rozkładalnych. Innym źródłem substratu do kofermentacji jest wywar gorzelniany. Wywar gorzelniany, odpad po produkcji etanolu, może mieć kilka zastosowań: jeśli logistyka i użyte surowce na to pozwalają może zostać użyty bezpośrednio do skarmiania zwierząt, lub po 198

198 wysuszeniu jako DDGS2. Jednak proces suszenia DDGS pochłania duże ilości energii, co nie pozostaje bez wpływu na bilans energetyczny produkcji etanolu. Natomiast innym zastosowaniem wywaru, jeśli powstał w procesie produkcji etanolu z melasy, jest wykorzystanie go do produkcji biogazu na drodze fermentacji metanowej. Z wywaru gorzelnianego o zawartości suchej na poziomie 7,5% można wytworzyć od ok. 40 (dla wywaru z melasy) do 50 Nm 3 /m 3 biogazu lub 700 Nm 3 /kg suchej masy organicznej. Stąd wywar gorzelniany jest efektywnym ko-substratem do fermentacji metanowej. Wywar gorzelniany po opuszczeniu sekcji odpędu w gorzelni ma temperaturę sięgającą C. Wprowadzanie gorącego wywaru do raektora poprzez wymienniki ciepła pozwala na zmniejszenie ilości energii koniecznej do podgrzania komory. Stąd wydaje się celowym projektowanie instalacji biogazowi wspólnie z gorzelnią. Wzbogacając wywar w słomę, wysłodki cukrownicze, odpady zielone, wióry drewniane, gnojowicę uzyskuje się znaczne zwiększenie ilości gazu, w stosunku do sytuacji gdy jedynym surowcem byłby wywar gorzelniczy. Taki proces wymaga jednak przygotowania biomasy do fermentacji i przeprowadzenia fazy hydrolizy w oddzielnym fermentorze. Istnieje wiele rozproszonych danych o wartościach energetycznych potencjalnych ko-substratów stosowanych w instalacjach fermentacyjnych. Jednakże projektowanie biogazowi wykorzystujących kosubstraty wymaga danych dotyczących sposobu zwiększenia biodostępności substratu, a także bilansu związków organicznych w procesie ko-fermentacji. Biogazownie wykorzystujące proces konwersji termicznej (w tym pirolityczne). Wszelką biomasę, w tym odpadową - dostępną w gospodarstwie wiejskim jak i w zakładach przemysłu spożywczego i in., można zagospodarować energetycznie w gazowniach wykorzystując znane od dawna procesy pirolizy i zgazowania biomasy. W starych technologiach pirolizy i zgazowania biomasy zasadniczym problemem była mała stabilność procesowa, czego skutkiem były stosunkowo niskie uzyski gazu przy dużym udziale smół i innych mało użytecznych produktów. Obecnie przy zastosowaniu nowych rozwiązań procesowych i aparaturowych - gaz wytwarzany ze zgazowania biomasy wykorzystywany jest głównie do produkcji ciepła i energii elektrycznej w blokach energetycznych. Gaz ten może służyć również jako surowiec do produkcji gazu syntezowego dla wytwarzania paliw ciekłych. Rozwój technologii zgazowania biomasy osiągnął już punkt atrakcyjności rynkowej. Pierwsze instalacje zgazowania biomasy pracują w skali demonstracyjnej i należy sądzić, że osiągną status komercyjny w ciągu kilku najbliższych lat. Wysoce prawdopodobnym jest również rozwój rynku ciekłych biopaliw produkowanych z gazu syntezowego. Jednakże technologie te wymagają jeszcze dopracowania zanim staną się ekonomicznie atrakcyjne. 199

199 Zgazowanie biomasy jest procesem jej termicznej konwersji polegającym na częściowym utlenieniu w podwyższonej temperaturze (~ C) w warunkach atmosferycznego bądź podwyższonego ciśnienia. W wyniku tego procesu jako główny produkt otrzymuje się gaz syntezowy składający się przede wszystkim z H 2 i CO. Czynnikiem utleniającym stosowanym w procesie zgazowania może być powietrze, tlen, para wodna lub mieszaniny tych gazów [ 13, 14, 15, 16, 17, 18 ]. Technologie zgazowania mogą być klasyfikowane jako autotermiczne albo allotermiczne. Podczas zgazowania autotermicznego ciepło wymagane dla przebiegu procesu generowane jest poprzez spalenie części przetwarzanego paliwa. W procesie zgazowania allotermicznego wymagana energia cieplna dostarczana jest z zewnętrznego źródła. Biorąc pod uwagę rodzaj złoża przetwarzanego materiału, technologie zgazowania paliw można podzielić na procesy prowadzone w złożach stałych, fluidalnych oraz dyspersyjnych (entrained bed) paliwo (~5 80mm) reaktor ze złożem stałym reaktor ze złożem fluidalnym reaktor strumieniowy ( o C, 1 10MPa) ( o C, 2,5 8MPa) ( o C, 1 2,5MPa) Rys. D5. Schematy ideowe reaktorów zgazowania. 13 Ji, P., W. Feng, and B. Chen, Production of ultrapure hydrogen from biomass gasification with air. Chemical Engineering Science, (3): p Guo, X.J., et al., Experimental study on air-stream gasification of biomass micron fuel (BMF) in a cyclone gasifier. Bioresource Technology, (2): p Chen, H., et al., Experimental investigation of biomass gasification in a fluidized bed reactor. Energy and Fuels, (5): p Campoy, M., et al., Air-steam gasification of biomass in a fluidized bed under simulated autothermal and adiabatic conditions. Industrial and Engineering Chemistry Research, (16): p Boukis, I.P., et al., CFB air-blown flash pyrolysis. Part II: Operation and experimental results. Fuel, (10-11): p Lv, P., et al., Hydrogen-rich gas production from biomass air and oxygen/steam gasification in a downdraft gasifier. Renewable Energy, (13): p

200 Zgazowanie prowadzone w złożu stałym jest najstarszą i najbardziej dojrzałą technologią. W komercyjnych rozwiązaniach stosowany jest przede wszystkim przeciwprądowy przepływ paliwa i czynnika zgazowującego. W reaktorach ze złożem stałym paliwo spoczywa na ruszcie, pod który podaje się czynniki zgazowujące - powietrze i/lub parę wodną. Przy przeciwprądowej realizacji procesu (gaz odbierany jest u góry, podczas gdy paliwo przesuwa się w dół złoża) wytworzony gaz jest chłodzony przez doprowadzane paliwo i jego temperatura na wyjściu z reaktora jest stosunkowo niska (~ o C). W takim układzie paliwo podlega konwersji w następującej kolejno po sobie sekwencji procesów: suszenie, piroliza, redukcja (gazowych produktów spalania) i spalanie. W strefie spalania temperatura jest przeważnie wyższa niż 1200 o C. Niskie temperatury w górnej części reaktora są niewystarczające dla efektywnego rozkładu zanieczyszczeń smołowych, fenoli, czy niskowrzących węglowodorów uwalnianych w strefie pirolizy i substancje te są transportowane wraz z gazem opuszczającym reaktor. Współprądowa realizacja procesu (powietrze lub para wodna podawane jest wraz z paliwem od góry, bądź też z boku, tuż nad rusztem, na którym spoczywa paliwo, a gazy reakcyjne odprowadzane są od dołu) powoduje uzyskiwanie wyższych temperatur wyprowadzanego z reaktora gazu (konieczność stosowania bardziej kosztownych układów chłodzenia gazu), jednak gaz charakteryzuje się niższym poziomem zawartości zanieczyszczeń. Zgazowanie w układach fluidalnych polega na wdmuchu powietrza i/lub pary wodnej od dołu rusztu pod ciśnieniem, umożliwiającym utrzymywanie cząstek paliwa w stanie zawieszonym nad rusztem. Często złoże fluidalne wytwarza się z materiału inertnego, np. piasku kwarcowego. Rozkład temperatury w złożu jest bardzo równomierny. Temperatury pracy mieszczą się najczęściej w przedziale o C, ale spotykane są układy pracujące w temperaturach powyżej 1000 o C. Zgazowarki pracujące w technice złoża stałego osiągają niskie zakresy wydajności (mocy). Zgazowanie fluidalne jest bardziej ekonomiczne, począwszy od zakresu mocy kilku MW. Karbonizat powstający w czasie procesu jest zgazowywany w tej samej instalacji, względnie odbierany i wykorzystywany w inny sposób, w zależności od zastosowanej technologii zgazowania. W zgazowarkach pracujących w temperaturach wyższych niż 1000 o C w uzyskiwanych produktach gazowych zwykle nie występują zanieczyszczenia smołowe, gdyż ulegają one krakingowi termicznemu. Produkty gazowe odbierane ze zgazowarki są schładzane i oczyszczane w instalacjach o różnych konfiguracjach technologicznych. Odpylanie gazu odbywa się zazwyczaj w elektrofiltrach. Oczyszczanie gazu przez wymywanie (quench) następuje albo przy użyciu wody, co prowadzi do powstawania zanieczyszczonych ścieków lub przy pomocy rozpuszczalników organicznych, jednak wówczas konieczne jest szczególne podejście do usuwania powstałych odpadów. Gorący gaz można wykorzystać bezpośrednio włączając go do systemu gazu turbinowego lub w wysokotemperaturowych ogniwach paliwowych. W obecnie 201

201 stosowanych lub testowanych technologiach zgazowania próbuje się przede wszystkim opanować problemy związane z powstawaniem i usuwaniem zanieczyszczeń smołowych oraz kondensatów. W reaktorach strumieniowych (dyspersyjnych) rozdrobnione paliwo wprowadzane jest do strefy reakcyjnej w strumieniu mieszaniny tlenu i pary wodnej. Reaktory te wymagają rozdrobnienia podawanego paliwa do wielkości ziarna poniżej 0,1mm, które doprowadzane jest w stanie suchym lub w zawiesinie wodnej. Temperatury procesowe uzyskiwane przy zgazowaniu węgla mieszczą się przeważnie w przedziale o C, a reaktory pracują pod ciśnieniem 2 8MPa (najczęściej ~2,5MPa). Krótki czas przebywania gazu w układzie reakcyjnym pozwala na osiągnięcie dużej przepustowości reaktora. Reaktory strumieniowe umożliwiają uzyskanie wysokiego stopnia konwersji paliwa i minimalizację zanieczyszczeń smolistych w wytwarzanym gazie. Ze względu na konieczność bardzo głębokiego rozdrobnienia paliwa, reaktory te nie są praktycznie stosowane do zgazowania biomasy. Jeżeli w charakterze czynnika zgazowującego wykorzystywane jest powietrze, negatywnymi cechami produkowanego gazu są wysokie stężenie azotu oraz niska wartość opałowa (4 6MJ/m 3 ). Przy wykorzystaniu tlenu, pary wodnej lub ich mieszanin jako czynników zgazowujących, wytwarzany gaz charakteryzuje się wysokim stężeniem wodoru i tlenku węgla oraz wartością opałową w zakresie 10 20MJ/m 3. Wykorzystanie czystego tlenu pociąga za sobą konieczność zastosowania układów jego separacji z powietrza (procesy kriogeniczne), co może być nieopłacalne biorąc pod uwagę fakt, iż niemożliwe jest powiększenie skali zgazowania biomasy do relatywnie dużej skali odpowiadającej istniejącym zakładom zgazowania węgla. Szansą na opłacalność ekonomiczną procesu zgazowania biomasy tlenem jest jego separacja z powietrza z zastosowaniem metod membranowych. Pomijając tradycyjne układy zgazowania istnieje inna, dwustopniowa możliwość konwersji biomasy do gazu syntezowego. Jest nią piroliza biomasy w celu otrzymania surowego gazu pirolitycznego, a następnie jego przetworzenie w procesach częściowego utleniania lub reformingu parowego [ 19, 20 ]. Piroliza jest konwersją cieplną paliw w układzie zamkniętym, a więc bez doprowadzania z zewnątrz dodatkowych substratów (przede wszystkim tlenu), których obecność wpływa na zmianę spektrum uzyskiwanych produktów. W zależności od wysokości temperatury procesu rozróżnia się pirolizę niskotemperaturową (ok o C) oraz wysokotemperaturową (ok o C). Gdy proces ten dotyczy rozkładu paliw stałych nazywany jest odgazowaniem; w przypadku rozkładu paliw ciekłych 19 Iwasaki, W., A consideration of the economic efficiency of hydrogen production from biomass. International Journal of Hydrogen Energy, (9): p Li, S., et al., Fast pyrolysis of biomass in free-fall reactor for hydrogen-rich gas. Fuel Processing Technology, (8-10):p

202 bądź gazowych - krakowaniem (krakingiem). W zależności od szybkości przebiegu procesu rozróżniamy pirolizę powolną (szybkości przyrostu temperatury od kilku do kilkunastu K/min) oraz pirolizę szybkościową (szybkości przyrostu temperatury od kilkudziesięciu do nawet kilkudziesięciu tysięcy K/min). Produkty uzyskane w efekcie pirolizy paliw (odpadów), są wyłącznie wynikiem termicznej destrukcji wsadu i wtórnych reakcji zachodzących pomiędzy związkami chemicznymi powstałymi w trakcie rozpadu surowca. Bardzo duże szybkości nagrzewania, krótki czas przebywania i średnie temperatury procesu mogą maksymalizować uzysk ciekłych produktów procesu pirolizy [ 21, 22, 23, 24 ]. Większość procesów pirolizy przeprowadzana jest w sposób tradycyjny, tzn. z zastosowaniem przeponowego ogrzewania wsadu. Głównym problemem tego podejścia jest to, że bardzo trudno lub wręcz niemożliwym jest uzyskanie bardzo dużych szybkości nagrzewania. Niedogodność ta może być rozwiązana przez zastosowanie układów szybkiej pirolizy, np. w szybkich złożach fluidalnych, bądź reaktorach strumieniowych, a także wykorzystanie mniej znanego, a w ostatnich latach coraz intensywniej badanego ogrzewania mikrofalowego. Ogrzewanie z wykorzystaniem mikrofal jest przekształceniem energii elektromagnetycznej w energię termiczną. Jego zastosowanie pozwala na bezpośrednie ogrzewanie materiałów z dużymi szybkościami nagrzewania. W porównaniu do konwencjonalnych technik grzewczych, ogrzewanie mikrofalowe ma wiele korzyści, np.: skrócony czas nagrzewu, wysoka wydajność grzania, większa kontrola nad procesem grzania, itp. [ 25, 26 ]. Na przestrzeni ostatnich lat ogrzewanie mikrofalowe było wykorzystywane w testowaniu procesu pirolizy różnych rodzajów biomasy, np.: pestek palmy olejowej [ 27 ], papieru [ 28 ], osadów ściekowych [ 29, 30, 31 ], drewna [ 32 ], słomy ryżowej [ 33 ] oraz łupin kawowych 21 Bridgwater, A.V., Principles and practice of biomass fast pyrolysis processes for liquids. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, (1-2): p Tsai, W.T., M.K. Lee, and Y.M. Chang, Fast pyrolysis of rice husk: Product yields and compositions. Bioresource Technology, (1): p Acikgoz, C. and O.M. Kockar, Flash pyrolysis of linseed (Linum usitatissimum L.) for production of liquid fuels. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, (2): p Acikgoz, C., O. Onay, and O.M. Kockar, Fast pyrolysis of linseed: Product yields and compositions. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, (2): p Thostenson, E.T. and T.W. Chou, Microwave processing: fundamentals and applications. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, (9): p Jones, D.A., et al., Microwave heating applications in environmental engineering - A review. Resources, Conservation and Recycling, (2): p Guo, J. and A.C. Lua, Preparation of activated carbons from oil-palm-stone chars by microwave-induced carbon dioxide activation. Carbon, (14): p Miura, M., et al., Microwave pyrolysis of cellulosic materials for the production of anhydrosugars. Journal of Wood Science, (6): p Menendez, J.A., M. Inguanzo, and J.J. Pis, Microwave-induced pyrolysis of sewage sludge. Water Research, (13): p Menendez, J.A., et al., Microwave-induced drying, pyrolysis and gasification (MWDPG) of sewage sludge: Vitrification of the solid residue. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, (1-2): p

203 [ 34, 35 ]. Wykazane zostało, że podczas procesu pirolizy mikrofalowej generowane jest więcej H 2 i CO [ 36 ] i mniej wyższych węglowodorów aromatycznych (WWA) [ 37, 38 ]. Zdecydowana większość badań przeprowadzana była z wykorzystaniem generatorów mikrofal o mocy wyjściowej mniejszej niż 2kW, co ogranicza uzyskanie bardzo dużych szybkości nagrzewania przetwarzanego wsadu. Korzyści ogrzewania mikrofalowego nie zostały jeszcze w pełni zademonstrowane. Z powodu niestabilności składu surowego gazu pirolitycznego i wytwarzanej frakcji ciekłej z pirolizy biomasy, poprawienie właściwości produktów pirolizy pozostaje wciąż wielkim wyzwaniem. Proces reformingu parowego, który od kilku dekad znajduje przemysłowe zastosowanie w konwersji gazu ziemnego i benzyny ciężkiej do gazu syntezowego, oferuje w tym względzie wiele korzyści z technicznego i ekonomicznego punktu widzenia [ 39 ]. Ostatnio duży wysiłek badaczy został poświęcony rozwojowi nowoczesnych technologii reformingu parowego surowego gazu pirolitycznego i frakcji olejowej wytwarzanych w procesie szybkiej pirolizy do H 2 i CO, która jest uważana za jedną z najbardziej obiecujących i ekonomicznie opłacalnych metod produkcji wodoru [ 40, 41, 42, 43, 44 ]. 31 Dominguez, A., et al., Bio-syngas production with low concentrations of CO2 and CH4 from microwave-induced pyrolysis of wet and dried sewage sludge. Chemosphere, (3): p Miura, M., et al., Rapid pyrolysis of wood block by microwave heating. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, (1): p Huang, Y.F., et al., Total recovery of resources and energy from rice straw using microwave-induced pyrolysis. Bioresource Technology, (17): p Dominguez, A., et al., Conventional and microwave induced pyrolysis of coffee hulls for the production of a hydrogen rich fuel gas. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, (1-2): p Menendez, J.A., et al., Evidence of self-gasification during the microwave-induced pyrolysis of coffee hulls. Energy and Fuels, (1): p Menendez, J.A., et al., Microwave pyrolysis of sewage sludge: Analysis of the gas fraction. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, (2): p Dominguez, A., et al., Investigations into the characteristics of oils produced from microwave pyrolysis of sewage sludge. Fuel Processing Technology, (9): p Dominguez, A., et al., Gas chromatographic-mass spectrometric study of the oil fractions produced by microwave-assisted pyrolysis of different sewage sludges. Journal of Chromatography A, (2): p Ahmed, S. and M. Krumpelt, Hydrogen from hydrocarbon fuels for fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, (4): p Rioche, C., et al., Steam reforming of model compounds and fast pyrolysis bio-oil on supported noble metal catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, (1-2): p Iojoiu, E.E., et al., Hydrogen production by sequential cracking of biomass-derived pyrolysis oil over noble metal catalysts supported on ceria-zirconia. Applied Catalysis A: General, : p Monroe, J., et al. Investigation on the platinum-loaded NaY zeolite catalysts for liquid phase reforming of carbohydrates to hydrogen New York, NY , United States: American Institute of Chemical Engineers. 43 Huber, G.W. and J.A. Dumesic. An overview of aqueous-phase catalytic processes for production of hydrogen and alkanes in a biorefinery Amsterdam, 1000 AE, Netherlands: Elsevier. 44 Davda, R.R., et al., A review of catalytic issues and process conditions for renewable hydrogen and alkanes by aqueousphase reforming of oxygenated hydrocarbons over supported metal catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, (1-2SPEC ISS): p

