Spalanie biomasy drzewnej, a oddziaływanie na środowisko - instalacje małej i średniej mocy

Transkrypt

1 Spalanie biomasy drzewnej, a oddziaływanie na środowisko - instalacje małej i średniej mocy II KONFERENCJA NAUKOWA DREWNO POLSKIE OZE, Kraków 8 grudnia 2016 r. Fundacja na Rzecz Zrównoważonego Rozwoju Człowiek Środowisko Ekonomia Dr inż. Krystyna Kubica Polska Izba Ekologii

2 Zakres Instalacje spalanie biomasy małej mocy (ISMM; ang. SCIs ) Biomasa drzewna, stałe biopaliwa technologia spalania w SCIs Emisje zanieczyszczeń Instalacje małej mocy opalane stałymi biopaliwami - techniki spalania - pierwotne i wtórne metody ograniczenia emisji zanieczyszczeń Rozwiązania BAT SCIs kotły opalane stałymi biopaliwami Regulacje prawne MCP spalanie biomasy

3 Prawodawstwo źródła spalania Źródła przemysłowe: Dyrektywy UE dla LCP (>50MW), MCP (1-50MW), w sprawie spalania odpadów Uregulowania krajowe Rozporządzenie MŚ z 14 listopada 2014 Instalacje pozaprzemysłowe, rozproszone Instalacje spalania małej mocy 1MW; ROZPORZĄDZENIE KOMISJI (UE) 2015/1185 z dnia 24 kwietnia 2015 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla miejscowych ogrzewaczy pomieszczeń na paliwo stałe, L 193, 76 ROZPORZĄDZENIE KOMISJI (UE) 2015/1189 z dnia 28 kwietnia 2015 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla kotłów na paliwo stałe, Dz.Urz. Unii Europejskiej L 193, 100. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2015/2193 z dnia 25 listopada 2015 r. w sprawie ograniczenia emisji niektórych zanieczyszczeń do powietrza ze średnich obiektów energetycznego spalania (MCP) (Dz. Urz. UE L 313 z , s Brak krajowych uregulowań dot. standardów emisji dla instalacji <1MW!! Brak krajowych uregulowań dot. jakości paliw stałych dla instalacji spalania małej mocy!!

4 ISMM (ang. SCIs) i ISSM (ang. MCPs) definicje i zakres SCIs <1MW; MCPs 1-50MW Sektory Mieszkalnictwo Usługi Przemysł Rodzaje Kotły domowe Kominki Piece Kotły małej mocy; Usługi Kotły Sredniej mocy Instiytucje/Usługi Kotły dużej mocy / Usługi, Instytucje i Przemysł 5 kw 15 kw 50 kw 300 kw 5 MW 20 MW 50 MW Emisja zanieczyszczeń Techniki spalnia Preparatory Studies for Eco-design Requirements of EuPs (II) [TREN/D3/ /Lot15/2007/S ] ; S. Mudgal, L. Turunen BIO IS France, R. Stewart M. Woodfield, AEAT UK, K. Kubica, R. Kubica; _Final.pdf

5 Biomasa drzewna odnawialne źródło energii Stałe biopaliwa fizyczna, termiczna waloryzowana biomasa biomasa: części lotne ok %; węgiel: części lotne ok % Parametry A d) W r) Q d) S t d) A d) Cl d) As, Pb, Cd, Cr, Cu, Hg, Zn Jedn. Pellet PN-EN 303-5:2012 Drewno polana PN-EN 303-5:2012 Pellet EN :2011, A1 % 0,5 1,0 0,7 % MJ/kg >17 >17 16,5 Q 19 % b.w. b.w. <0,04 (1) % b.w. b.w. <0,3 (1) % b.w. b.w. <0,02 (1) mg/kg <0,08 b.w mg/kg