204 Na kongresie Clean Energy Power, który odbył się pod koniec stycznia 2007 w Berlinie, w sekcji Innowacyjne Technologie zorganizowano konferencję Internationale Anwenderkonferenz für Biomassevergasung, na której zaprezentowano kilka interesujących, nowych technologii zgazowania biomasy. Jedne z nich są dopiero w fazie projektowania, inne pracują w skali instalacji pilotowych i demonstracyjnych lub też są dostępne w skali komercyjnej na rynku. Poniżej zaprezentowano kilka przykładów nowych rozwiązań technologicznych w dziedzinie zgazowania biomasy przedstawionych na wspomnianym Kongresie. Przedstawione poniżej technologie prezentują aktualne trendy w zakresie rozwoju technologii zgazowania biomasy. Jednym z zaprezentowanych nowych rozwiązań był system allotermicznego zgazowania biomasy nazwany Heatpipe-reformer [ 45 ]. System ten (zaprezentowany schematycznie na Rys. D6, Rys. D6. Hetpipe-reformer - schemat ideowy spaliny heatpipes biomasa para wodna powietrze gaz palny reaktor zgazowania/ reformer filtr reaktor spalania składa się z trzech zasadniczych części: reaktora zgazowania/reformera, filtra oraz komory spalania. Cały system ma kształt grubej rury, wewnątrz której u góry znajduje się reaktor zgazowania/reformer, a u dołu umieszczona jest komora spalania. Przez niemal całą jego długość przebiegają tzw. heatpipes - cienkie rurki napełnione sodem. Paliwo doprowadzane jest do piaskowego złoża fluidalnego reaktora zgazowania/reformera. Złoże piasku jest utrzymywane w stanie fluidalnym przez przepływającą przez nie parę wodną. Zgazowanie biomasy przebiega w temperaturze ok. 800oC. Wytworzony gaz zawiera przede wszystkim wodór (~30 40%) i tlenek węgla (~20 30%), ale także CO2 (~10 20%), CH4 (~5%), H2O (~20 30%) oraz małe ilości zanieczyszczeń smołowych. Wytworzony podczas zgazowania karbonizat jest wyprowadzany z reaktora zgazowania/reformera i opada w dół przez system filtrujący do reaktora spalania. Spalanie karbonizatu odbywa się również w złożu fluidalnym. Czynnikiem aerodynamicznym jest w przypadku tego złoża powietrze. W złożu tym karbonizat spalany jest w temperaturze ok. 900 o C. Wytworzone ciepło jest transportowane do reaktora zgazowania poprzez zanurzone w obydwu złożach rurki wypełnione sodem (heatpipes). Wytwarzany w reaktorze zgazowania palny gaz może być

205 kierowany bezpośrednio do turbiny gazowej bez schładzania, co uniemożliwia kondensację resztek zanieczyszczeń smołowych zawartych w gazie. Testowa instalacja Heatpipereformer o mocy 500kW pracowała 400 godzin. Instalacja została zaprojektowana przede wszystkim do zgazowania peletów i wiórów drzewnych. Instalacja pilotowa pracująca według technologii Niebieska wieża [ 46 ] została uruchomiona w Niemczech pod koniec 2001 roku. W instalacji tej mogą być przetwarzane różne rodzaje biomasy i odpadów biodegradowalnych, np. drewno, słoma, osady ściekowe, odpadowe tworzywa sztuczne etc.. Zasadniczym celem w klasycznej technologii zgazowania jest konwersja całego paliwa stałego w palny gaz. W technologii Niebieska wieża - podobnie jak w przypadku omówionej wyżej technologii Heatpipe-reformer - idea jest nieco inna. Tylko część wprowadzanego do reaktora pirolizy/zgazowania paliwa (biomasy) jest konwertowana w palny gaz. Niecałkowicie rozłożone paliwo jest spalane, aby dostarczyć ciepło dla procesu zgazowania biomasy, rys. D7. spaliny schłodzone Podgrzewacz nośnika ciepła gaz palny Reformer nośnik ciepła spaliny gorące biomasa Reaktor pirolizy/ zgazowania para wodna karbonizat Palenisko popiół Rys. D7. Schemat technologii pirolizy/zgazowania biomasy Niebieska wieża. Cechą charakterystyczną współprądowej zgazowarki ze złożem stałym, skonstruowanej w niemieckiej firmie Mothermik [ 47 ], jest prostopadłościenna komora, która według twórców - umożliwia odpowiednie wprowadzanie powietrza, co pozwala na uzyskiwanie wysokich temperatur zgazowania biomasy i obniżenie zawartości smoły w wytwarzanym gazie. Reaktor nie posiada rusztu, więc nawet materiał charakteryzujący się rozmiarami cząstek do 60mm nie powoduje zakłócenia przebiegu procesu. Instalacja jest w pełni zautomatyzowana i pozwala na dotrzymanie obowiązujących standardów

206 emisyjnych. Jej schemat prezentuje Rys. D8. Jako materiał do zgazowania nadają się tylko zrębki drewna o maksymalnej zawartości wilgoci do około 15 18%, które poddaje się wstępnemu suszeniu przy wykorzystaniu ciepła odpadowego z instalacji. Paliwo (biomasa) przechodzi przez poszczególne strefy reaktora zgazowania. Wilgoć zawarta we wprowadzanym do reaktora paliwie odparowuje w strefie suszenia materiału. Rozkład termiczny paliwa następuje w strefie pirolizy w zakresie temperatury ~ o C. Surowy gaz pirolityczny przechodzi w dół reaktora przez złoże, gdzie doprowadzane jest powietrze i następuje zgazowanie wytworzonego w strefie pirolizy karbonizatu. Zgazowanie przebiega w temperaturze powyżej 1100 o C. Gaz ze zgazowania wyprowadzany jest poprzez płaszcz reaktora do układu oczyszczania. Obce substancje, które mogą znaleźć się w paliwie (metale, szkło, kamienie itp.) są odbierane wraz z karbonizatem u dołu reaktora, a następnie poddawane separacji na sitach wibracyjnych. Wytworzony gaz palny jest oczyszczany w pierwszym stopniu konwencjonalnie w płuczce wodnej, w której ulega schłodzeniu i odpyleniu. Biomasa Smoła Woda Powietrze Reaktor zgazowania ze złożem stałym Gaz palny Powietrze Chłodzenie/ wstępne oczyszczanie Separacja zanieczyszczeń gazu Gaz oczyszczony Separacja kabonizatu Filtr ze zrębkami drzewnymi Karbonizat Stałe zanieczyszczenia Zbiornik wody chłodzącej Prasa taśmowa Rys. D8. Schemat technologii zgazowania biomasy Mothermik. Interesującą technologię konwersji biomasy, integrującą procesy pirolizy/zgazowania i spalania, opracowano w Uniwersytecie w Siegen (Niemcy), rys. D9 [ 48 ]. W technologii IPV piroliza/zgazowanie biomasy oraz spalanie wytworzonego karbonizatu zachodzą w osobnych aparatach. Piroliza/zgazowanie przeprowadzone jest w środowisku pary wodnej, a powstający surowy gaz poddaje się oczyszczaniu w konwencjonalnej płuczce wodnej i elektrofiltrze. Popiół i karbonizat odbierane są u dołu reaktora pirolizy/zgazowania,

207 a karbonizat spalany jest w reaktorze fluidalnym. Niezwykłość tej metody stanowi nośnik ciepła cyrkulujący w układzie, którym jest właśnie popiół z poddawanej konwersji biomasy. Oprócz biomasy w instalacji tej konwersji mogą być poddawane także odpady pochodzące z recyklingu samochodów, odpadowe włókna naturalnych, czy też stałe paliwa wtórne. W niedługim czasie planuje się wybudowanie instalacji IPV o mocy cieplnej 5MW, z przeznaczeniem wytwarzanego gazu do opalania pieca panwiowego w stalowni. W dalszym terminie planuje się budowę instalacji o mocy 20MW wytwarzającej substytut gazu ziemnego oraz wodór, który będzie mógł być wykorzystany jako paliwo napędowe. Firma VER opracowała technologię zgazowania biomasy dla produkcji substytutu gazu ziemnego do celów przemysłowych oraz wytwarzania energii elektrycznej. Technologia ta została nazwana CombiPower-Process [ 49 ]. W technologii tej mogą być przetwarzane różne rodzaje biomasy. Zasadniczym elementem technologii CombiPower-Process jest reaktor pirolizy/zgazowania ze złożem fluidalnym (Rys. D10). Materiałem złoża fluidalnego jest karbonizat wytworzony z poddawanej konwersji biomasy. Wytworzony gaz jest najpierw odpylany w gorącym cyklonie gazowym, a następnie przechodzi do kolejnego reaktora fluidalnego. W reaktorze tym, gaz wychładza się i oczyszcza przepływając przez utrzymywany w stanie fluidalnym karbonizat. Karbonizat wysycony usuwanymi z palnego gazu zanieczyszczeniami (głównie smołowymi) kierowany jest do fluidalnego spalania. Generowane ciepło wykorzystywane jest do podsuszania biomasy, jak również do prowadzenia procesu zgazowania. Technologia CombiPower Process mimo dużego skomplikowania ruchowego, związanego z koniecznością kontroli parametrów operacyjnych trzech reaktorów fluidalnych - pozwala na efektywną energetycznie konwersję biomasy. Instalacja może generować do około 6MW energii elektrycznej, 8MW ciepła i 10MW gazu palnego ver-gmbh.com 208

208 gaz palny/syntezowy spaliny REAKTOR PIROLIZY/ZGAZOWANIA popiół biomasa para wodna REAKTOR SPALANIA karbonizat popiół popiół powietrze Rys. D9. Schemat technologii IPV. Przedstawione krótko wybrane nowe technologie zgazowania biomasy są potwierdzeniem prowadzenia szerokich działań zmierzających do ciągłego rozwoju i popularyzacji znanej od dawna technologii. Na podstawie zaprezentowanych informacji widać, iż doskonaleniu poddawane są zarówno technologie zgazowania biomasy w złożu stałym, jak i fluidalnym. Wprowadzane udoskonalenia mają na celu przede wszystkim zoptymalizowanie energetyczne całego układu technologicznego. Stąd w wielu przypadkach proces prowadzony jest w taki sposób, aby nie w pełni zgazowywać poddawane konwersji paliwo, ale wytworzony karbonizat poddawać spalaniu celem wytwarzania ciepła niezbędnego do realizacji procesu pirolizy/zgazowania biomasy. Rozwiązania takie czynią w zasadzie proces samowystarczalnym energetycznie autotermicznym, co ma kluczowe znaczenie dla jego ewentualnego możliwie szerokiego rozpowszechnienia. Niebagatelne znaczenie mają tutaj również stosunkowo proste rozwiązania odnośnie oczyszczania gazu palnego. Przedstawione rozwiązania technologiczne świadczą o tym, że rozwój technologii zgazowania biomasy ukierunkowany jest raczej na układy o niedużych zdolnościach przerobowych. Jest to podyktowane przede wszystkim zagadnieniami logistycznymi pozyskiwaniem i transportem biomasy. Układy o zbyt dużych mocach ze względu na koszty transportu biomasy (mała gęstość energii) nie mają dużych perspektyw rozwoju. Wydaje się, że bardziej racjonalna będzie budowa rozproszonej sieci niedużych układów konwersji biomasy prowadzonej w oparciu o różne technologie pirolizy/zgazowania, zależne przede wszystkim od celu prowadzonej konwersji, jak i od rodzaju dostępnej lokalnie biomasy. 209

209 Na wskaźniki ekonomiczne procesu konwersji biomasy może również pozytywnie wpłynąć wykorzystanie biomasy ze źródeł odpadowych (np. z segregacji odpadów komunalnych). reaktor pirolizy/zgazowania cyklon reaktor spalania karbonizatu cyklon podajnik biomasy chłodnica surowego gazu płuczka przenośniki karbonizatu przenośnik popiołu Rys. D10. Schemat technologii CombiPower Process. Technologie zgazowania biomasy są ze względu na wiele wspomnianych już wcześniej zalet godne upowszechniania. Ważnym argumentem przemawiającym za ich szerokim wdrażaniem również w naszym kraju - jest to, iż będą sprzyjać rozwojowi ekonomicznemu obszarów rolniczych, umożliwiając wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w oparciu o lokalne źródła biomasy. Rozwój technologii pirolizy i zgazowania biomasy obserwowany na całym świecie spowodował zrozumiałe zainteresowanie tym zagadnieniem krajowych ośrodków naukowych oraz firm komercyjnych. Badania pirolizy i zgazowania biomasy podjęto w wielu uczelniach i jednostkach naukowych (wśród których znajdują się również uczestnicy planowanego projektu), w tym m.in. Politechnice Wrocławskiej, Politechnice Łódzkiej, Politechnice Białostockiej, Politechnice Częstochowskiej, Uniwersytecie Warmińsko-Mazurskim, Głównym Instytucie Górnictwa, Instytucie Energetyki i Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla. Wiele z prac realizowanych w tych ośrodkach dotyczyło zagadnień podstawowych związanych z termiczną konwersją biomasy (badania wpływu parametrów procesowych na przebieg konwersji, charakterystyka jakościowa uzyskiwanych produktów, etc.). Jednak w kilku ośrodkach badania termicznej konwersji biomasy prowadzone są już w dużej skali, nawet w układach pilotowych zlokalizowanych w firmach komercyjnych dostarczających różnego 210

210 rodzaju biomasę do przetwarzania w testowanych układach. Wśród najbardziej zaawansowanych prac można wymienić np. prace Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego dotyczące pirolizy biomasy pochodzenia drobiarskiego oraz biomasy poprodukcyjnej powstającej przy uprawie grzybów. Prowadzone są one z wykorzystaniem dużej instalacji badawczej (800kg/dobę) zlokalizowanej na terenie firmy zainteresowanej pełną komercjalizacją technologii. Przykładem innych prac nad zgazowaniem biomasy prowadzonych w dużej skali badawczej są prace Instytutu Energetyki, który intensywnie doskonali technologię zgazowania biomasy w złożu stałym w skali do 1MW energii wprowadzanej do układu z paliwem. Również w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla prowadzone są od kilku lat intensywne badania z wykorzystaniem dużej instalacji zgazowania biomasy w złożu stałym w reaktorze o prototypowej konstrukcji (20kg biomasy/h). Proces pirolizy biomasy w złożu ruchomym dla produkcji biowęgla jest rozwijany w pracach prowadzonych przez pracowników Politechniki Częstochowskiej (aktualna skala: kilka Mg/dobę). Przytoczone przykłady badań termicznej konwersji biomasy prowadzonych na rynku krajowym potwierdzają, że weszły już one w fazę przedwdrożeniową. Istotnym, niezbędnym elementem dalszych działań jest zoptymalizowanie parametrów procesowych perspektywicznych układów w odniesieniu do właściwości biomasy poddawanej przeróbce, a także dopracowanie i zoptymalizowanie układów oczyszczania/przeróbki wytwarzanych gazów procesowych dla ich konkretnych zastosowań (np. produkcji energii z wykorzystaniem silników spalinowych, bądź też ogniw paliwowych). Realizacja wnioskowanego projektu jest szansą na osiągnięcie tych celów i dopracowanie technologii zgazowania biomasy, która w krótkim czasie będzie mogła być w pełni skomercjalizowana. Strukturę chemiczną stałych form biomasy w sposób uśredniony można przedstawić sumarycznym wzorem C 1H 1,45O 0,7, podczas gdy strukturę chemiczną węgla kamiennego można zapisać wzorem C 1H 0,8O 0,08. Porównanie obydwu wzorów wskazuje na zasadniczą różnicę składu chemicznego pomiędzy tymi surowcami, która skutkuje różną wartością energii chemicznej wejściowej do procesu i odmiennym zachowaniem tych paliw w procesie termochemicznego przetwarzania. Biomasa charakteryzuje się mniejszą kalorycznością w porównaniu z węglem kamiennym. Skład jakościowy substancji mineralnej biomasy różni się od składu substancji mineralnej węgla. Należy zauważyć, że w popiołach z biomasy stosunek zawartości tlenku krzemu do zawartości tlenku glinu jest większy, niż ma to miejsce w przypadku substancji mineralnej węgla. W substancji mineralnej biomasy udział potasu jest większy w porównaniu do węgla o około 30 razy dla słomy, i około ośmiokrotnie dla drewna; również udział fosforu jest kilkakrotnie wyższy. Zwiększona zawartość tych 211

211 pierwiastków oraz obecność chloru w paliwie powoduje zwiększenie zagrożenia korozyjnego instalacji termochemicznego przetwarzania biomasy [ 50 ]. Odmienna niż dla węgla budowa chemiczna biomasy, determinuje ilość i jakość produktów powstających w procesie jej termochemicznej przeróbki. Dla przykładu, w przypadku pirolizy w temperaturze 520 C powstaje więcej produktów ciekłych, a mniej karbonizatu w porównaniu do węgla. Obszerne badania dowodzą, że w procesie zgazowania stadium pirolizy odgrywa znaczną rolę w tworzeniu zanieczyszczeń fazy gazowej: substancji wysokozaromatyzowanych o charakterze smół, cząstek popiołu, amoniaku, cyjanowodoru, chlorowodoru i gazów kwaśnych (H 2S, COS). Nie zmienia to jednak faktu, że wyprodukowany gaz procesowy ze zgazowania biomasy, może stanowić atrakcyjny surowiec do dalszego wykorzystania w procesach energetycznych i/lub syntezy chemicznej. Musi on zostać oczyszczony z pyłu, aerozolu smołowego oraz składników korozyjnych. Substancje smołowe usuwane są w układach separacji aerozoli smołowych, popiół (pył) w systemach odpylania (cyklony, filtry). Usunięcie amoniaku oraz kwaśnych gazów jest możliwe w systemach mokrego oczyszczania, stosowanych w procesie otrzymywania gazów syntetycznych. Zgodnie z charakterystyką stosowanych reaktorów zgazowania biomasy (Tab. D1), głównym problemem w oczyszczaniu gazy procesowego są substancje smoliste i pyły [ 51 ]. Tab. D1. Porównanie charakterystyk różnych typów reaktorów zgazowania biomasy. Typowa moc Zmienność Typ reaktora Zawartość cieplna instalacji, jakości zgazowania MW th gazu Smoła Pył min. max. Ze złożem stałym Bardzo Bardzo Niska 0,05 1,5 przeciwprądowym wysoka duża Ze złożem stałym Bardzo Niska Duża 0,5 10 współprądowym niska Fluidalny ze złożem Bardzo Średnia Wysoka 0,5 30 pęcherzykowym niska Fluidalny ze złożem Bardzo Bardzo Niska cyrkulującym wysoka niska 50 M. Ściążko, H. Zieliński, Termochemiczne przetwórstwo węgla i biomasy, Zabrze-Kraków L. Bander, M. Mikrosz, Przegląd technologii zgazowania biopaliw stałych, Instal 11,

212 Konieczność racjonalnego gospodarowanie energią przy jednoczesnym uwzględnieniu aspektów środowiskowych powodują, że coraz większym zainteresowaniem cieszą się różnego typu układy kogeneracyjne przetwarzające paliwa odnawialne. Ważnym aspektem, jest również możliwość pozyskiwania energii z biodegradowalnych odpadów komunalnych i osadów ściekowych. Tym bardziej, że przepisy krajowe i unijne sukcesywnie ograniczają ilości biodegradowalnej biomasy z odpadów komunalnych dopuszczonej do składowania na wysypiskach komunalnych by osiągnąć w przyszłości całkowity zakaz ich deponowania. Współczesna gospodarka odpadami powinna się charakteryzować maksymalizacją wykorzystania tkwiącej w nich energii przy jednoczesnej redukcji szkodliwych oddziaływań na środowisko. Problematyka ta jest, zwłaszcza w krajach europejskich, przedmiotem zainteresowania już od szeregu lat,. Przykładowo w krajach skandynawskich największy nacisk stawia się na termiczne przetwarzanie odpadów z celem maksymalnego pozyskiwania energii elektrycznej oraz ciepła użytkowego, ale dla scentralizowanej sieci grzewczej. Podobna sytuacja jest w Niemczech i w Holandii gdzie obowiązuje termiczne przetwarzanie odpadów z w celu pozyskania energii elektrycznej i ciepła, z tym, że w tych krajach obserwuje się również rozwój układów lokalnych. W Stanach Zjednoczonych, na zagadnienia przetwarzania odpadów zwrócono uwagę dopiero w ostatnich latach. Najczęściej spotykane rozwiązania to spalanie odpadów, ich termiczne przetwarzanie oraz zgazowanie na wysypiskach. Oryginalną propozycją planowanej konfiguracji układu, kogeneracyjnego, który z założenia ma pracować w systemie rozproszonym, jest możliwość produkcji energii i ciepła z mieszanki biomasy oraz biodegradowalnych odpadów komunalnych. Proponowana technologia w optymalny sposób pod względem ekonomicznym i ekologicznym nadaje się do rozwiązania problemy energetycznej utylizacji odpadów organicznych oraz wytwarzania energii z lokalnych zasobów paliw odnawialnych. Problem wykorzystania ciepła odpadowego z pieca obrotowego należy do podstawowych działań w przemyśle cementowym. W ostatnich latach, szczególnie w krajach azjatyckich obserwuje się intensywny rozwój układów kogeneracyjnych. Są to typowe instalacje wodno-parowe (C-R) produkcji Kawasaki z kotłami odzyskowymi pracującymi na gazach odlotowych z pieca obrotowego. Tylko w Chinach w okresie uruchomiono 21 takich instalacji o łącznej mocy 189MW. W Europie pod tym względem jest znacznie gorzej. Pracuje tylko jedna instalacja (obieg C-R) o mocy 9MW w cementowni Slite-Szwecja oraz jedna w cementowni Lengfurt w Niemczech w układzie ORC o mocy 1,5 MW wykorzystująca powietrze nadmiarowe z chłodnika klinkieru. W stosunku do istniejących już w cementowniach układów kogeneracyjnych proponowane rozwiązanie jest nowocześniejsze, pozwala na uzyskanie wyższych 213

213 sprawności i większych mocy. W warunkach krajowych ze względu na stosunkowo wysoką wilgotność surowca (wymagane suszenie) ograniczona jest ilość ciepła do wykorzystania w agregacie prądotwórczym i wynikająca z tego możliwa do uzyskania moc elektryczna. W związku z tym ważnym zagadnieniem jest wybór odpowiedniej technologii kogeneracji oraz urządzeń, która pozwoli uzyskać maksymalną moc elektryczną i zabezpieczyć wymagane ciepło do suszenia surowców. W stosunku do istniejących już w cementowniach układów kogeneracyjnych proponowane rozwiązanie jest nowocześniejsze, pozwala na uzyskanie wyższych sprawności i większych mocy. W warunkach krajowych ze względu na stosunkowo wysoką wilgotność surowca (wymagane suszenie) ograniczona jest ilość ciepła do wykorzystania w agregacie prądotwórczym i wynikająca z tego możliwa do uzyskania moc elektryczna. W związku z tym ważnym zagadnieniem jest wybór odpowiedniej technologii kogeneracji oraz urządzeń, która pozwoli uzyskać maksymalną moc elektryczną i zabezpieczyć wymagane ciepło do suszenia surowców. W projekcie zakłada się układ ORC, który będzie współpracował z agregatem prądotwórczym pracującym na gazie syntezowym wytworzonym z biomasy. Rolnicza Biorafineria Lignocelulozowa (RBL) Jako przyszłościowe źródła biomasy wskazuje się uprawy roślin drzewiastych o krótkiej rotacji (SRWC short rotation woody crops) oraz odpady przemysłu rolnospożywczego, w tym odpady lignocelulozowe (słoma, plewy, itd.). Według szacunków Berndesa i in. (2003) oraz międzynarodowej agencji energetycznej IEA (2004) w 2025 roku energia z surowca lignocelulozowego może stanowić nawet 2/3 produkcji energii z biomasy, a istotną technologią produkcji biopaliw będzie wysokoefektywna konwersja lignocelulozy do etanolu. Proces produkcji etanolu jest znany od wieków, ale pierwsze wykorzystanie w transporcie do napędu samochodów Forda miało miejsce w latach 30. ubiegłego wieku (Kovarik, 1998). Etanol nie stanowił alternatywy dla benzyny ze względu na dysparytet cenowy; nie sprzyjał temu również brak programów prośrodowiskowych. Dzisiaj na celowość rozwijania procesów produkcji paliw alternatywnych wskazują zarówno względy ekonomiczne, jak i środowiskowe (Campbell i Laherrere 1998). Przesłanka badawcza: poszukiwanie nowych, alternatywnych, środowiskowo neutralnych paliw dla rynku energii oraz rozwój wysoko-wydajnych technologii produkcji biopaliw przyjaznych dla środowiska. 214

214 Rys. D11. Porównanie wskaźnika FER (Fossil Energy Ratio) różnych paliw. Na podstawie: An Overview of Biodiesel and Petroleum Diesel Life Cycles, J. Sheehan, et al., 1998; J. Sheehan/M. Wang Rosnące gwałtownie wykorzystanie surowców roślinnych (olejów roślinnych, ziarna zbóż, trzciny cukrowej) do produkcji biopaliw płynnych oddziałuje globalny; z jednej strony sprzyja dywersyfikacji źródeł energii i przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa energetycznego, z drugiej zaś strony może skutkować wyczerpywaniem strategicznych zasobów żywnościowych świata. Przeznaczanie surowców roślinnych na cele energetyczne może powodować trudności w zbilansowaniu światowego rynku zbóż, roślin paszowych i oleistych. Bioetanol jest istotnym elementem paliwowego portfolio w Stanach Zjednoczonych (kukurydza) i Brazylii (trzcina cukrowa). W Stanach Zjednoczonych wzrost zapotrzebowania przemysłu bioetanolowego na ziarno kukurydzy spowodował, niejako wtórnie, zmianę struktury upraw kosztem soi podstawowej rośliny paszowej, co spowodowało podwyżką cen pasz dla zwierząt i w konsekwencji cen żywności. (FAOSTAT 2008, The Future of Biofuels: A Global Perspective. US Dept. of Agriculture 2008). Oczywiste ograniczenia rozwoju technologii produkcji bioetanolu z tradycyjnych źródeł produkcji paszowej i spożywczej, kwestionowany wkład tego paliwa w redukcję emisji gazów cieplarnianych (Farrell i in. 2006), a także mała konkurencyjność cenowa względem benzyny przemawiają za koniecznością poszukiwania efektywniejszych źródeł surowcowych, nie konkurujących z potrzebami konsumpcyjnymi człowieka. Z ekonomicznego punktu widzenia o potencjale energetycznym bioetanolu pozyskanego z biomasy lignocelulozowej w porównaniu z bioetanolem pozyskanym ze zbóż świadczy wskaźnik FER (Fossil Energy Ratio) będący ilorazem energii dostarczonej do konsumenta i energii wytworzonej z paliw kopalnych. FER bioetanolu z rafinacji lignocelulozy jest 4-5 krotnie wyższy aniżeli FER bioetanolu z kukurydzy Sheehan and M. Wang (2003). Wysoka ekwiwalentność 215

215 energetyczna bioetanolu z celulozy względem paliw kopalnych przekłada się na korzyści środowiskowe polegające na 85% redukcji emisji CO 2. Stanowi to o kolejnej przesłance motywującej racjonalność podjętych badań: z uwagi na szeroki kontekst uwarunkowań ekonomicznych i środowiskowych ukierunkowanie badań na wykorzystanie surowca nieżywnościowego, jakim są uprawy lingnocelulozowe o wysokiej wydajności biomasy i w konsekwencji bioetanolu, które mogą być prowadzone na glebach o niskiej wartości rolniczej. Jednym z istotnych priorytetów w rozwoju rynku biopaliw w UE jest zorientowanie badań na wykorzystanie surowca lignocelulozowego. Jest to tradycyjne źródło energii a jego naturalnym, bogatym źródłem są lasy. Jednakże i w tym przypadku występują ograniczenia ekonomiczne i środowiskowe, wynikające m.in. z długiego czasu niezbędnego do odtworzenia drzewostanu, wysokiej wartości przemysłowej drewna, co sprawia, że energetycznie wykorzystuje się głównie odpady, a ze względów środowiskowych wymienić należy nadrzędną rolę lasu w globalnej cyrkulacji węgla. W światowej literaturze zgromadzono duży dorobek naukowy związany z produkcją lignocelulozy na cele energetyczne wykorzystywanej głównie jako paliwo stałe, ale stopniowo pojawia się coraz więcej prac badawczych podejmujących tematykę konwersji lignocelulozy do różnych produktów, w tym przede wszystkim do bioetanolu. Jednakże dzisiaj poziom wiedzy w tym zakresie nie osiągnął jeszcze masy krytycznej skutkującej powszechnością zastosowań. Aktualnie na świecie funkcjonuje kilkanaście pilotowych biorafinerii produkującej etanol z lignocelulozy przy czym żadna z nich nie osiągnęła takiego poziomu produkcji, który byłby konkurencyjny względem biorafinerii petrochemicznej; ponadto żadna z nich nie pracuje w oparciu o surowiec z celowej uprawy. Jedna z największych biorafinerii tego typu, wizytowana przez zespół opracowujący niniejszy projekt znajduje się w Ornskoldsvik w Szwecji, Należy podkreślić także i to, że idea biorafinerii, a tym samym jej ogólna efektywność wykracza poza ramy li tylko produkcji etanolu. Potencjalna pula materiałów i produktów możliwych do uzyskania w procesie biorafinacji nie została określona, jednak szacuje się, ze ich liczba znacznie przewyższy liczbę produktów rafinerii petrochemicznej. Przesłanka badawcza: technologia produkcji bioetanolu w oparciu o biomasę lignocelulozową z upraw dedykowanych mieści się w światowym nurcie prac badawczych nad przyszłymi technologiami produkcji paliw płynnych, a ponadto wpisuje się w światowe programy klimatyczno-środowiskowe (w tym pakiet klimatyczny UE 3x20 do 2020). Jak już wspomniano etanol jest uznawany za paliwo II generacji. Nowe koncepcje dotyczą otrzymywania etanolu z hydrolizatu materiału drzewnego. Drewno składa się głównie z celulozy, hemicelulozy oraz ligniny, przy czym dwie pierwsze frakcje są polisacharydami, a lignina nie stanowi źródła monocukrów. Celuloza złożona jest z jednostek glukozowych, a hemiceluloza jest sieciowanym kopolimerem zawierającym zarówno 216

216 różnorodne heksozy jak i pentozy (ksyloza). Pewnym ograniczeniem w produkcji etanolu z materiałów zawierających hemicelulozy jest fakt, iż drożdże Sacharomyces cerevisiae powszechnie stosowane w procesie fermentacji alkoholowej jako substrat używają di i monosacharydy, głównie heksozy, pozostawiając pentozy (a więc np. ksylozę) niezmienioną. Bardzo obiecujące wydają się prace badawcze wykorzystujące inżynierię genetyczną do konstrukcji drobnoustrojów zdolnych fermentować oba rodzaje cukrów. Możliwość biokonwersji substratu lignocelulozowego do etanolu w największym stopniu utrudniona jest jednak obecnością ochronnej warstwy ligniny, która jest barierą w dostępie enzymów hydrolitycznych do polisacharydów. Wstępna obróbka lignocelulozy jest więc krytycznym punktem technologii otrzymywania bioetanolu wyznaczającym efektywność procesów następczych. W procesie hydrolizy materiałów celulozowych do cukrów prostych na skalę przemysłową można wyróżnić dwa główne podejścia: - Chemiczna hydroliza z wykorzystaniem kwasów o różnych stężeniach (głównie kwas siarkowy (VI), - Enzymatyczna hydroliza poprzedzona delignifikacją i częściową depolimeryzacją celulozy. Każdy z wymienionych procesów ma swoje wady i zalety. W technologii wykorzystującej kwas siarkowy (VI) wyróżnić można: nieuniknioną korozję aparatury, problem z zagospodarowaniem bądź odzyskiwaniem kwasu po zakończeniu procesu, oraz formowanie produktów hydrolizy ligniny o właściwościach negatywnie wpływających na mikroorganizmy fermentujące. Niemniej jednak jest to procedura najbardziej zbliżona do możliwości komercjalizacji. Głównym ograniczeniem stosowania procesów enzymatycznych jest w chwili obecnej koszt tego rozwiązania, w którym główną pozycję zajmują preparaty enzymatyczne. Podobnie jak w innych rozwijających się dziedzinach także w przypadku produkcji etanolu z materiału celulozowego jest wiele aspektów naukowych i utylitarnych, które będąc przedmiotem badań zostaną na przestrzeni najbliższych lat udoskonalone. Jak wynika w przytoczonych powyżej ograniczeń należy podjąć badania nad alternatywnymi katalizatorami chemicznymi hydrolizy materiału celulozowego, obniżeniem kosztów procesów enzymatycznych, poprzez optymalne powiązanie wstępnej obróbki chemicznej z hydrolizą, gwarantujące ograniczenie strat cukrów i eliminację inhibitorów fermentacji, oraz opracowanie nowych szczepów drożdży, transformantów, które zapewnią efektywniejsze wykorzystanie powstających monosacharydów. Początki produkcji biopaliwa z glonów sięgają lat siedemdziesiątych XX wieku, zapoczątkował ją amerykański Departament Energetyki a energetyczny potencjał alg określono w National Renewable Energy Laboratory (USA). Wówczas uzyskiwano niewielkie 217

217 ilości biopaliwa, ok. 1% biomasy glonów. Jednakże, na podstawie badań M. Bo Rasmussena z Uniwersytetu w Aarhus (Dania) szacuje się, że efektywność produkcji glonów jest 30 razy większa niż pozostałych surowców roślinnych. Obecnie, z powierzchni 1 ha uprawy można uzyskać ok l oleju i aż l oleju z alg ( ton biomasy glonów). Literatura na temat właściwości fizycznych i energetycznych oleju z alg jest skąpa, jednak temat staje się bardzo aktualny, głównie dzięki uruchomionym programom badawczym przez Niemcy, Danię i przede wszystkim w USA (Algal and Advanced Biofuels. U.S. Department of Energy (DOE), July 16, 2009). W produkcji alg wykorzystuje się CO 2, niewielką ilość wody oraz substancje odżywcze (głównie fosfor i azot). Zatem glony można uprawiać masowo, jedynie wymagana jest odpowiednia temperatura i skład mieszaniny surowcowej do namnażania glonów. Jak wynika z opracowań firm Algaelink, Airbus, Shelle i Rolls-Royce, olej zgromadzony w komórkach alg posiada podobne właściwości do standardowych olejów roślinnych i może stanowić w przyszłości stosunkowo tanie w produkcji biopaliwo, obecnie technologia produkcji jest droga. Szacuje się, że koszty produkcji biomasy z glonów przeznaczone na biopaliwo płynne wyniosą ok. 1$ za kg biomasy. Jak twierdzi J.Wiggers z firmy Algaelink i S. Kraan z Irlandzkiego Centrum Wodorostów Międzynarodowego Uniwersytetu w Galwey (Irlandia), glony mogą być uznane jako surowiec do produkcji biopaliwa kolejnej generacji. Jednak wiele problemów związanych jest z pozyskiwaniem biomasy i procesem konwersji do biopaliwa. Wymagać to będzie zidentyfikowania i przeprowadzenia kompleksowych badań z uwzględnieniem uwarunkowań środowiskowych i możliwości zagospodarowania biopaliwa początkowo w małej skali. Podsumowując przedstawione informacje na temat aktualnego stanu rozwoju technologii biogazowni i biorafinerii można stwierdzić, że nowoczesność rozwiązań proponowanych przez grupę zespołów realizujących zadania sprowadza się przede wszystkim do: zastosowania prototypowego reaktora ze złożem stałym, cechującego się możliwością zmiany wysokości stref dozowania powietrza oraz odbioru gazu procesowego, zastosowania reaktora z inertną membraną ceramiczną dla konwersji wyższych węglowodorów (smół) zawartych w surowym gazie, zastosowania membranowej techniki otrzymywania czynnika zgazowującego, zastosowania membranowej techniki oczyszczania pirolitycznej frakcji ciekłej, zastosowania wysokotemperaturowego złoża ceramicznego dla mikrofalowego rozkładu wyższych węglowodorów, utylizacji pozostałości po procesie filtracyjnym frakcji ciekłej przy zastosowaniu wolnych rodników FRT, 218

218 zastosowania procesu konwersji skupionego w jednej linii technologicznej (suszenie zgazowanie i spalanie bez międzystopniowego schładzania produktów), zastosowania procesu VPSA do oczyszczania gazu ze zgazowania biomasy i rozdziału CH 4/N 2 na węglach aktywnych, zastosowania procesu zgazowania z rozdziałem strumieni gazu i spalin w jednym reaktorze ze złożem stałym i wykorzystania gazu do zasilania ogniw typu SOFC, zastosowania pionierskich metod w zakresie uzyskania nowych mieszańców wewnątrzgatunkowych wierzby o zwiększonej produkcji biomasy lignocelulozowej; nowoczesność polega na stymulacji potencjału produkcyjnego gleb o niskiej wartości rolniczej z grupy tzw. marginalnych, dziś zazwyczaj wcale lub mało produktywnych, zastosowania dwóch pionierskich zabiegów: stosowanie ligniny, która dzisiaj jest traktowana jako kłopotliwy produkt uboczny w procesie biorafinacji oraz wykorzystanie zjawiska mikoryzy poprzez wprowadzenie do gleby grzybów mikoryzowych, opracowania dojrzałych technologicznie metod przetwarzania, depolimeryzacji i fermentacji surowców lignocelulozowych, wykorzystania odpadów przemysłu rolno-spożywczego (wywar, serwatka) i biopaliwowego (frakcja glicerynowa) z biomasą ślazowca pensylwańskiego (Sida hermaphrodita Rusby) jako kosubstrat do wytwarzania metanu, wykonania analizy uwarunkowań środowiskowych oraz bilanse energetyczne uwzględniające odpady i surowiec roślinny (ślazowiec w postaci zielonej oraz konserwowanej) z produkcji dedykowanej, opracowania kolejnej generacji technologii fermentacji metanowej, uwzględniającej etap wstępnego przygotowania biomasy oraz kofermentację, opracowania metod określających przydatność wstępnego przygotowania biomasy w procesach fermentacji metanowej, wprowadzenia mikroorganizmów (Trichoderma, Pleurotus ostreatus, Phanerochaete sordida 37 Pycnoporus cinnabarinus 115) do instalacji fermentora mogących w znacznym stopniu wpłynąć na ilość uwolnionych rozpuszczalnych cukrów oraz na produkcję biogazu, optymalizacji źródeł biomasy wykorzystywanej do produkcji biogazu. Optymalizacja wymaga analizy specyficznej produkcji metanu z hektar upraw, ale również analizy specyficznej produkcji biogazu z odpadów przemysłu rolno spożywczego, zastosowania promieniowania mikrofalowego jako czynnika stymulującego warunki termiczne wewnątrz reaktora beztlenowego jest rozwiązaniem oryginalnym, rozwoju kaskadowego (szeregowego) układu hydrolizera, fermentorów, prasy i kompostownika z rozdzieleniem procesu hydrolizy od metanogenezy, zawracanie 219