6 Technologie spalania, paliwa Emisja zanieczyszczeń - uwarunkowania TECHNOLOGIE, TECHNIKI SPALANIA organizacja procesu spalania pyłowe (w strudze) biomasa współspalanie fluidalne biomasa współspalanie w warstwie (złoże stacjonarne) ISMM (ang. SCIs) Zanieczyszczenia PICs - CO, TOC, VOCs, SVOCs i NVOCs:WWA, PCDD/Fs (toksyczne zanieczyszczenia organiczne), BC (TSP), PM2.5 i PM10, oraz NOx spalanie w strudze spalanie fluidalne spalanie w warstwie (różne techniki..)!!! WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE PALIWA C, H, N, S, Cl,O,F, HM metale ciężkie popiół rozmiar ziarna, wilgoć Zanieczyszczenia Metale ciężkie (Hg, Cd, Pb, As, Ni, V..), SOx, NOx, TSP, PM2.5 i PM10, PCDD/Fs gaz paliwa ciekłe paliwa stałe (węgiel, biomasa)

7 Energia chemiczna paliwa Ciepło użytkowe sprawność energetyczna, ŋ właściwości fizykochemiczne paliwa: Q, W, A, V, ziarno Spalanie całkowite i zupełne 1) Paliwo suche paliwo + para wodna Zapłon C Spalanie karbonizatu 2) Paliwo karbonizat (C-C) + lotne produkty (CH) 3) Lotne produkty (CH) + O 2 CO₂ + H₂O Piroliza, odgazowanie C 4) Spalanie karbonizatu: фc (karbonizat) + O 2 фco 2 1) Odparowanie wilgoci, suszenie 100 C Części lotne C 80 90% Karbonizat C 10 20% 5) фs + O 2 SO₂

8 Spalanie paliw, w warstwie w złożu stacjonarnym w instalacjach małej mocy (< 1MW) - źródło emisji toksycznych zanieczyszczeń forma AEROZOLU produkty niecałkowitego spalania produkty wtórnych reakcji w fazie gazowej CO 2, H 2 O, SO 2, NOx, Pył (TSP) produkt utlenienia substancji mineralnej PICs - CO, zanieczyszczenia organiczne: VOCs (CH 4, C n H m, BTX, fenole, związki org. N,S,O,) TZO/POPs - WWA, PCDD/Fs; Pył (TSP, PM2.5, PM10) BC, EC; HM; Hg, Pb, Cd, As, Cu, Cr, Zn i inne Source: R. Kubica, Helsinki, 30th of October 2014

9 Pellet drzewny (dobra jakość paliwa) + Piec, ręcznie zasilany paliwem (nieodpowiednia technika spalania) Wysoka emisja zanieczyszczeń! Instalacje spalania małej mocy wpływ złej techniki spalania na emisję zanieczyszczeń Emisja zanieczyszczeń Węgiel Pellet CO, g/gj OGC g/gj TSP g/gj TOC g/gj WWA wg. EPA mg/gj Kubica K., at al., Small combustion instalations: Technique, emissions and measures for emission reduction., EUR EN, ISBN ; B(a)P mg/gj

10 Spalanie paliw stałych w sektorze komunalno-bytowym źródła ciepła małej mocy (<1MW) główne źródło PM10, PM2.5 i toksycznych zanieczyszczeń!!!!! Sektor komunalno-bytowy 25,6% ciepła z paliw stałych ze spalania w ISMM: około 4 mln gospodarstw domowych (ok. 70%), w tym ok. 97% na terenach wiejskich i ok. 80% w miastach Zużycie paliw stałych w sektorze komunalnobytowym i usług: ok. 7,0 mln ton węgla ok. 12,5 mln ton drewna Źródło: Na podstawie danych z Raportu KOBIZE _raport_podstawowy_2014.pdf

11 Niska emisja: emisja zanieczyszczeń z emitorów o wysokości poniżej 40 m: NISKA EMISJA źródła emisji, zanieczyszczenia indywidualne gospodarstwa domowe, lokalne kotłownie, bud. użyteczności publicznej; MŚP (warsztaty, usługi, piekarnie, itd.) emisja komunikacyjna; (niezorganizowana emisja: pożary, pylenie ze składowisk materiałów, itp.) Smog: (ang. fog intensified by smoke), mgła wzmocniona przez dym; nienaturalne zjawisko atmosferyczne: współwystępowanie zanieczyszczeń powietrza spowodowanych działalnością człowieka oraz niekorzystnych naturalnych zjawisk atmosferycznych: wysoka wilgotność powietrza (mgła, bliskość akwenów i cieków wodnych) i brak przewietrzania, wiatru.