219 odcieków z odpowiednimi kulturami bakteryjnymi do procesów hydrolizy oraz do fermentacji metanowej, rozdział biogazu na metan i dwutlenek węgla częściowo zawracany do usuwania powietrza z hydrolizera, tworzenie różnych paliw gazowych: standardowego paliwa gazowego (SPG) do zasilania kogeneratora, paliwa o parametrach gazu GZ 50 do magistrali gazowej, sprężonego paliwa gazowego CNG oraz skroplonego LNG, sprzężenie termiczne kogeneratora z ogniwem termoregeneracyjnym w układzie wytwarzania energii elektrycznej cieplnej - zgłoszenie patentowe w Europejskim Urzędzie Patentowym PCT/PL02/00044 na 32 kraje, uruchomienia produkcji ogniwa termoregeneracyjnego wg patentu polskiego Nr B1 pt.: Sposób wytwarzania energii elektrycznej i ogniwo termoregeneracyjne w skali przemysłowej, rozwoju technologii produkcji glonów o wysokiej koncentracji oleju na bazie produktów odpadowych powstających w zakładach branży spożywczej, określenie wydajności i efektywności energetycznej produkcji glonów oraz sprawdzenie możliwości produkcji biopaliwa w oryginalnej technologii, rozwiązania potrzeb rynku odpadów przemysłu spożywczego i paliwowego (wywaru pogorzelnianego i serwatki oraz frakcji glicerynowej) oraz przedstawienie pewnego typoszeregu mocy biogazowni, od skali mikrobiogazowni ok 10 kw do skali ok. 500 kw, rozwoju idei mikrobiogazowni. 16. Blok tematyczny 5 - Oczyszczanie i uszlachetnianie (w tym reforming do wodoru) produktów gazowych zgazowania fermentacyjnego i termicznego (biogazu) W bloku tematycznym 5 podjęto niezwykle istotną i aktualną tematykę oczyszczania i reformingu biogazu w celu wykorzystania energetycznego w silnikach i turbinach gazowych. Dostępne obecnie generatory nie zapewniają dotrzymania wymagań odnośnie czystości produkowanego gazu. W związku z tym, gdy rozważa się zastosowanie gazu w silniku lub turbinie gazowej konieczne jest jego oczyszczanie. Najważniejszym elementem w procesie praktycznego zastosowania gazu procesowego jest konieczność oczyszczania surowego gazu procesowego do wymagań zgodnych z dalszym zastosowaniem przemysłowym. Oczyszczanie gazu syntezowego z instalacji zgazowania biomasy nie jest zadaniem prostym. Zmienność surowca (biomasy), stanowi ważną cechę charakterystyczną, która zawsze musi być brana pod uwagę, jako że wiele wymagań dotyczących procesu oczyszczania będzie zależna od składu uzyskanego gazu, a ten zależy od właściwości 220

220 zastosowanej biomasy. W związku z tym, dogłębna analiza chemiczna dostępnej dla procesów zgazowania biomasy, jest zagadnieniem bardzo ważnym. Pomimo, że technologie poszczególnych etapów procesu oczyszczania są lepiej lub słabiej poznane, to liczba poszczególnych etapów dla procesu oczyszczania gazu od surowego do oczyszczonego gazu syntezowego będzie w istotny sposób zależna od rodzaju biomasy i od ukierunkowania zastosowań gazu. Atrakcyjność ekonomiczna instalacji zgazowania biomasy z wykorzystaniem gazu procesowego dla dalszych zastosowań zależy w głównej mierze od kosztów inwestycyjnych i operacyjnych ponoszonych właśnie na oczyszczanie uzyskanego gazu. Stopień oczyszczenia gazu będzie zależny od dalszego wykorzystania gazu i będzie najmniejszy w przypadku bezpośredniego spalania dla produkcji ciepła i energii elektrycznej. Następnie wymagania dotyczące stopnia czystości gazu będą rosnąć dla zastosowań w silnikach gazowych i mikroturbinach, by osiągnąć najwyższy stopień dla zastosowań gazu dla potrzeb ogniw paliwowych i syntezy chemicznej, gdzie oprócz aspektu aparaturowego (zapobieganie korozji) w grę wchodzą zagadnienia żywotności stosowanych katalizatorów. W Tablicy 6 przedstawiono wymagania stawiane gazom syntezowym kierowanym do instalacji produkującej paliwa płynne z wykorzystaniem syntezy Fischera-Tropscha [ 52 ]. Dopuszczalna zawartość substancji smolistych w gazie, w przypadku jego zastosowania do zasilania silnika spalinowego, powinna wynosić poniżej 50mg/m 3. Niektórzy producenci silników obniżają tę granicę nawet do 30mg/m 3. W niektórych instalacjach zastosowane zostały chińskie silniki wolnoobrotowe, przerabiane z konstrukcji morskich, w których producent dopuścił udział substancji smolistych w gazie w przedziale mg/m 3 [ 53, 54 ]. W przypadku turbin gazowych substancje smoliste nie stanowią większego zagrożenia, dopóki są utrzymywane w fazie gazowej. W większości instalacji wymóg ten jest dotrzymywany, gdyż gorący gaz wprowadzany jest bezpośrednio do komory spalania. Problemem są tu raczej metale alkaliczne, jak sód i potas oraz ich związki. Są one odpowiedzialne za powstawanie depozytów w układzie przepływowym maszyny. Dopuszczalne stężenia wynoszą odpowiednio dla: pyłów <1ppm, smół <5mg/m 3, HCl <0,5ppm, siarki (S, H 2S, SO 2 etc.) <1ppm, Na <1ppm, K <1ppm oraz dla innych metali <1ppm [43]. W przypadku reaktorów atmosferycznych, gdzie konieczne jest sprężenie gazu przed turbiną, wymaga się zwykle głębokiego schłodzenia gazu. Rosną tu wymagania 52 C. Higman, M. van der Burt, Gasification, Second Edition J. Rakowski, Przegląd zagadnień technologicznych związanych ze zgazowaniem paliw stałych dla potrzeb energetycznych, Energetyka, wrzesień J. Kalina, J. Skorek, Uwarunkowania technologiczne budowy układów energetycznych zintegrowanych z termicznym zgazowaniem biomasy, Energetyka, lipiec

221 odnośnie czystości gazu, co wynika z konieczności zabezpieczenia sprężarki gazu przed uszkodzeniem. W związku z powyższym, w celu określenia wymaganego stopnia czystości gazu procesowego należy określić, jakie jest jego przeznaczenie i w zależności od występujących w gazie zanieczyszczeń dobrać odpowiednie procesy oczyszczania. Inne zanieczyszczenia, jakie powinny zostać usunięte z gazu przed wprowadzeniem do silnika, czy turbiny to: cząstki stałe, związki alkaiczne (głównie potasu i sodu), związki chloru i fluoru (halogenki), amoniak i inne związki azotu, substancje smoliste oraz związki siarki. Dostępne obecnie generatory nie zapewniają dotrzymania wymagań odnośnie czystości produkowanego gazu. W związku z tym, gdy rozważa się zastosowanie gazu w silniku lub turbinie gazowej konieczne jest jego oczyszczanie. Tab. D 2. Dopuszczalne poziomy zanieczyszczeń gazu syntezowego w syntezie Fischera- Tropscha. Składnik Maksymalna dopuszczalna wartość H 2S+COS+CS 2 1 ppmv NH 3+HCN 1 ppmv HCl+HBr+HF 10 ppbv Metale alkaiczne 10 ppbv Zanieczyszczenia stałe 0 Smoły włącznie z BTX poniżej punktu rosy Fenol i podobne związki 1 ppmv Jak już kilkakrotnie akcentowano, główne zanieczyszczenia znajdujące się w surowym gazie ze zgazowania biomasy, to cząstki stałe i substancje smołowe. Cząstki stałe obejmują: popiół nieorganiczny otrzymywany z substancji mineralnych zawartych w paliwie, karbonizat oraz materiał pochodzący ze złoża reaktora zgazowania (o ile występuje). Zgodnie z przewidzianym we wniosku ukierunkowaniem badań nad zastosowaniem gazu ze zgazowania biomasy w silnikach gazowych oraz ogniwach paliwowych, należy mieć na uwadze stosunkowo surowe wymagania w zakresie czystości gazu. Poza cząstkami stałymi i smołą, producenci silników określają dopuszczalne poziomy takich zanieczyszczeń jak: - związki siarki: mniej niż mg/m 3 (w przeliczeniu na H 2S), - amoniak: mniej niż mg/m 3, 222

222 - związki krzemu (siloxany): mniej niż 10 50mg/m 3 (odpowiedzialne za formowanie się depozytów w układzie przepływowym silnika), - związki chloru i fluoru (halogenki): mniej niż mg/m 3 (wpływają na zmniejszenie właściwości smarnych oleju silnikowego) [ 55 ]. Podstawowym problemem związanym z zanieczyszczeniem gazu procesowego ze zgazowania biomasy substancją stałą (pyłem) jest skład popiołu i niska temperatura jego mięknienia. W skład substancji nieorganicznych biomasy wchodzą głównie związki krzemu, wapnia, magnezu, fosforu, sodu i potasu, w tym przede wszystkim SiO 2, CaO, MgO, Na 2O, K 2O, podczas gdy w węglu są to: SiO 2, Al 2O 3 i Fe 2O 3. W wielu rodzajach biomasy znajduje się również chlor; w niektórych gatunkach słomy do 0,49% wag, a w łodygach kukurydzy nawet do 1,48% wag. [ 56 ]. Metale alkaliczne, siarka i chlor, uwalniane podczas termicznej przemiany biomasy (szczególności w przypadku słomy), są przyczyną tzw. korozji wysokotemperaturowej. Jednocześnie składniki mineralne biomasy mogą być potencjalnie katalizatorami lub prekursorami katalizy w procesach pirolizy i zgazowania (na przykład KCl podczas pirolizy słomy pszennej). Kolejnym źródłem pyłu jest karbonizat, który w celu zwiększenia całkowitej wydajności energetycznej procesu, po wydzieleniu jest zwykle zawracany do reaktora. Do najważniejszych wykorzystywanych aktualnie technologii usuwania cząstek stałych z gazu zaliczamy: filtry cyklonowe, filtry przegrodowe, filtry elektrostatyczne i mokre skrubery, których krótka charakterystyka wygląda następująco: filtry cyklonowe kierują strumień gazu trajektorią kołową, zwiększając siłę odśrodkową i usuwają większość cząstek o rozmiarze 1 5μm. Ta technologia jest powszechnie stosowana i dostępna na rynku, filtry przegrodowe obejmują szereg materiałów porowatych, takich jak: membrany ceramiczne i metalowe, które pozwalają gazom na przechodzenie przez nie, zatrzymując jednocześnie cząstki stałe. Efektywna technika oczyszczania gazu umożliwia usuwanie cząstek o średnicach w zakresie 0,5 100μm. Filtry barierowe zostały zastosowane w oczyszczaniu gazu pochodzącego z termicznej konwersji biomasy w kilku zakładach demonstracyjnych wykorzystujących tę technologię, np. instalacja Värnamo w Szwecji [ 57 ], 55 J. Kalina Wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej w skojarzeniu w układach rozproszonych małej mocy, zintegrowanych ze zgazowaniem biomasy, dostępne na 56 W. Warowny, Zgazowanie biomasy-technologia, dostępne na 57 Ståhl, Krister, and Neergaard, Magnus, IGCC plant for biomass utilization Värnamo, Sweden, Biomass and Bioenergy 15/

223 filtry elektrostatyczne znalazły również szerokie zastosowanie w procesie oczyszczania gazów z powodu ich wysokiej sprawności, fizycznych rozmiarów, ceny oraz najlepszego przystosowania dla układów wielkoskalowych, mokre skrubery wykorzystują zraszacze wodne lub inne ciecze do usuwania cząstek stałych. Większość układów do zgazowania biomasy, które wykorzystują mokre skrubery, stosują je głównie w celu usuwania smół. Związki alkaliczne: Surowiec, jakim jest biomasa może zawierać znaczną ilość soli alkalicznych, a w szczególności soli potasu. Jeśli gaz syntezowy zawierający alkalia jest wykorzystywany do syntezy produktów ciekłych, np. metanolu i produktów syntezy F T, to ich obecność może być toksyczna dla dalszych jednostek przetwarzających oraz może stanowić zanieczyszczenie produktów syntezy. Obecnie związki alkaliczne są monitorowane przez procesy filtracyjne i zostają usuwane z zastosowaniem różnorodnych filtrów ceramicznych po etapie chłodzenia w celu wykondensowania tych związków. Azot: Zawarte w strukturze biomasy i biomasy odpadowej związki azotu, podczas pirolizy lub zgazowania ulegają w pierwszym rzędzie konwersji do NH 3 i HCN (prekursory NO x), podczas gdy w trakcie dalszego zgazowania/spalania mogą być przekształcone w NO x (x=1 i/lub 2) oraz N 2O lub N 2, w zależności od zawartości tlenu i temperatury panującej w strefie spalania/zgazowania [ 58, 59 ]. Wydajność konwersji NO x/n 2O jest silnie uzależniona od rodzaju prekursora NO x oraz rodzaju biomasy użytej jako paliwo. W redukcji emisji NO x/n 2O bardzo ważnym zagadnieniem jest dobra znajomość reakcji tworzenia i destrukcji NO x/n 2O i ich prekursorów podczas procesów pirolizy, zgazowania i spalania. Oczyszczanie strumienia gazów otrzymanych w procesach pirolizy i zgazowania biomasy z NH 3 w obecnych czasach wykonuje się przez użycie katalitycznego reaktora ze złożem stałym, który selektywnie utlenia NH 3 do N 2 i H 2O [ 60, 61 ]. Zazwyczaj proces ten prowadzony jest w wysokich temperaturach (T>450 C). Najpowszechniej stosowaną w przemyśle technologią kontroli zawartości NO x jest Selektywna Katalityczna Redukcja NO x przy użyciu amoniaku lub mocznika [ 62, 63 ]. Jednakże zastosowanie tych technologii związane jest z pewnymi obciążeniami środowiskowymi (np. transport, przechowywanie oraz zagadnienia bezpieczeństwa pracy z amoniakiem), jak również wysokimi nakładami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi. Dodatkowo opłacalne wdrażanie 58 L.L. Tan, C.-Z. Li, Fuel 79 (2000) C.-Z. Li, L.L. Tan, Fuel 79 (2000) E.M. Johansson, S.G. Järås, Catal. Today 47 (1999) C.J.M. Sung, L..A. Kennedy, E. Ruckenstein, Combust. Sci. Technol. 41 (1984) F.J. Janssen, in: G. Ertl, H. Knözinger, J. Weitkamp (Eds.), Handbook of Heterogeneous Catalysis, VCH, Weinheim, F. Nakajima, I. Hamada, Catal. Today 29 (1996)

224 tych technologii nie zawsze jest możliwe dla każdej instalacji przemysłowej. Dlatego też, w przyszłości wymagane będą czyste i zielone alternatywne technologie przemysłowe, szczególnie takie, w których reakcje zachodzą w niskich temperaturach. Prace nad rozwinięciem takiej alternatywnej, czystej i zielonej przemysłowej technologii katalitycznej kontroli NO x zostały już zapoczątkowane przez prof. Angelos a M. Efstathiou [ 64, 65, 66, 67 ]. Technologia ta opiera się na użyciu H 2 zamiast NH 3, jako czynnika redukcyjnego NO x i pracuje przy znacznie niższych temperaturach ( C) w przeciwieństwie do obecnie stosowanych technologii z wykorzystaniem NH 3 (pracujących w zakresie temperatur ~ C). Smoły: Tworzenie się smół jest jednym z najpoważniejszych problemów w dalszych procesach wykorzystania gazu ze zgazowania biomasy. Przez wielu badaczy są one uznawane za główną przeszkodę dla przyszłego wykorzystania procesu zgazowania biomasy [ 68 ]. Smoła otrzymywana z biomasy jest bardzo lotna i wykazuje bardzo szkodliwe właściwości z powodu osadzania się na powierzchniach, filtrach i wymiennikach ciepła, co wpływa na obniżenie poprawności działania poszczególnych elementów instalacji i zwiększa koszty konserwacji [ 69 ]. Te właściwości smół stają się nawet bardziej niekorzystne, kiedy weźmie się pod uwagę ich skłonność do polimeryzacji, prowadzącej do tworzenia bardziej złożonych struktur cząsteczkowych i aerozoli, jak w przypadku bio oleju [ 70 ]. Oczywistym staje się fakt, że jednym z głównych wyzwań dla zgazowania biomasy i oczyszczania gazu syntezowego jest redukcja smół podczas procesu zgazowania. Usuwanie bądź recykling smół może być skategoryzowany w zależności od tego, gdzie są one usuwane, albo w samym reaktorze zgazowania (usuwanie pierwotne) albo poza reaktorem (usuwanie wtórne). Mimo, że obecność smół stanowi duży problem dla przebiegu procesów następujących w dalszej kolejności, smoła pochodząca ze zgazowania biomasy posiada ogromny potencjał do wytwarzania CO i H 2, dlatego dla poprawy efektywności procesu 64 A.M. Efstathiou, C.N. Costa, J.-L.G. Fierro, Catalyst for the Reduction of NO to N2 with Hydrogen under NOx Oxidation Conditions, US Patent No. 7,105,137 B2 (2006). 65 A.M. Efstathiou, C.N. Costa, J.-L.G. Fierro, Catalyst Containing Platinum on a Support Consisting of Magnesium Oxide and Cerium Oxide for the Reduction of NO to N2 with Hydrogen under NOx Oxidation Conditions, European Patent No B1(2008). 66 A.M. Efstathiou, P.G. Savva, C.N. Costa, Catalyst Containing Platinum on a Support Consisting of Nanocrystal Magnesium Oxide and Cerium Dioxide Towards H2-SCR, European Patent Application No. EP (filed on October 15, 2008). 67 A.M. Efstathiou, P.G. Savva, C.N. Costa, Catalyst Containing Platinum and Palladium for the Selective Reduction of NOx with Hydrogen (H2-SCR), European Patent Application No. EP (filed on October 15, 2008). 68 Bergman, Patrcik C. A., van Paasen, Sander V.B., Boerrigter, Harold, The novel OLGA technology for complete tar removal from biomass producer gas, 2002, dostępne na 69 R. Zhang, R. Brown, A. Suby, K. Cummer, Energy Conversion Management 45 (2004) T.L. Chew, S. Bhatia, Bioresource Technology 99 (2008)

225 wytwarzania gazu procesowego o wysokiej zawartości CO i H 2 winno się ją zawracać do procesu. Usuwanie pierwotne składa się z krakingu smół do prostszych węglowodorów. Szczegóły o metodach pierwotnego usuwania substancji smołowych odnaleźć można w badaniach Devi et al. poświęconych temu zagadnieniu [ 71 ]. Technologie pozwalające na całkowite usuwanie smół z zastosowaniem metod pierwotnych nie są dostępne na rynku, choć są bardzo pożądane, ponieważ takie rozwiązanie problemu wyeliminowałoby potrzebę stosowania dodatkowych urządzeń, a przez to znacząco obniżyło koszty procesu. Usuwanie wtórne jest głównym sposobem oczyszczania surowego gazu procesowego pochodzącego ze zgazowania biomasy z zanieczyszczeń smołowych. W celu usunięcia smół na etapie usuwania wtórnego, stosuje się cztery różne procesy: Kraking termiczny: Smoły usuwa się wysokich temperaturach ( C) bez użycia katalizatora. Opcja ta posiada pewne wady, takie jak konieczność stosowania drogich materiałów, tworzenie się sadzy i mała sprawność termiczna [ 72 ]. Wypłukiwanie na mokro: Usuwanie smoły poprzez wypłukiwanie na mokro daje możliwość stosowania techniki wypłukiwania w niskich temperaturach, w ramach której stosuje się różne ciecze absorpcyjne, zaś smoły są wydzielane i zawracane do reaktor zgazowania [ 73 ]. Niemniej jednak, główną wadą tego rozwiązania jest znaczne marnotrawstwo wody oraz konieczność oddzielania/usuwania smoły przed powtórnym doprowadzeniem jej reaktora. Reforming katalityczny: Proces reformingu katalitycznego prowadzi do rozkładu smół na CO, CO 2 i H 2. Reforming katalityczny smoły jest uważany za najlepszą metodę rozkładu składników smołowych, zwiększania wartości opałowej gazu i poprawy ogólnej wydajności wykorzystania biomasy [ 74, 75, 76 ]. Do chwili obecnej, do usuwania smoły z termicznej konwersji biomasy, stosowane były następujące grupy katalizatorów [ 77, 78, 79, 80 ]: 71 Devi, Lopamudra, Ptasinski, Krzysztof J., Janssen, Frans J.J.G., A review of primary measures for tar elimination in biomass gasification processes, Biomass and Bioenergy 24/ N. Kuhn, Z. Zhao, L.G. Felix, U.S. Ozkan, Appl. Catal. B: Environ. 81 (2008) Knoef, H.A.M. et al., Handbook biomass gasification, BTG biomass technology group BV, 2005, ISBN: T.A. Milne, N. Abatzoglou, Biomass Gasifier Tars: NREL Report, NREL/TP (1989). 75 P.A. Simell, J.B.-son Bredenberg, Fuel 69 (1990) C.M. Kinoshita, Y. Wang, J.C. Zhou, Ind. Eng. Chem. Res. 34 (1995) H. Zhao, D.J. Draelants, G.V. Baron, Catal. Today 56 (2000) D. Sutton, B. Kelleher, J.R.H. Ross, Fuel Proc. Technol. 73 (2001) J. Delgado, M.P. Aznar, J. Corella, Ind. Eng. Chem. Res. 36(5) (1997) M.P. Aznar, J. Corella, J. Delgado, J. Lahoz, Ind. Eng. Chem. Res. 32(1) (1993)

226 Materiały pochodzenia naturalnego (dolomit, oliwin, kalcyt); najczęściej badanymi materiałami są dolomity kalcynowane (CaO/MgO) i oliwiny, rzadziej kalcyt. Materiały te są tanie, jednak z czasem tracą swą początkową efektywność. Dolomity są w centrum zainteresowania badaczy z uwagi na fakt, iż materiały te są bardzo tanie i łatwo usuwalne, a także oferują możliwość znacznego zmniejszenia ilości smół w gazie produkowanym w reaktorze. Badania różnych gatunków dolomitów wykazały, że dolomit o najwyższej zawartości Fe 2O 3 wykazuje najwyższą aktywność w procesie [ 81 ]. Oliwin (glinokrzemian magnezu) jest interesującym rozwiązaniem alternatywnym dla dolomitu kalcynowanego. Zdolność do reformingu smoły, jaką wykazuje oliwin, została poddana badaniom, których wyniki porównano z wynikami uzyskanymi dla dolomitu. Stwierdzono, że oliwin charakteryzuje się znacznie wyższą odpornością na ścieranie przy zastosowaniu w reaktorze ze złożem fluidalnym [ 82 ]. Katalizatory oparte na Ni; materiały te odznaczają się zdolnością całkowitego usuwania związków smoły, jednak są znacząco podatne na osadzanie się koksu i spiekanie. Obiecującym alternatywnym rozwiązaniem, jakie przyczynić się może do rozwiązania tych problemów, jest nowopowstały Ni-monolith tar reformer [ 83 ]. Milne i Evans są zwolennikami stosowania złoża ochronnego z katalizatorem nieorganicznym przed zastosowaniem katalizatora niklowego do reformingu parowego. Niemniej jednak, rozwiązanie to nie zostało do tej pory w pełni potwierdzone badawczo, a inną kwestią, jaką należy w tym kontekście wziąć pod uwagę jest fakt, iż katalizatory typu niklowego należą do materiałów bardzo drogich [ 84 ]. Katalizatory z metali szlachetnych; reforming parowy związków organicznych zawierających tlen (np. kwasu octowego, fenolu, acetonu i etanolu) przebadano na katalizatorach platynowym, rodowym i palladowym, naniesionych na nośnikach glinowych i cerowo-cyrkonowych [ 85, 86, 87 ]. Nośnikowe katalizatory rodowe i platynowe należą do najbardziej aktywnych, podczas gdy katalizatory palladowe odznaczają się niską aktywnością [ 88 ]. W przypadku tych katalizatorów, aglomeracja cząstek metali 81 A. Orío, J. Corella, I. Narváez, in: Proceeding on Conference on Developments in Thermochemical Biomass Conversion, Banff, Canada, 1996, p S. Rapagna, N. Jand, A. Kiennemann, P.U. Foscolo, Biomass Bioenergy 19 (3) (2000) D.L. Trimm, Catal. Today 49 (1999) Milne, T.A. and Evans, R.J., Biomass Gasifier Tars : Their Nature, Formation, and Conversion, 1998, dostępne na 85 K. Takanabe, K. Aika, K. Inazu, T. Baba, K. Seshan, L. Lefferts, J. Catal. 243 (2006) K. Takanabe, K. Aika, K. Seshan, L. Lefferts, Chem. Eng. J. 120 (2006) C. Rioche, S, Kulkarni, F.C. Meunier, J.P. Breen, Appl. Catal. B: Environ. 61 (2005)

227 szlachetnych, koszty oraz brak stabilności procesu, to tylko kilka z najpoważniejszych problemów, jakie nie zostały do tej pory rozwiązane [ 89, 90, 91 ]. Konwersja węglowodorów prowadzona jest również z zastosowaniem plazmy. Do tego celu wykorzystywana jest z powodzeniem plazma różnego rodzaju wyładowań elektrycznych (wyładowanie łukowe, koronowe, barierowe i mikrofalowe). Najlepsze na świecie wyniki osiągnięto w zespołach: (i) amerykańskim (MIT), w którym opracowano generator nazwany plasmatron wykorzystujący wyładowanie stałoprądowe oraz (ii) francuskich, w których opracowano generator glidarc, wykorzystujący ślizgające się wyładowanie elektryczne. Wiele lat doświadczeń, finansowanych między innymi przez koncerny samochodowe, umożliwiło tym zespołom osiągnięcie energetycznej wydajności około 1kg[H 2]/kWh, co pozwoliło na znaczne obniżenie całkowitych kosztów konwersji węglowodorów i produkcji wodoru. Wadą tych rozwiązań jest to, że ich stosowanie wiąże się z uwalnianiem do atmosfery dużych ilości CO 2, wytwarzanego bezpośrednio w reakcjach chemicznych, w których produkowany jest wodór, jak i pośrednio, w czasie produkcji energii elektrycznej niezbędnej do przeprowadzenia procesu produkcji wodoru (tzw. równoważna emisja CO 2 equivalent CO 2 emission). OLGA: Najnowsza technologia OLGA opracowana przez ECN (Energy Research Centre of the Netherlands) jest jedną z najbardziej skutecznych technologii usuwania smoły Technologia OLGA, której schemat przedstawiono na Rys. D12 służy do usuwania smół z gazu poprzez wykorzystanie organicznej cieczy płuczącej. Gaz syntezowy oczyszczany jest dwustopniowo: najpierw następuje gromadzenie płynnej smoły, a następnie smoła z fazy gazowej poddawana jest absorpcji. System OLGA może być także przystosowany do celów usuwania BTX-ów. Smoły i BTX-y są zawracane do reaktora, gdzie poddawane są rozkładowi do niższych węglowodorów. 88 A. Albertazzi, F. Bsile, J. Brandin, J. Einvall, G. Fornasari, C. Hulteberg, M. Sanati, F. Trifiró, A. Vaccari, Energy & Fuels 23 (2009) D. Sutton, B. Kelleher, J.R.H. Ross, Fuel Proc. Technol. 73 (2001) D. Dayton, U.S. DOE NREL Report NREL/TP (2002) Z. Abu El-Rub, E.A. Bramer, G. Brem, Ind. Eng. Chem. Res. 43 (2004)

228 Rys. D12. Proces usuwania substancji smołowych z gazu technologia OLGA [ 92 ]. Siarka: W zależności od zawartości siarki w surowcu poddawanym zgazowaniu (większość surowców biomasowych zawiera niewielkie ilości siarki, np. drewno zawiera mnie, niż 0,1% wag.), gaz syntezowy zawierać będzie pewne ilości siarkowodoru (H 2S), jak również mniejsze ilości innych związków siarki: siarczku karbonylu (COS), dwusiarczku węgla (CS 2), merkaptany i związki tiofenu. Aktualnie, usuwanie H 2S ze strumienia gazu może być realizowane na trzy sposoby: Utlenianie katalityczne: Usuwanie H 2S poprzez utlenianie katalityczne prowadzi się z zastosowaniem procesu Clausa [ 93, 94 ]. Niestety, metody tej nie można stosować w celu zmniejszania zawartości siarki w gazie wejściowym do poziomu ppm. Innym problemem związanym z tą metodą jest reakcja H 2S z CO 2, prowadząca do tworzenia się CS 2. Węgiel aktywny jest stosowany do utleniania H 2S, jednak zaobserwowane zjawisko osadzania się smoły na powierzchni cząstek węgla prowadzi do skrócenia okresu przydatności stosowanych materiałów [ 95 ]. Absorpcja w roztworze ciekłym: Usuwanie H 2S poprzez absorpcję prowadzi się zazwyczaj z wykorzystaniem amin węglowodorów nasyconych i podobnych roztworów aminowych. Roztwory soli alkalicznych są stosowane głównie w przypadkach, gdy CO 2 i inne gazy kwaśne (np. SO x) są obecne w gazie. Koszty regeneracji stałych adsorbentów siarkowodoru są niższe, niż koszty 92 C. Higman, M. van der Burt Gasification, Secind Edition Stejins, M., Mars, P., Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 16 (1977) Hyne, J.B., Oil Gas J. 70 (1972) Stirling, D., The Sulfur Problem: Cleaning up Industrial Feedstocks, The Royal Society of Chemistry,

229 absorbentów ciekłych. Metoda ta jest prosta i opłacalna, jednak wymaga przeprowadzania regeneracji absorbentu przed usuwaniem SO x. Podwyższona temperatura ubogiego roztworu amin spowalnia absorpcję siarczku z uwagi na mniej korzystne warunki równowagi pomiędzy aminami a siarkowodorem, co stanowi problem szczególnie dotkliwy w przypadku niskociśnieniowych instalacji, gdzie ciśnienie cząstkowe siarkowodoru jest znacznie niższe i przez to mniej korzystne [ 96 ]. Adsorpcja na powierzchni ciała stałego: Główną zaletą usuwania siarkowodoru poprzez adsorpcję na powierzchni ciała stałego są niskie koszty eksploatacyjne [ 97, 98 ]. Wady opisywanego procesu polegają na tym, że regeneracja stałego adsorbentu w niektórych przypadkach prowadzić może do szybkiego uwalniania ciepła, co może stanowić potencjalne zagrożenie w obecności gazów palnych. Natomiast uwalnianie SO x (zużywanie powietrza do regeneracji) musi być połączone z jego dalszym przetwarzaniem. Stały adsorbent H 2S (zazwyczaj w postaci tlenku metalu) musi posiadać następujące właściwości [ 99 ]: zachowywać aktywność i zdolność adsorpcji na przestrzeni wielu cyklów reakcji tworzenia siarczków i regeneracji, zachowywać trwałość w atmosferze silnie redukujących gazów i w temperaturze adsorpcji, charakteryzować się wysoką reaktywnością wobec H 2S, posiadać odpowiedni rozkład uziarnienia i należytą porowatość, umożliwiające dyfuzję i zwiększanie reaktywności, posiadać zdolność minimalizowania niepożądanych reakcji w środowisku gazów redukujących i w warunkach regeneracji, nie ulegać samozapłonowi, być materiałem tanim. W celu usuwania H 2S z gazu syntezowego, opracowano metody zastosowania bardzo różnych materiałów stałych, z których większość (np. Cu-Mn-O, Cu-Fe-O, Cu-Mo-O, Zn-V-O, Zn-Ti-O czy Zn-Fe-O) nadaje się do zastosowania w temperaturach wyższych niż 300ºC, co czyni ten proces niewydajnym energetycznie [ 100, 101, 102, 103 ]. 96 Mak, J., US patent 60/ (April 2005). 97 Wieckowska, J., Catal. Today 24 (1995) Saleta, L., Chem. Prum. 25 (1975) Slimane, R.B., Abbasian, J., Adv. Environ. Res. 4 (2000) Focht, G.D., Ranade, P.V., Harrison, D.P., Chem. Eng. Sci. 48 (11) (1988) Grindley, T., Steinfeld, G., DOE/MC/ (1981). 102 Kobayashi, Μ., Shirai, H., Nunokawa, M., Energy & Fuels 11 (1997)

230 Ważnym kierunkiem badań są prace ukierunkowane na stworzenie niskotemperaturowych adsorbentów H 2S. Stwierdzono, że nanokrystaliczne tlenki metali uzyskane metodami zol-żel, charakteryzują się aktywnością zgodną z szeregiem ZnO>CaO>Al 2O 3>>MgO ( o C) [ 104 ]. Doświadczenia krajowych ośrodków naukowych w oczyszczaniu gazu z pirolizy i zgazowania paliw biorąc pod uwagę wagę problemu są dotychczas niewielkie. Na tym tle wyróżnia się duże doświadczenie IChPW w oczyszczaniu gazów z termicznej konwersji paliw, w szczególności pirolizy (koksowania) i zgazowania węgla. IChPW dysponuje dużą wiedzą i doświadczeniem w oczyszczaniu gazów z pirolizy i zgazowania paliw stałych z wykorzystaniem następujących metod: średniotemperaturowego odpylania ( o C) w cyklonie z wirującą przegrodą i dolnym odbiorem gazu, bezprzeponowego wodnego chłodzenia i odpylania, przeponowego chłodzenia, elektrostatycznego usuwania smół, adsorpcyjnego oczyszczania w złożach stałych, fontannowych i przesuwnych, termicznego i katalitycznego krakingu smół. Systematyczny rozwój technologii konwersji termicznej biomasy sprawił, iż coraz więcej ośrodków naukowych zainteresowanych jest doskonaleniem jednostkowych procesów oczyszczania gazów wytwarzanych w procesach termicznej przeróbki biomasy, przede wszystkim w celu wykorzystania ich do napędu silników spalinowych i turbin gazowych, ale również przyszłościowo do zasilania ogniw paliwowych i/lub syntezy różnych związków chemicznych. Wśród ośrodków tych można wymienić przede wszystkim Instytut Energetyki, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski i Politechnikę Wrocławską. IEn dopracowuje obecnie prototypowe instalacje oczyszczania gazu ze zgazowania biomasy dla układów badawczych o mocach 50 i 800kW. Instalacje te zapewnią oczyszczenie gazu do poziomu wymagań dla zastosowań w silniku gazowym. W przyszłości IEn planuje osiągnąć poziom oczyszczenia gazu umożliwiający jego zastosowanie w zasilaniu ogniw paliwowych. UWM wspólnie z firmą ATON-HT SA prowadzą prace nad zastosowaniem złoża ceramicznego do rozkładu termicznego wyższych węglowodorów zawartych w surowym gazie z procesu pirolizy i zgazowania biomasy. Aktualnie trwają prace nad podniesieniem sprawności testowanego prototypowego układu, co zapewniłoby całkowite rozłożenie tych związków zawartych w surowym gazie. Prace PWr koncentrują się przede wszystkim na oczyszczaniu gazów z wykorzystaniem metody VPSA w instalacji złożonej z adsorbera odsiarczającego 103 Kobayashi, Μ., Shirai, H., Nunokawa, M., Energy & Fuels 16 (2002) Carnes, C.L., Klabunde, K.J., Chem. Mater. 14 (2002)

231 oraz modułu VPSA. Badania prowadzone przez pracowników PWr dotyczą głównie usuwania H 2S na sorbentach węglowych i sitach węglowych oraz rozdziału gazów (CH 4, CO 2, N 2) na węglach aktywnych, zeolitach i innych adsorbentach stałych. Na PWr prowadzone są również prace z zakresu absorpcyjnego oczyszczania gazów. Bardzo interesujące prace prowadzone są również w Instytucie Maszyn Przepływowych. Dotyczą one zastosowania plazmy generowanej w generatorze plazmy własnego pomysłu w destrukcji węglowodorów, co umożliwia zmniejszenie, bądź całkowitą eliminację zawartości wyższych węglowodorów w gazie, a także zwiększenie zawartości wodoru w strumieniu gazu. Oczyszczanie gazu z pirolizy i zgazowania biomasy nie jest zagadnieniem prostym. Dotychczasowe doświadczenia krajowych ośrodków naukowych pozwalają jednak z optymizmem patrzyć na możliwość rozwiązania tego problemu. Planowany projekt jest ogromną szansą na opracowanie skutecznej technologii oczyszczania gazu z termicznej konwersji biomasy dla jego energetycznych oraz chemicznych zastosowań. Układy kogeneracyjne zasilane syngazem stanowią nowość na naszym rynku. Wszystkie zainstalowane w Polsce instalacje gazowych agregatów kogeneracyjnych opartych na silniku wykorzystują następujące rodzaje gazu: gaz kopalniany, biogaz (składowiskowy, rolniczy, z oczyszczalni ścieków), gaz ziemny, propan. Nie istnieją układy kogeneracyjne na gaz pochodzący ze zgazowarek (pyrogas, syngas). Za granicą istnieją instalacje kogeneracyjne wykorzystujące syngaz z odpadów biomasowych, ale często zgazowują one odpady niespotykane w Polsce (np. w Hiszpani odpady z produkcji wina). Prócz tego istniejące instalacje zagraniczne często nie spełniają norm emisyjnych i wymagają dodatkowego, kosztownego oczyszczania gazów wylotowych. Podsumowując przedstawione informacje na temat aktualnego stanu rozwoju techniki można stwierdzić, że nowoczesność rozwiązań proponowanych przez grupę zespołów realizujących zadanie sprowadza się przede wszystkim do: zastosowania reaktora z wirującą warstwą cieczy SFR jako absorbera; zastosowania procesów membranowych lub hybrydowych do wzbogacania mieszanek gazowych. Wstępnie na małej instalacji pilotowej uzyskano wzbogacenie metanu w biogazie do 90 mol% CH4. zastosowania plazmowej konwersji węglowodorów zawartych w surowym gazie odznaczającej się wysoką wydajnością energetyczną (niskie koszty wytwarzanego wodoru) oraz niską równoważną emisją CO