12 Techniczne środki metody pierwotne ISMM (urządzenie grzewcze komin) stałe biopaliwo Rodzaj i jakość paliwa właściwości fizykochemiczne odpowiednie dla typu urządzenia grzewczego: Jakość urządzeń organizacja procesu spalania; - sprawność η - redukcja emisji CO, LZO, TOC (WWA, PCDD/Fc), NOx pyłu (TSP, PM10, PM2.5) - korzystne stosowanie zasobnika ciepłej wody Komin/emitor; ciąg naturalny, wymuszony; konstrukcja odpowiednia dla urządzenia grzewczego/piec, kocioł, kominek. Dobre praktyki - obsługa i konserwacja znacząca rola służb kominiarskich NIE MA WIELOPALIWOWYCH URZĄDZEŃ!!!

13 Ogólny podział instalacji spalania paliwa stałe małej mocy - kategorie, funkcje, techniki spalania Kategoria urządzeń (przenoszenie ciepła) - bezpośrednie ogrzewanie: kominki, ogrzewacze pomieszczeń, piece - pośrednie ogrzewanie: kotły Rodzaj urządzenia (sposób podawania paliwa): - ręczny załadunek - automatyczny załadunek Rodzaj paliwa stałego: - paliwa kopalne - stałe biopaliwa Organizacja procesu spalania pierwotne sposoby redukcji emisji: przeciwprądowy prąd krzyżowy współprądowy (BAT) Kubica K., at al., Small combustion instalations: Technique, emissions and measures for emission reduction., EUR EN, ISBN ; Sprawność procesu energia chemiczna paliwa maksimum energii użytecznej (ciepło), minimum obciążenia dla środowiska!! Pierwotne metody: organizacja procesu spalania (3T ang. Temperature, Time, Turbulence); jakość paliwa dobór do techniki spalania (Q, W, A,S, uziarnienie - rozmiar ziarna Wtórne: katalityczne, oczyszczanie spalin

14 Rozwój techniki BAT w SCIs spalania paliw stałych Cel: zwiększenie efektywności energetycznej, redukcja emisji Pierwotne organizacja procesu spalania, jakość paliwa stałego KOSZTY EFEKTY Redukcja emisji TSP i CO z SCIs opalanych paliwami stałymi on_installations/bio_eup_lot%2015_task4_final.pdf

15 Sprawność energetyczna, emisje zanieczyszczeń urządzeń grzewczych typu BAT, 13%O₂) [Preparatory Studies for Eco-design Requirements of EuPs (II); S. Mudgal, L. Turunen BIO IS France, R. Stewart M. Woodfield, AEAT UK, K. Kubica, R. Kubica; Parameter Sprawność, (NCV) Jedn. Kominek drewno polana Piec drewno, polana Piec, pellet drzewny Pieco-kuchnia drewno, polana % Emisja CO* mg/m Emisja PM* mg/m Emisja NOx Emisja OGC* mg/m mg/m ,5 110 wtórne metody CO, OGC, TSP, BC (kataliza, systemy odpylania ) redukcja 30-50%, PM 50-90% 15

16 Kotły na paliwa stałe - biopaliwa, spełniające wymagania Rozporządzenia KE UE 2015/1189; (Konkurs TOPTEN A- kotły pelletowe; B- kotły węglowe automat. palnik retortowy ; C wymagania Rozp. KE UE / A B C η s - 80%; 78% (>75%) CO OGC NOx TSP ηs - 86%; 79% (>75%)