232 17. Blok tematyczny 6 Układ kogeneracji energii elektrycznej i ciepła na bazie ogniwa paliwowego o mocy 2,5 kw W bloku tym podjęto zagadnienia niezwykle istotne dla energetyki wodorowej. Układy ogniw paliwowych, a w szczególności układy ogniw SOFC, generują prąd elektryczny z najwyższą znaną obecnie sprawnością, przy znikomej emisji zanieczyszczeń oraz z wykorzystaniem szerokiego zakresu paliw gazowych. Intensywne badania materiałowe i konstrukcyjne doprowadziły w ostatnich latach do przełomu technologicznego umożliwiającego obniżenie temperatury pracy ogniw, np. przy zastosowaniu ogniwa na podłożu anodowym (AS-SOFC). Ogniwa AS-SOFC na podłożu anodowym są aktualnie jednym z podstawowych kierunków badawczych w kluczowych dla powyższej technologii centrach badawczo-rozwojowych m.in. FZ Juelich, Versa Power oraz Ceramic Fuel Cells. Technologia ta stosowana jest obecnie w IEn Cerel. W ramach prac prowadzonych w Etapie 3.1 wykorzystana zostanie w ogniwach AS-SOFC technologia wytwarzania cienkich i szczelnych warstw elektrolitowych o grubości poniżej 10 µm (IEn Cerel). Udało się to uzyskać dzięki nowatorskiej, opatentowanej metodzie nanoszenia warstw MIP (Metoda Impregnacji Powierzchniowej) opracowanej w Oddziale Ceramiki CEREL (2008). Poprzez odpowiednią preparatykę proszków tlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru obniżono temperaturę spiekania elektrolitu do temperatury 1400 C. Podsumowując przedstawione informacje na temat aktualnego stanu rozwoju techniki można stwierdzić, że nowoczesność rozwiązań proponowanych przez grupę zespołów realizujących zadanie sprowadza się przede wszystkim do: lepszej integracji cieplnej stosu oraz zmniejszenia nieszczelności stosu ogniw poprzez odpowiednie skonfigurowanie wlotowych i wylotowych kolektorów (tzw. manifoldów) paliwa i utleniacza. zwiększenia sprawności układu energetycznego oczekiwane jest poprzez zastosowanie aktywnej izolacji innowacyjnego projektowania dystrybutorów i kolektorów reagentów gazowych do stosów, odpowiedniego geometrycznego rozmieszczenia stosów oraz wykorzystania ciepła otrzymanego w wyniku dopalenia paliwa resztkowego. 18. Blok tematyczny 7 - Badania wyprzedzające nowych technologii procesowych i materiałowych dla energetyki rozproszonej W bloku tematycznym 7 podejmujemy najbardziej aktualne kierunki badań w dziedzinie energetyki rozproszonej związane z fotokonwersją CO 2 do metanu, 233

233 oczyszczaniem gazów, nowoczesnych technik spalania biednych mieszanek, biorących pod uwagę oddziaływania płomieni z powierzchnią oraz nowych (w tym laserowych) technologii materiałowych. Separacja dwutlenku węgla z biogazu z wykorzystaniem cieczy jonowych Doprowadzenie składu biogazu odpowiadającego pod względem czystości, liczby metanowej, wartości opałowej i innych parametrów do stanu odpowiadającego tzw. gazowi standardowemu, wymaga separacji CO 2, oczyszczenia ze śladowych zanieczyszczeń, osuszenia oraz usunięcia związków siarki, głównie siarkowodoru. Wśród metod wzbogacania biogazu poprzez usuwanie z niego CO 2 wyróżnia się następujące metody fizykochemiczne: absorpcja, adsorpcja, separacja membranowa oraz kriogeniczną. W skali przemysłowej od wielu lat stosuje się głównie procesy oparte o absorpcję. Pozostałe metody są w trakcie prób lub stosowane w mniejszej skali technologicznej. Obecnie najpowszechniej stosowaną metodą separacji CO 2, w której osiągany jest wysoki stopień usuwania i czystości tego gazu jest wymywanie go w procesie absorpcji chemicznej (Edwards 1995; Göttlicher G. and Pruschek R. 1997; Lin i Shyu 1999). W procesach separacji CO 2 wykorzystuje się głównie chemisorpcję w wodnych roztworach amin (jak również innych zasad), której podstawą jest reakcja zachodząca między gazem a absorbentem. Najczęściej wykorzystywanym roztworem jest roztwór monoetyloaminy (MEA) ze względu na zdolność absorpcji CO 2 w warunkach niskiego ciśnienia i temperatury (0,5 mola CO 2 na mol MEA) (Desideri i Paolucci 1999). Proces absorpcji prowadzi się w aparatach, w których występuje ciągły przepływ obu faz. Faza gazowa jest rozproszona a ciecz jest fazą ciągłą, co zapewnia dużą powierzchnię kontaktu międzyfazowego. Są to przede wszystkim skrubery, absorbery kolumnowe, aparaty barbotażowe lub reaktory cyklonowe. W Katedrze Technologii Chemicznej prowadzone są badania nad efektywną separacją CO 2 z fazy gazowej oraz intensyfikacji wymiany masy w reaktorze z wirującą warstwą cieczy typu SFR (Żurawska, Hupka et al. 2006). Konstrukcja reaktora z wirującą warstwą cieczy umożliwia uzyskanie silnie rozwiniętej powierzchni międzyfazowej, jak również dużego stosunku strumieni fazy gazowej do fazy ciekłej przy zachowaniu małych gabarytów urządzenia (Hupka, Dąbrowski et al. 2005; Bokotko, Hupka et al ). Za opracowanie i zbudowanie reaktora z wirującą warstwą cieczy nasz zespół zdobył Grand Prix w konkursie towarzyszącym Targom Techniki Przemysłowej, Nauki i Innowacji TECHNICON INNOWACJE Pomimo szerokiego zastosowania technologicznego amin w procesie usuwania CO 2 z mieszanin gazowych, wykazują one szereg wad: wymagają wysokich nakładów energetycznych (etap regeneracji absorbentu), korozyjność amin (stosuje się inhibitory 234

234 korozji, jednak są one toksyczne), degradacja amin (aminy wchodzą w reakcje z CO 2 tworząc trwałe produkty) oraz ich toksyczność. W procesie absorpcji fizycznej, CO 2 może być fizycznie absorbowany przez rozpuszczalnik zgodnie z prawem Henry ego i regenerowany przez redukcję ciśnienia lub wzrost temperatury. W przypadku stosowania absorpcji fizycznej stosowane są systemy oparte na technologiach firmowych (opatentowanych) m.in. Selexol, Rectisol (Mazurkiewicz, Uliasz-Bocheńczyk et al. 2005). Alternatywę stanowią metody adsorpcyjne głównie tzw. adsorpcja naprzemienna, w przypadku, których w zależności od sposobu regeneracji adsorbentu wyróżnia się metody zmiennociśnieniowe, zmiennotemperaturowe lub zmiennoelektryczne. Do adsorpcji CO2 stosuje się m.in. węgiel aktywowany, węglowe i zeolitowe sita molekularne, korund oraz żel glinowy i krzemionkowy. W wyniku przepuszczania biogazu przez adsorbent następuje separacja wielu składników z surowego biogazu z wyjątkiem metanu. Adsorpcja efektywniej przebiega, gdy jest niska temperatura oraz wysokie ciśnienie. Ograniczeniem stosowalności tej metody jest jednak mała selektywność i pojemność dostępnych absorbentów. Konkurencyjnymi stają się więc metody membranowej separacji gazów wykorzystujące różną przepuszczalność pary wodnej, H 2, N 2, H 2S i CO 2 w stosunku do przepuszczalności CH 4 przez membrany lite (nieporowate) lub porowate nośniki immobilizowane ciekłymi absorbentami. Na uwagę zasługuje fakt, że separacja membranowa charakteryzuje się bardzo niskim zużyciem energii w porównaniu do innych metod (0,04-0,07 kwh/kg CO2 separacja na membranach, 0,3 do 0,8 kwh/kg CO 2 absorpcja chemiczna) (Kotowicz i Janusz 2007). Zastosowanie unieruchomionych ciekłych membran w procesach separacyjnych umożliwia ograniczenie ilości ciekłego absorbentu. Najczęściej stosowanymi nośnikami są polimery: octanu celulozy (CA), polisulfony (PS), poliimidy (PI), polipropylen (PP) oraz poli(fluorek winilidenu) (PFV). W przypadku membran porowatych stosuje się także nośniki ceramiczne, węglowe, metalowe oraz wykonane z zeolitów. Rozdział gazów na membranach litych jest wynikiem różnicy w fizykochemicznych oddziaływaniach pomiędzy składnikami mieszaniny gazów a polimerowym materiałem membrany (Kotowicz i Janusz 2007). Siłą napędową w procesie przenikania gazów jest różnica stężeń strumieni gazów po obu stronach membrany. Absorpcyjne membrany gazowe są mikroporowatymi ciałami stałymi, które umożliwiają przeniesienie składników gazowych do cieczy absorbującej ten składnik. Oddzielanie jest wynikiem selektywnej absorpcji pewnych składników ze strumienia gazu. 235

235 Dwutlenek węgla przenika przez pory membrany i ulega fizycznemu lub chemicznemu związaniu w cieczy absorpcyjnej. Właściwy dobór fazy membranowej decyduje o efektywności membrany ciekłej. Związek absorbujący powinien posiadać zdolność do selektywnego i odwracalnego wiązania jednego ze składników roztworu zasilającego, szybkimi reakcjami wiązania i uwalniania przenoszonej substancji oraz dobrą rozpuszczalnością w membranie. Fazę immobilizowaną na membranie często stanowią aminy, (których wady przedstawiono powyżej) oraz rozpuszczalniki, np. czterochlorek węgla, dichlorometan, chloroform, chlorobenzen, mezytylen. Podstawowymi negatywnymi cechami rozpuszczalników jest ich znaczna lotność, palność oraz toksyczność. Dlatego też dąży się do wyeliminowania tych związków i zastąpienia ich bardziej przyjaznymi środowisku. Nowoczesnym podejściem do separacji CO 2 z biogazu jest zastosowanie cieczy jonowych jako materiału absorpcyjnego. Ciecze jonowe określane są mianem nowych, obiecujących rozpuszczalników, alternatywnych do obecnie stosowanych mediów reakcyjnych. Związki te w temperaturze poniżej 100 o C są cieczami i generalnie charakteryzują się niemierzalną prężnością pary. Szczególnie niska lotność oraz niepalność stawia je w roli alternatywnych rozpuszczalników, które mogą być wykorzystane na szeroką skalę przemysłową bez niebezpieczeństwa emisji do atmosfery (Sheldon, Lau et al. 2002). Absorpcja CO 2 z zastosowaniem cieczy jonowych wykazuje zalety zarówno procesu absorpcji fizycznej jak i chemicznej czyli: duża pojemność sorpcyjna, stabilność termiczna w szerokim przedziale temperaturowym, niska utrata rozpuszczalnika (niemierzalna prężność pary), minimalny problem korozji, niskie nakłady energetyczne. Wszystkie te cechy składają się na wysoką wydajność procesu absorpcji. Ponadto modyfikacja budowy kationu i wybór anionu oraz ich kombinacja, a w konsekwencji udoskonalanie fizycznych i chemicznych właściwości cieczy jonowych spełnia technologiczne wymagania i dostarcza współczesnej technologii, a zwłaszcza przemysłowi chemicznemu, nowe, ukierunkowane na określony cel media. Szczególna rolę w procesach separacji CO 2 ze strumieni gazowych, mogą odegrać imidazoliowe pochodne cieczy jonowych zawierające w swojej strukturze atom fluoru, które selektywnie absorbują CO 2 przy jednoczesnej niewielkiej ko-absorpcji innych gazów. Wartości stałych Henry ego wyznaczone dla poszczególnych gazów w tych cieczach jonowych, przedstawiają się następująco: CO 2 < C 2H 4 < C 2H 6 < CH 4 < N 2 < O 2 < CO < H 2. Przykładowo wartości stałej Henry ego dla CO 2 kształtuje się na poziomie 38 [10 5 Pa] a dla CH 4 to 650 [10 5 Pa], N 2, O 2, CO wykazują wartości rzędu 1000 [10 5 Pa] natomiast dla H 2 wartości te oscylują nawet do 4000 [10 5 Pa] (Jacquemin, Costa Gomes et al. 2006; Ilconich, Myers et al. 2007; Myersa, Pennlinea et al. 2008). Należy tutaj zwrócić uwagę na znaczną rozbieżność dostępnych w literaturze danych dotyczących poszczególnych gazów. Przykładowo wartości stałej Henry ego dla CO 2 w heksafluorofosforanie 236

236 1-butylo-3-metyloimidazoliowym [BMIM][PF 6] wahają się od 1,2 do 55,2 MPa w 20 o C. Ponadto dotychczas nie wyznaczono stałych Henry ego dla takich gazów wchodzących w skład biogazu jak NH 3 i H 2S. Ponieważ temat separacji membranowej wspomaganej cieczami jonowymi jest nowy nie opublikowano dotychczas wystarczających danych dotyczących selektywności, efektywności oraz stabilności takich membran. Dotychczas przeprowadzone badania dotyczą głównie zastosowania polimerowych nośników. Nie rozpatrzono możliwości zastosowania jako nośników innych materiałów np. ceramiki, która gwarantuje odporność na korozję, uszkodzenia mechaniczne oraz możliwość stosowania wysokich temperatur procesu separacji. Ograniczeniem wdrożenia badań na obecnym etapie może być wysoka cena produkcji cieczy jonowych. Dlatego też zasadnym jest ocena możliwości zastosowania cieczy jonowych o różnym stopniu wilgotności, jak również ich wodnych roztworów, jako efektywnych absorbentów CO 2. Badania dotyczące wodnych roztworów nie były dotychczas realizowane. Jak wynika z krótkiego omówienia literatury postawiony problem jest zagadnieniem nowym i wpisuje się w tematykę energetyki rozproszonej. Przedstawiony w projekcie problem jest nowy, zarówno w skali krajowej jak i światowej i dotyczy rozwoju gospodarczego Polski. Wiele grup badawczych pracuje nad nowymi metodami syntezy, procedurami analitycznymi oraz oceną oddziaływania na środowisko tej grupy związków. W Polsce, według naszej wiedzy, jesteśmy pierwszym zespołem zajmującym tematyka absorpcji CO 2 za pomocą cieczy jonowych. Fotokonwersja dwutlenku węgla do lekkich węglowodorów. Proponowane badania charakteryzują się nowatorskim podejściem w porównaniu do dotychczasowych rozwiązań. Po pierwsze, uwaga badawcza została skoncentrowana na fotokatalizatorach nowej generacji o wysokiej aktywności w świetle widzialnym/słonecznym. Dotychczasowej rozwiązania koncentrują się prawie wyłącznie na fotokatalizatorach aktywnych w świetle UV, co praktycznie wyklucza zastosowanie w aspekcie paliwowoenergetycznym. Po drugie, badania będą realizowane uwzględniając fotoreaktory zarówno dla fazy gazowej, jak i ciekłej, a także biorąc pod uwagę charakterystykę reaktora. Takie podejście umożliwia szerokie spektrum działań badawczych, których celem ma być późniejsza komercjalizacja uzyskanych wyników. Technologia diagnostyki i katalizy spalania biednych mieszanek biogazowych w silnikach i turbinach spalinowych 237

237 Sondy Langmuir a są używane, w celu charakteryzacji plazmy generowanej we froncie spalania patrz np. [ 105 ], jak i w celu identyfikacji momentu pojawienia się frontu spalania [ 106 ]. Jedną z pierwszych prób zastosowania sondy Langmuir a do diagnostyki silników było wykorzystanie świecy zapłonowej jako sondy umożliwiającej ciągłą kontrolę spalania przez Honda R&D Co. i NGK spark Plug Co. [ 107 ]. Ostatnio, sondy elektryczne zostały użyte w celu wyznaczenia lokalnej wartości współczynnika ekwiwalencji (paliwo/powietrze) na wstępnym etapie rozwoju płomienia [ 108 ] oraz w celu określenia sprawności spalania w silnikach spalinowych poprzez powiązanie sygnału sondy z maksimum ciśnienia [ 109 ]. Można zauważyć wzrost intensywności badań nad czujnikami ciśnienia w cylindrach silników opartych na pomiarze prądu jonowego za pomocą świecy zapłonowej [ 110, 111 ]. Sygnał sondy był również pomocny w ocenie odległości zaniku płomienia (quenching distance) w procesie czołowego kontaktu frontu spalania z powierzchnią [ 112 ]. W pracy podjęto również nowe zagadnienie oddziaływania płomienia z powierzchniami ciał stałych i procesów katalitycznych. Nowe materiały, nanowarstwy i ich wpływ na proces palenia są niezwykle interesującym zakresem badań. Opracowanie materiałów oraz technologii wytwarzania kluczowych elementów układów ORC. Materiały ceramiczne to szczególnie atrakcyjna grupa dla zastosowań w energetyce. Zebrane w tabeli dane dla wybranych właściwości różnych materiałów ceramicznych wykazują, że wszystkie wymienione materiały ceramiczne mają niski ciężar właściwy, wysokie moduły sprężystości, wysoką temperaturę topnienia (przez to znakomitą wytrzymałość na pełzanie w temperaturze 1000 C) [ 113, 114, 115, 116 ]. 105 Fialkov A.B., 1997, Prog. Energy Combust. Sci, Conzelmann G., Knapp H., 1961, MTZ Motortechnische Zeitschrift, Shimasaki Y., et al., 1993, Automotive Engineering 101 July, p Yoshimaya, S. i E. Tomita, 2000, Fundamental study on combustion diagnostics using a spark plug as an ion probe, SAE Paper Moudden, Y., A.-K. Seghouane i O. Boubal, 2002, Computers & Interf Holmberg U. i M.Hellring, 2003, Transactions of the ASME, Małaczyński G.W., D.B.Miller i S.L.Melby, 2005, Low Volatility Fuel Delivery Control during Cold Engine Starts, SAE Report 05P Sotton, J., S. A. Labuda, et al., 2004, Ionization probe measurements of quenching distance, 30 th Int. Symp. on Combustion, W-I-P, p M.F. Ashby, D.R.H Jones: Materiały inżynierskie. Właściwości i zastosowania, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa R. Pampuch: Współczesne materiały ceramiczne, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dytaktyczne AGH, Krakow

238 Najlepsze do pracy w wysokich temperaturach (np. elementy kotłów) wydają się być materiały o wiązaniach kowalencyjnych, takie jak węglik krzemu, azotek krzemu czy sialony (SiAlON). Ich odporność na pełzanie jest znakomita, a mała rozszerzalność i duże przewodnictwo cieplne sprawia, że są bardzo odporne na nagłe zmiany temperatury. Mogą być formowane przez prasowanie na gorąco z proszków lub przez azotowanie krzemu, który został wcześniej sprasowany do odpowiedniego kształtu. W obu metodach precyzyjne kształty (np. łopatki wirnika) mogą być wytwarzane bez kosztownej obróbki mechanicznej. Materiałów ceramicznych, charakteryzujących się wysokimi temperaturami mięknięcia i niską gęstością, nie można stosować w silnikach lotniczych ze względu na wysoką kruchość. Jednak stosuje się je w turbinach pracujących na ziemi, gdzie ryzyko i konsekwencje nagłego uszkodzenia wiążą się z mniejszym niebezpieczeństwem. Tab. D3. Nieco inaczej kształtują się wymagania stawiana materiałom przeznaczonym na łożyska. W poprawnie działającym i dobrze smarowanym łożysku poprzecznym właściwości cierne i odporność na zużycie materiału nie są istotne, co brzmi zaskakująco. Jest tak, ponieważ współpracujące powierzchnie są oddzielone od siebie cienką, pozostającą pod ciśnieniem, warstwą oleju tworząca się w warunkach smarowania hydrodynamicznego. W warunkach idealnego smarowania hydrodynamicznego ma styku między tymi powierzchniami nawet na wierzchołkach nierówności, nie wystąpi zatem zużycie materiału. Wielkość współczynnika tarcia w warunkach smarowania hydrodynamicznego wynosi około 0,001-0,005. W praktyce jednakże w łożysku występują zwykle zanieczyszczenia, które wpływają na prace łożysk. 115 W. Włosiński, K. Pietrzak, D. Kaliński, M. Chmielewski, A. Branicka, Wstępne opracowanie charakterystyk materiałowych pod kątem zastosowań w mikrosiłowniach, Opracowanie wewnętrzne PW, Warszawa, L.A. Dobrzański: Podstawy nauki o materiałach i materiałoznawstwo, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Gliwice-Warszawa

239 Podobne zjawiska zużycia materiałów współpracujących mogą występować w przypadku łożysk gazowych. Lotne drobiny zawarte w medium gazowym mogą powodować zużywanie się powierzchni współpracujących materiałów. Opisane w literaturze rozwiązania tego problemu sprowadzają się do utwardzania powierzchni czopa, stosując specjalne obróbki cieplne lub cieplno-chemiczne, przy jednoczesnym wykonaniu panewki łożyska z materiału miękkiego. Miękki metal powinien zapewnić wchłonięcie twardych cząstek i uniemożliwienie im zużywania obracających się elementów. Jednak w praktyce łożyska przenoszą pewne obciążenia mechaniczne i stąd stosowanie materiałów miękkich, a co za tym idzie charakteryzujących się niską wytrzymałością mechaniczną, może być wykluczone. Dlatego też, w przypadkach znacznych obciążeń panewki wykonuje się z materiału twardego, a ich powierzchnię pokrywa się cienką warstwą materiału miękkiego. Ponieważ cienka warstwa wykonana np. ze stopu ołowiu może w ciężkich warunkach pracy ulec zużyciu przed osiągnięciem nominalnego czasu pracy łożyska, zwykle umieszcza się między nią a podłożem warstwę wykonaną z twardszego materiału, która zabezpiecza przed natychmiastowym zniszczeniem czopa łożyska patrz Rys. D13. Rys. D13. Schemat przekroju wielowarstwowej panewki łożyska [ 95 ]. Nowe materiały funkcjonalne dla elementów układów kogeneracyjnych. W ostatnich latach w literaturze światowej (zwłaszcza wśród autorów z USA i Japonii) obserwuje się rosnące zainteresowanie procesem wykonywania pokryć bezpośrednio z fazy aerozolowej. Wynika to z wielu korzyści technologicznych i ekonomicznych takiego procesu, m.in.: 1. Możliwości osiągnięcia większej czystości warstwy (zawartość zanieczyszczeń w gazie jest na ogół mniejsza niż w cieczach, ponadto krople aerozolu mogą zawierać substancję czynną (nakładaną) wolną od zanieczyszczeń). 2. Łatwiejszej kontroli nad przebiegiem procesu (wielkość osadzanych cząstek, struktura krystaliczna, stopień aglomeracji, porowatość, stosunek stechiometryczny i inne właściwości mogą w łatwiejszy sposób być kontrolowane niż w przypadku procesów przebiegających w elektrolitach lub innych rozpuszczalnikach, np. organicznych). 3. Niższych kosztów procesu (procesy przebiegające w atmosferze gazu są na ogół tańsze niż w próżni, wymagającej drogiej aparatury próżniowej; ponadto prędkość wzrostu warstwy z fazy aerozolowej jest większa niż warstwy nanoszonej próżniowo). 240

240 4. Uniwersalności procesu (Złożone struktury, w tym powłoki kompozytowe, mogą być wytwarzane w prosty sposób poprzez zmianę składu nanoszonego materiału lub dostarczanie mieszaniny nakładanych komponentów, bez koniczności wymiany cieczy, w której przebiega proces; ponadto wymiana gazu, w którym przebiega proces, o ile jest konieczna, jest łatwiejsza i szybsza niż wymiana środowiska cieczowego). 5. Możliwości selektywnego nanoszenia struktur o wymiarach mniejszych od 1 mikrometra drogą "drukowania" kropla-po-kropli' z różnych materiałów. Nowatorskość proponowanego podejścia zawiera się również w tym, że do celów nanoszenia warstw aerozol generowany jest metodą elektrohydrodynamiczną. Dzięki tej metodzie, krople cieczy lub cząstki stałe posiadają ładunek elektryczny, co pozwala na sterowanie procesem osadzania za pomocą pola elektrycznego, włączając w to możliwość ogniskowania wiązki cząstek lub kropel w wybranych punktach. Ładunek elektryczny powoduje także, że większa jest skuteczność osiadania kropel na pokrywanej powierzchni i większa jest jednorodność otrzymanej warstwy. Wielkość kropel wytworzonych elektrohydrodynamicznie może być znacznie mniejsza niż w tradycyjnych metodach rozpylania (< 1 m), co jest szczególnie cenne w zastosowaniach nanotechnologicznych. W literaturze światowej istnieje jeszcze niewiele prac poświęconych tej dziedzinie. Zarówno proponowane w celu wykonania zadania metody badawcze jak i przyjęte w do badań rozwiązania materiałowe uwzględniają najnowsze wyniki naukowe oraz są zgodne z obserwowanymi obecnie trendami w zakresie inżynierii materiałowej. Ponadto, doświadczenia wiodących światowych laboratoriów zajmujących się podobną tematyką potwierdzają, że do celów badań podstawowych w skali laboratoryjnej, stosowanie laserowych technik preparacji materiałów jest uzasadnione możliwością dokładnego wyboru warunków preparacji oraz stosunkowo niskimi kosztami badań, w porównaniu z technikami np. plazmowymi. Warunki realizacji zadania zapewnione są w doskonale wyposażonym Laboratorium Laserowym IMP PAN. Podsumowując przedstawione informacje można stwierdzić, że nowoczesność rozwiązań proponowanych przez grupę zespołów realizujących 7 blok tematyczny sprowadza się przede wszystkim do: zastosowania cieczy jonowych jako materiału absorpcyjnego w procesie oczyszczania biogazu; zastosowania fotokatalizatorów nowej generacji o wysokiej aktywności w świetle widzialnym/słonecznym; uwzględnienia fotoreaktory zarówno dla fazy gazowej, jak i ciekłej, a także biorąc pod uwagę charakterystykę reaktora; określenia składu plazmo chemicznego płomieni w biednych mieszankach węglowodorowych, metod diagnostyki oraz stabilizacji ich spalania; 241

241 zastosowania elektrohydrodynamicznej metody nanoszenia aerozolu w celu tworzenia warstw; zastosowanie nowoczesnych laserowych metod tworzenia i badania warstw katalitycznych (np. TiO 2 i in.). 19. Blok tematyczny 8 - Integracja energetyki rozproszonej z siecią elektroenergetyczną W tym bloku podejmujemy najbardziej aktualne kierunki badań w dziedzinie integracji energetyki rozproszonej oraz związanych z tym kwestii ekonomicznych. Proponowane rozwiązania wpisują się w ogólne trendy rozwojowe innowacyjnej energetyki w UE i USA. Są one w dużym stopniu ukierunkowane na konwergencję energetyki i rolnictwa, wykazującą coraz większą siłę rynkową. Na świecie i w Polsce może ona pobudzić do rozwoju obszary (społeczności) w dużym stopniu pozbawione udziału w rozwoju cywilizacyjnym. Na przykład polski rynek biogazowni energetyczno-utylizacyjnych (o mocach 0,5, 1,0, 1,5 MW el ), które skokowo przyspieszą postęp w uprawach rolnych oraz zapewnią bezpieczeństwo ekologiczne wielkotowarowych gospodarstw hodowlanych, czyli zwiększą bezpieczeństwo żywnościowe kraju, a także bezpieczeństwo energetyczne gmin wiejskich, można oszacować na około 3 tys. instalacji. Rynek mikrobiogazowni utylizacyjnych (o mocach 10, 25, 50 kw el), które zapewnią bezpieczeństwo ekologiczne i energetyczne produkcyjnych gospodarstw rolnych, na około 100 tys. instalacji. To stawia całkowicie nowe wymagania techniczne w obszarze kształtowania sieci rozdzielczych, które stopniowo będą się przekształcać z sieci pracujących jako otwarte (jednostronnie zasilane) w lokalne systemy elektroenergetyczne, o coraz bardziej zrównoważonym bilansie zapotrzebowania i produkcji (w źródłach rozproszonych). Proponowane rozwiązania, wpisujące się w ogólne trendy rozwojowe innowacyjnej energetyki w UE i USA, nigdzie nie osiągnęły jeszcze pełnej dojrzałości technologicznej i organizacyjnej, nie są oferowane na rynku i nie istnieją doświadczenia biznesowe z ich wdrażania do praktyki gospodarczej oraz doświadczenia eksploatacyjne z ich stosowania. Podkreśla się przy tym, że planowane badania uwzględniają nie tylko innowacje produkcyjne (technologiczne), ale także potencjał innowacji organizacyjnych i procesowych (tak jak to się robi już dosyć powszechnie na świecie dla inwestycji Private Equity i Venture Capital poza energetyką). Potencjał synergii innowacyjności technologicznej, organizacyjnej i procesowej w segmencie instalacji biogazowych/mikrobiogazowych daje możliwość zarządzania ryzykiem w łańcuchu wartości charakterystycznym dla tego segmentu, który obejmuje: (1º) nakłady inwestycyjne (ceny dóbr inwestycyjnych), (2º) koszt kapitału (stopy procentowe, inflacja, podatki), (3º) koszt substratów (ceny substratów), (4º) przychody ze sprzedaży 242

242 energii i paliw (ceny energii i paliw), (5º) koszty zewnętrzne (systemy wspomagania OZE oraz redukcji CO 2 ). Konkretne rozwiązania, na przykład ukierunkowane na integrację mikrosystemu - Gospodarstwo rolne prosumenta (energetycznego)- ze Smart Gridem (integracja z silnoprądową siecią elektroenergetyczną rozdzielczą, zarządzaną przez Operatora Systemu Dystrybucyjnego - i przede wszystkim z infrastrukturą teleinformatyczną służącą do zarządzania /Smart Grid/-em, w którego tworzeniu OSD będzie uczestniczył), a także ukierunkowane na stworzenie sieci franchizowej mikrobiogazowni/mikroelektrowni mają potencjał rozwiązań początkujących zmiany strukturalne w energetyce i rolnictwie w Polsce. E. Proponowany program komercjalizacji oczekiwanych wyników zadania badawczego (H 53) stan na 2010 r. 20. Program komercjalizacji w Grupie ENERGA Niezwykle ważny element niniejszej oferty stanowi udział w badaniach przemysłowych i rozwojowych partnerów przemysłowych, w tym zwłaszcza Grupy ENERGA jako strategicznego partnera przemysłowego. Grupa ENERGA bezpośrednio dofinansowuje badania przemysłowe i rozwojowe w wysokości 38 mln zł, co oznacza niezwykle duże bezpośrednie zaangażowanie GRUPY w realizacje Zadania Badawczego, ale także stanowi gwarancję udziału firmy w przyszłych wdrożeniach. Program komercjalizacji wyników określony został w dwóch ważnych dokumentach Grupy ENERGA, a mianowicie: 1. Deklaracja poświadczająca zaangażowanie środków finansowych w realizację zadania badawczego oraz wdrożenie jego rezultatów 2. Propozycja modelu uczestnictwa Grupy ENERGA w strategicznym programie badań naukowych i prac rozwojowych. Przedmiotem szczególnego zainteresowania strategicznego partnera przemysłowego są: - układy kogeneracyjne zintegrowane z procesami konwersji biologicznej, zgazowania i pirolizy, - technologie oczyszczania biogazu dla układów o mocy elektrycznej w zakresie od ok. 0.5 MW do ok. 2.0 MW lub równoważnej energii zawartej w paliwie, 243

243 - technologie mikrobiogazowni przydomowych zintegrowane z układem kogeneracyjnym w typoszeregu o mocach od ok. 10 kw do ok. 50 kw, - technologie wspomagające układy ze spalaniem biomasy w skojarzeniu, np. dla układu realizowanego w Elblągu (20 MW) bądź w wersji ze spalaniem hybrydowym w Kaliszu, - technologie oparte na kogeneracji bądź poligeneracji, w tym ciepłowni poligeneracyjnych opartych na układach ORC, które spełniać powinny następujące założenia: a) okres produktywnego wykorzystania produktów zadania badawczego przewyższy 20 lat, b) zwrot z zainwestowanego kapitału własnego ukształtuje się na poziomie, dla którego wewnętrzna stopa zwrotu liczona dla 20 lat eksploatacji będzie nie niższa niż wartość przyjętego współczynnika dyskonta powiększonego o 15% (IRR kapitału własnego > (WACC+15 punktów procentowych), c) opracowanie technologii, uwarunkowania techniczne wdrożenia oraz organizacyjne procesów eksploatacji pozwolą na uzyskanie finansowania zewnętrznego lub dofinansowania na poziomie co najmniej 70% wartości planowanych nakładów inwestycyjnych (brutto), d) jednostkowe nakłady inwestycyjne projektów zadania badawczego nie będą przewyższać średnich nakładów jednostkowych, które ponoszone będą na budowę analogicznych instalacji w technologiach tradycyjnych, e) wdrażana technologia uzyska status patentu, którego właścicielem w stopniu proporcjonalnym do wkładu finansowego, będzie ENERGA S.A. Grupa ENERGA oczekuje, że produkty Zadania Badawczego nr 4, będą stanowiły wkład rozwojowy w realizowanych projektach i programach inwestycyjnych prowadzonych przez Energę SA: ENERGA BioGaz, ENERGA CHP, ENERGA ProGaz oraz Ostrołęka C, który oraz pozwolą zastąpić dotychczas stosowane rozwiązania techniczno-technologiczne w zakresie co najmniej 5% planowanych nakładów inwestycyjnych na lata Wartość produktywnego wdrożenia rozwiązań i produktów zadania badawczego oczekiwana przez ENERGA S.A, zgodnie z powyższym założeniem powinna wynieść nie mniej niż 220 mln zł. Podmioty uczestniczące w programie komercjalizacji ze strony Grupy ENERGA oraz schemat komunikacyjny IMP PAN ENERGA z podmiotami współpracującymi w zakresie programu komercjalizacji przedstawiają poniższe schematy. 244

244 Podmioty uczestniczące w programie komercjalizacji ze strony Grupy ENERGA Inne jednostki badawczorozwojowe Instytutem Energetyki Jednostka Badawczo-Rozwojowa Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie propozycje rozwiązań zgłaszane potrzeby Instytut Maszyn Przepływowych PAN Lider Konsorcjum ENERGA SA Partner przemysłowy ZEP MPS Energa BioGaz Energa Elektrownie Ostrołęka Energa Elektrociepłownia Elbląg Energa Elektrociepłownia Kalisz Schemat komunikacyjny Konsorcjum IMP-ENERGA z podmiotami współpracującymi w zakresie programu komercjalizacji 245

245 Efekty komercjalizacji wyników Zadania Badawczego. Plany rozwojowe Grupy ENERGA W ramach niniejszego zadania zaproponowany został pakiet innowacyjnych technologii, które aktualnie nie funkcjonują na rynku jako gotowe, komercyjnie dostępne rozwiązania. W szczególności do takich technologii należą: własna konstrukcja wielopaliwowego kotła dedykowanego do współpracy z siłowniami poprzez zastosowanie obiegu oleju termalnego; siłownie ORC zoptymalizowane pod względem efektywności energetycznej z zastosowaniem intensyfikacji wnikania ciepła w przemianach fazowych; własna konstrukcja turbiny wolnobieżnej dedykowanej do aplikacji w siłowni ORC; alternatywny ekspander dedykowany siłowniom ORC; własna technologia produkcji chłodu w oparciu o układy strumienicowe - dedykowana do współpracy z układami ORC poprzez wykorzystanie ciepła odpadowego; własna technologia rozproszonego systemu diagnostyki układów poligeneracyjnych w Gminnych Centrach Energetycznych, dająca szansę na bezobsługową pracę układów energetycznych. W roku 2014 Grupa ENERGA posiada zainstalowaną moc elektryczną około 1.3 MWe. Łączna produkcja w I kwartale 2014 osiągnęła poziom 1.3 TWh (w tym ok. 40% z OZE). Istotnym uwarunkowaniem dla możliwości komercjalizacji wyników projektu jest planowane do roku 2019 zwiększenie tej mocy do 3 918,9 MWe dzięki realizacji następujących programów: Ostrołęka C MWe, w tym w OZE 45 MWe Energa Pro-Gaz MWe Energa Biogaz 295 MWe Energa Wind 211 MWe Energa Hydro 102 MWe Energa CHP 84,5 MWe, w tym w OZE 29,5 MWe Energa Hydro MEW 1,8 MWe Pozwoli to uzyskać produkcję energii elektrycznej równą ,9 MWh (20% czyli ,8 MWh wytwarzane z OZE). W roku 2009 planowane nakłady na inwestycje w Grupie Energa wyniosą 884,2 mln PLN. Łącznie do roku 2019 na realizację zamierzeń rozwojowo inwestycyjnych przeznaczone zostanie mln PLN. 246

246 Z punktu widzenia możliwości komercjalizacji wyników projektu istotna jest zwłaszcza realizacja trzech programów: Energa Biogaz, Energa CHP oraz Energa Operator. Celem programu Energa Biogaz jest uczestnictwo Grupy Energa w realizacji przedsięwzięć w zakresie wytwarzania energii z biogazu o łącznej mocy nie mniejszej niż 300 MW do roku 2020 i obsługa tych przedsięwzięć w zakresie obrotu energią i świadectwami pochodzenia. Realizacja programu będzie następowała wg schematu co przyczyni się do wzrostu mocy w stosunku do aktualnego stanu o 294,7 MWe do roku 2019, przy czym pierwszy przyrost powinien nastąpić w Szacuje się, że w okresie program zaoferuje MWh, a wydatki poniesione na jego realizację wyniosą mln PLN, ustalając nakład jednostkowy równy 16,5 mln PLN/MWe. Z kolei celem programu Energa CHP jest odtworzenie posiadanego majątku produkcyjnego oraz rozbudowa posiadanych mocy wytwórczych w obszarze wytwarzania energii elektrycznej w skojarzeniu z ciepłem. Obecnie na program pozyskiwania energii w kogeneracji składają się następujące projekty: 1. ENERGA EC Elbląg Projekt BB20 Włączenie do eksploatacji w 2013 Przyrost mocy elektrycznej 19,5 MWe Nakład jednostkowy 13,1 mln PLN/MWe 2. ENERGA Elektrociepłownia Kalisz Projekt KT 2,0 Oddanie do użytkowania w 2012 Przyrost mocy elektrycznej 2 MWe Przyrost mocy cieplnej 10 MWt Nakład jednostkowy - 15 mln PLN/MWe 3. ENERGA Elektrownie Ostrołęka Elektrociepłownia A (odbudowa mocy) Oddanie do użytkowania w 2014 Odbudowa mocy elektrycznej 50 MWe Odbudowa mocy cieplnej 110 MWt Nakład jednostkowy 10,51 mln PLN/MWe 4. ENERGA Elektrownie Ostrołęka ITPO 117 Ostrołęka 117 ITPO Instalacja Termicznego Przekształcania Odpadów 247

247 Oddanie do użytkowania w 2014 Przyrost mocy elektrycznej 28 MWe Przyrost mocy cieplnej 108 MWt Nakład jednostkowy 43,0 mln PLN/MWe 5. ENERGA Elektrociepłownia Kalisz ITPO Kalisz Oddanie do użytkowania w 2014 Przyrost mocy elektrycznej 3,5 MWe Przyrost mocy cieplnej 7 MWt Nakład jednostkowy 30,8 mln PLN/MWe. Przewiduje się, iż w 2019 roku w obszarze CHP Grupy ENERGA roczna produkcja energii elektrycznej osiągnie poziom: ,7 MWh (w tym z OZE ,4 MWh), natomiast roczna produkcja energii cieplnej osiągnie poziom ,2 MWh. Na projekty zawierające się w programie przewidziane nakłady wyniosą 1 566,4 mln PLN. Celem programu Energa Operator jest efektywna rozbudowa i modernizacja sieci dystrybucyjnej dla zapewnienia możliwości przyłączenia nowych odbiorców i źródeł wytwórczych, zapewnienia nieprzerwanych dostaw energii oraz obniżenia strat w dystrybucji. Planowane nakłady łączne do roku 2019 w przybliżeniu wynosią ,7 mln PLN i przeznaczone zostaną między innymi na: przyłączanie do sieci odbiorców i wytwórców, zwiększenie niezawodności i jakości dostaw energii, ograniczanie kosztów różnicy bilansowej, skrócenie przerw w dostawie energii, rozwój łączności i systemów informatycznych, zakupy specjalistycznego sprzętu do prac na sieciach dystrybucyjnych. Wpływ komercjalizacji wyników Zadania Badawczego na rozwój biogazowni w Polsce. Program Grupa ENERGA jedna z największych polskich firm energetycznych jest jednym z pomysłodawców niniejszej oferty. Poprzez jedną ze Spółek wchodzących w skład Grupy (ZEP-MPS Sp. z o.o.) realizowany jest program ENERGA BIOGAZ, którego celem jest uczestnictwo Grupy Energa w realizacji przedsięwzięć w wytwarzaniu energii z biogazu o łącznej mocy nie mniejszej niż 300 MW. Program wdrażany jest według formuły , co oznacza, że w pierwszym etapie zostanie zrealizowanych 5 elektrowni 248

248 biogazowych, w drugim 50 i następnie 500. Budowa pierwszych 5 elektrowni ma za zadanie nabycie doświadczenia przy budowie i eksploatacji elektrowni biogazowych. Budowa będzie finansowana głównie ze środków własnych Grupy. Zakłada się realizację budowy elektrowni o mocy od 0,25 MWe do 2,00 MWe. Będą to biogazownie rolnicze, gminne oraz utylizacyjne. W efekcie realizacji Programu ENERGA BIOGAZ powstanie kilkaset biogazowni, z których część byłaby rynkiem zbytu na opracowaną technologię w ramach niniejszego Zadania Badawczego. Szacuje się, że mogłoby to oznaczać ponad 100 instalacji według opracowanej technologii. Ponieważ pozostałe wielkie grupy energetyczne takie jak PGE, ENEA i TAURON także planują budowę biogazowni, krajowy rynek na opracowaną technologię można liczyć kilkaset instalacji. Pokrywa się to z planami rządowymi, aby wspierać budowę biogazowni w Polsce i doprowadzić do powstania ich w liczbie około mocne uzasadnienie Wskazanym jest, aby budowane biogazownie były obiektami skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła (rozproszona kogeneracja). Taki układ pracy jest w dużej ilości przypadków warunkiem komercyjnej opłacalności budowy biogazowni. Dodatkowo, dla podniesienia ekonomiki przedsięwzięć w biogazownie, proponuje się rozważenie możliwości oczyszczania biogazu (w technologii niskonakładowej) w celu zatłoczenia go do sieci gazowniczej, a następnie wykorzystania w lokalizacji, gdzie możliwe jest generowanie energii elektrycznej i cieplnej. Pomorska Spółka Gazownictwa Sp. z o.o. będąca operatorem sieci dystrybucyjnej gazu ziemnego jest zainteresowana transportem oczyszczonego biogazu przez jej sieć. Rynek zagraniczny również jest bardzo interesujący. Na przykład w RFN działa obecnie ok biogazowni, a znaczna część z nich boryka się z trudnościami logistycznymi, powodującymi problemy finansowe. Tania technologia oczyszczania i zatłaczania gazu do sieci mogłaby tam także znaleźć zastosowanie w kilkuset instalacjach. W związku z istniejącym potencjałem rynkowym planuje się powołanie spółki typu spin-off, która dedykowana będzie wykorzystaniu opracowanej technologii w zastosowaniach komercyjnych. Efektywnie pracujące prototypy/instalacje demonstracyjno-testowe powinny znacząco ułatwić realizację tego zamierzenia i pozyskanie kapitału do spółki. Koncepcja ENERGETYCZNY DOM Interesującą wizję możliwej komercjalizacji wyników Zadania Badawczego przedstawia koncepcja ENERGETYCZNY DOM opracowana przez Grupę ENERGA. Istotę koncepcji przedstawia szkic poniżej. Koncepcja Energetyczny Dom wpisuje się w kompleksową ideę kogeneracji w otoczeniu inteligentnej sieci elektroenergetycznej 249

249 oraz czynników rynkowych wspierających promocję efektywnego wykorzystania energii. Potencjalne produkty biznesowe, będące wynikiem realizacji Zadania Badawczego, takie jak biogazownie domowe skojarzone z układami kogeneracyjnymi czy też ogniwa paliwowe mogą doskonale wpisywać się w przyszłościowe rozwiązania dotyczące energetycznego domu i tym samych wpisywać się w jakościowo nowe rozwiązania związane z kogeneracją rozproszoną w małej skali. Aktualnie trwają prace studyjne nad uruchomieniem tego programu. Koncepcja Energetycznego Domu jako przyszłościowego produktu biznesowego Grupy ENERGA 21. Deklaracje udziału pozostałych partnerów przemysłowych stan na maj 2010 Zainteresowanie wynikami Zadania Badawczego i współpracą z Konsorcjum wyraziło także szereg innych firm, które złożyły specjalne deklaracje w tej sprawie. Udział tych firm będzie jednakże poprzedzony odpowiednim postępowaniem przetargowym. Bumar Sp. z o.o., Warszawa. Firma deklaruje zamiar budowy 20 kompletnych bioelektrowni rolniczych różnej mocy. Jest zainteresowana współpracą z Konsorcjum. Prowadzone są rozmowy by BUMAR został głównym integratorem produkcji rozwiniętych w projekcie instalacji i technologii oraz usług serwisowych. Efektem udziału Bumaru w projekcie ma być, m.in.: 250

250 - Opracowanie Raportu Substytucji Przemysłowej produkcji standardu (typoszeregu) bio-elektrowni w Polsce możliwości projektowania, wytwarzania i kompletacji urządzeń zintegrowanych w oparciu o lokalne funkcje ochronne. - Budowa Pracowni Projektowania bio-elektrowni w oparciu o wybrany zakład grupy BUMAR. - Budowa nowoczesnych linii technologicznych wytwarzających urządzenia do produkcji energii elektrycznej i cieplnej ze źródeł odnawialnych oraz biokomponentów i biopaliw w wybranych zakładach Grupy BUMAR. Szczegóły finansowego udziału zostaną określone później (po ewentualnym wygraniu oferty) na podstawie odrębnych, szczegółowych umów. H. Cegielski, Sp. z o.o., Poznań, wyraża gotowość uczestnictwa w Zadaniu Badawczym w deklaruje zainteresowanie rozwojem silników na biogaz, zespołów prądotwórczych oraz kompletnych elektrowni, zarówno konstrukcji kontenerowej jak i posadowione w budynkach. Wstępnie planowane jest by instalacje pilotażowe były wyposażone w silniki tej firmy po uzgodnieniu warunków współpracy. Firma oczekuje, że wynikiem tej współpracy będzie rozwój firmy, pozyskanie nowych rynków zbytu, wzrost sprzedaży oraz osiągnięcie korzystnego wyniku finansowego. Szczegółowe zadania i zakres uczestnictwa w Zadaniu Badawczym zostanie określony odrębną umową. SYNGAZ sp. z.o.o. deklaruje udział w projekcie i zaangażowanie własnych środków na budowę instalacji pilotażowej do termicznej konwersji biomasy do wysokości 2 mln zł. Szczegóły zostaną ustalone drogą odrębnych umów. Energoserwis, Lublin, deklaruje udział w projekcie i zaangażowanie własnych środków na budowę instalacji pilotażowej do termicznej konwersji biomasy do wysokości 1 mln zł. Szczegóły zostaną ustalone drogą odrębnych umów. Gospodarstwo Rolne Komorowo, Sp z o.o., deklaruje udział w projekcie i zaangażowanie własnych środków finansowych w wysokości 2.5 mln zł na budowę instalacji pilotowej biogazowi rolniczo-utylizacyjnej. Szczegóły zostaną ustalone drogą odrębnych umów. Instytut Wdrożeń Technicznych INTECH, Spółdzielnia z siedzibą w Gdańsku, deklaruje udział w projekcie i zaangażowanie własnych środków finansowych w wysokości zł na budowę instalacji pilotowej wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w procesie konwersji biomasy. Szczegóły zostaną ustalone drogą odrębnych umów. PPHU Andrzej Kowal, Jędrzejów, deklaruje udział w projekcie i zaangażowanie własnych środków finansowych w wysokości zł na opracowanie założeń projektowych oraz wstępnego studium konstrukcyjnego na kotły odzyskowe do siłowni kogeneracyjnych. Szczegóły zostaną ustalone drogą odrębnych umów. 251

251 ZPHU Czary Gudan, Tomaszkowo, deklaruje udział w projekcie i zaangażowanie własnych środków finansowych w wysokości zł na opracowanie części projektowej instalacji pilotowej biorafinerii lignocelulozowej. Szczegóły zostaną ustalone drogą odrębnych umów. Firmy FERROX Sp. z o.o., WASKO SA Gliwice, Cementownia Odra i Dalkia Poznań, deklarują zainteresowanie wynikami projektu a szczegóły ich finansowego zaangażowania zostaną określone później drogą odpowiednich umów. Ponadto, partnerzy przemysłowi będą zapraszani do udziału w interesujących ich przetargach ogłaszanych w ramach projektu oraz informowani o planowanych konferencjach mających na celu popularyzację rezultatów projektu oraz wzmocnienie efektów komercjalizacji. 22. Komercjalizacja innych wyników Zadania Badawczego Zakłada się także komercjalizację tzw. miękkich efektów Zadania Badawczego. Możliwe są tu cztery ścieżki wdrożenia/komercjalizacji wyników. Pierwsza ścieżka będzie związana z udostępnieniem Ministerstwu Gospodarki i Urzędowi Regulacji Energetyki (bez zysku, ale z pokryciem kosztów przez beneficjentów) produktów wytworzonych w ramach badań (projektów: wytycznych przyłączania elektroenergetycznych źródeł wytwórczych do sieci OSD; wskazówek do planowania rozwoju, projektowania i eksploatacji sieci rozdzielczych; przewodnika metodycznego oceny wpływu rozwoju segmentu biomasowych technologii energetycznych na kształtowanie oddolnego filaru bezpieczeństwa eneregtycznego; przewodnika metodycznego oceny wpływu rozwoju segmentu biomasowych technologii energetycznych na realizację polskich celów Pakietu 3x20). Druga ścieżka (komercjalizacji wewnętrznej w Grupie ENERGA) będzie związana z realizacją strategii rozwojowej ENERGI SA (zatwierdzonej w 2007 roku przez władze korporacyjne, mianowicie przez Ministerstwo Skarbu). Trzecia ścieżka będzie powiązana ze sprzedażą know how przez podmioty realizujące Projekt do szerokiego otoczenia biznesowego, w tym do korporacyjnych przedsiębiorstw energetycznych (elekroenergetycznych, gazowniczych, ciepłowniczych i innych). Czwarta ścieżka będzie związana z komercyjną homologacją/certyfikacją, przez Instytut Elektrotechniki (posiadający odpowiednie uprawnienia) na zgodność z polskimi normami i unijnymi wymaganiami urządzeń/instalacji wytwarzanych przez dostawców na szerokim rynku dóbr inwestycyjnych dla segmentu mikrobiogazowni/mikroelektrowni. 252

252 F. Wykaz i Karty Instalacji demonstracyjnych. Aktualny stan zaawansowania. 23. Wykaz instalacji z podziałem na Wykonawców Szczegółowe informacje o stanie zaawansowania prac są na bieżąco raportowane do NCBiR. W punkcie 25 niniejszego opisu przedstawiono informację o stanie zaawansowania instalacji na koniec grudnia 2014 roku. Ogólny opis planowanych instalacji pilotażowych został przedstawiony w części A rozdział 5. Poniżej przedstawiony jest wykaz głównych instalacji w formie zbiorczej tak jak będą one realizowane z podziałem na wykonawców i współwykonawców a także z uwzględnieniem instalacji mniejszych. Pierwsze trzy instalacje to sztandarowe instalacje Zadania 4. INSTALACJA NR 1 Kompleks kogeneracyjny oparty na kotle wielopaliwowym z układem ORC o mocy turbogeneratora 0.2 MWe (Etap 12). Wykonawca: ENERGA (ENERGA Kogeneracja Nejman), Współwykonawcy: IMPPAN (Lampart), PKr (Taler), PŚl (Cholewa), ZUT (Stachel). INSTALACJA NR 2 Kompleks kogneracyjny przystosowany dla zakładów przetwórstwa biomasy (Etap 11). Wykonawca: ENERGA (ENERGA SA Hyrzyński) Współwykonawcy: IMPPAN (Lampart/Cenian), UWM (Piętak), UW (Bajer), MTF (Dudyński). INSTALACJA NR 3 Układ kogeneracyjny gazowo/parowy z silnikiem /turbiną gazową i układem ORC (Etap 13). Wykonawca: IMPPAN (Lampart), Współwykonawcy: UWM (Piętak). INSTALACJA NR 4 Mikrobiogazownie pilotażowe fermentacyjne o mocy kwe (Etap 16). Wykonawca: IMPPAN (Cenian), Współwykonawcy: PG (Hupka/Aranowski), PŚl (Popczyk/Cebula). INSTALACJA NR 5 Mikrobiogazownia pilotażowa pirolityczna o mocy kwe (Etap 17). 253

253 Wykonawca: IMPPAN (Kardaś/Cenian) INSTALACJA NR 6 Instalacja powietrznego zgazowania biomasy w złożu stałym o mocy ~500kW (Etap 19). Wykonawca: IMPPAN (Kiciński), Współwykonawcy: IChPW (Ściążko). INSTALACJA NR 7 Instalacja pilotażowa układu zgazowania pirolitycznego odpadów komunalnych i ściekowych z siłownią kogeneracyjną (Etap 25). Wykonawca: IMPPAN (Cenian), Współwykonawcy: PCz (Elsner), IBWM (Borecki). INSTALACJA NR 8 Biorafineria lignocelulozowa (Etap 31,32,33). Wykonawca: IMPPAN (Kiciński), Współwykonawcy: UWM (Gołaszewski), IChTJ Warszawa (Chmielewski), UJ Kraków (Góra), IKiFP PAN Kraków (Nattich), IPiEO Warszawa (Malinowski), PW Warszawa (Szewczyk), PG (Lieder), IMPPAN (Kardaś), IUNG-PIB Puławy (Pudełko). INSTALACJA NR 9 Instalacja oczyszczania biogazu i odzysku ciepła na bazie metody SFR (Etap 34-36). Wykonawca: ENERGA (ENERGA BIO Nenartovic), Współwykonawcy: PG (Hupka). INSTALACJA NR 10 Instalacja oczyszczania syngazu (Etap 37). Wykonawca: IMP PAN (Cenian), Współwykonawcy: MTF (Dudyński), UW (Bajer). INSTALACJA NR 11 Instalacja prototypowa do rozproszonej produkcji wodoru z biogazu w plazmie wyładowania mikrofalowego (Etap 39-40). Wykonawca: IMP PAN (Mizeraczyk/Jasiński). INSTALACJA NR 12 Układ mikro-chp ze stosem SOFC o mocy 2.5 kw (Etap 47). 254

254 Wykonawca: IMP PAN (Kiciński), Współwykonawcy: IEn (Golec). 24. Karty instalacji Dla planowanych instalacji demonstracyjnych założone zostały tzw. KARTY INSTALACJI w których szczegółowo analizowany będzie postęp prac oraz wskaźniki finansowe i ekonomiczne wraz z analizą SWOT. Poniżej przedstawiona została przykładowa Karta Instalacji nr 1. Pozostałe karty nie zostały tu zamieszczone z uwagi na objętość niniejszego dokumentu. Są one oczywiście w każdej chwili dostępne. KARTA INSTALACJI NR 1 ŻYCHLIN 255

255 Nazwa podmiotu realizującego: Nazwa Podprojektu: ETAP 12 Budowa pilotażowego układu kogeneracyjnego w Żychlinie (kocioł wielopaliwowy, układ ORC) powiązanego funkcjonalnie z koncepcją modernizacji lokalnych ciepłowni do układów skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej. W ramach Programu: Program Strategiczny Badań Naukowych i Prac Rozwojowych Zaawansowane technologie pozyskiwania energii Zadanie Badawcze nr 4 Opracowanie zintegrowanych technologii wytwarzania paliw i energii z biomasy, odpadów rolniczych i innych Imię i nazwisko Kierownika Ireneusz Mydło Podprojektu Nazwa dokumentu: Założenia Podprojektu Nazwa kodowa podprojektu: 12. Nazwa kodowa programu: ENERGA-IMP Data opracowania dokumentu: Przyczyny powołania podprojektu Podprojekt jest częścią Bloku Tematycznego nr 1 Siłownie poligeneracyjne (systemy produkcji energii elektrycznej, ciepła i chłodu) zintegrowane z układami produkcji paliw z biomasy Zadania Badawczego nr 4 Opracowanie zintegrowanych technologii wytwarzania paliw i energii z biomasy, odpadów rolniczych i innych realizowanego przez konsorcjum ENERGA SA i Instytut Maszyn Przepływowych PAN w ramach Programu Strategicznego Badan Naukowych i Prac Rozwojowych Zaawansowane technologie pozyskiwania energii. W ramach zakresu zadania badawczego podprojekt przewiduje budowę kotła biomasowego opalanego zrębkami (paliwo podstawowe) i trocinami, korą peletami ze słomy (paliwa alternatywne) i układu kogeneracyjnego na bazie ORC dla pokrycia zapotrzebowania na ciepło w okresie letnim. Układ ten będzie pracował także w okresie zimowym. Zakładana moc w paliwie to 1,8 MWt, elektryczna 0,24 MWe, grzewcza 1,2 MW t.). Definicja podprojektu Cele Podprojektu Celem podprojektu jest budowa instalacji pilotażowej siłowni biomasowej w Żychlinie z kotłem wielopaliwowym i układem ORC. Instalacja ta stanowi element kompleksowej 256