17 Kotły spełniające wymagania Klasy 5 wg PN-EN 303-5:2012 Konkurs TOPTEN 2016; A B C CO OGC TSP A- kotły automat. pelletowe; B- kotły węglowe automat. palnik retortowy ; C wymagania Klasa 5 automat. ; D kotły biopaliwa ręcz.; E kotły biopaliwa ręcz.; F Klasa 5 ręczny D E F CO OGC TSP

18 Środki techniczne wtórne metody ograniczania emisji Rozwój wtórnych metod ograniczania emisji. Główne kierunki: - Odpylacze dla ograniczania emisji pyłu - Katalizatory/dopalacze dla ograniczenia emisji CO oraz LZO (PICs) Elektrofiltry najbardziej obiecującym rozwiązaniem: Na rynku urządzeń są rozwiązania elektrofiltrów dla urządzeń grzewczych opalanych paliwami stałymi, kolejne nowe i zarazem tańsze rozwiązania są sukcesywnie wprowadzane do sprzedaży. Średnia sprawność odpylania waha się w zakresie 50 to 90%. Sprawność jest silnie uzależniona od rodzaju spalanego paliwa oraz techniki spalania (stare/nowe urządzenia). Źródło: Informacja; R. Kubica; Politechnika Śląska: rkubica@polsl.pl Źródło: Hartmann, P. Turowski, New developments in small scale ESP technology,technology- and Support Centre (TFZ), Straubing, Germany(

19 Porównanie emisji zanieczyszczeń dla nowoczesnych kotłów małej mocy, opalanych gazem, olejem, węglem i pelletem drzewnym 19

20 Stopień redukcji emisji (%) TSP, VOCs, B(a)P oraz PCDD/Fs Wymiana wszystkich urządzeń grzewczych opalanych paliwami stałymi na kotły typu BAT (40% kotłów automatycznie, 60% kotłów ręcznie zasilanych paliwem) spełniających wymagania Dyrektywy Ekoprojekt/klasy 5; w odniesieniu do ilości zużytych paliw stałych w indywidualnych gospodarstwach domowych w roku R. Kubica, K.Kubica: OSZACOWANIE TRENDU WSKAŹNIKÓW EMISJI TSP ORAZ PM10 I PM2.5 ZE SPALANIA PALIW STAŁYCH W SEKTORACH MIESZKALNICTWA I USŁUG W LATACH ; Ekspertyza nr 3 Instytutu Ochrony Środowiska PIB; Warszawa, grudzień 2014.

21 Prawodawstwo UE przyszłość ROZPORZĄDZENIE KOMISJI (UE) 2015/1189 z dnia 28 kwietnia 2015 r. wymagania dla kotłów 500kW, Rodzaj stałego paliwa Sezonowa sprawność energetyczna Rok obowiązywania od 2020 (1) Sezonowa emisja zanieczyszczeń (4) Pył (PM) OGC CO NO x % mg/m 3 mg/m 3 mg/m 3 mg/m 3 Automatyczne zasilanie paliwem Biopaliwa 75 (2) ; 77 (3) Kopalne 75 (2) ; 77 (3) Ręcznie zasilane paliwem Biopaliwa 75 (2) ; 77 (3) Kopalne 75 (2) ; 77 (3) (1) Państwa Członkowskie UE mogą wdrożyć do prawa narodowego wcześniej, przed rokiem 2020; (2)dla kotłów o mocy 20kW oznaczany tylko dla mocy nominalnej; (3)dla kotłów o mocy 20kW, (4) odniesiona do spalin suchych, 0 C, 1013 mbar, o zawartości 10%O2 350

22 Normy standardy produktowe dla kotłów - PN EN 303-5:2012 (<0,5MW) Sposób zasilania paliwem Paliwo Nominalna moc cieplna kw Klasa 3 Graniczne wartości emisji (GWE) CO OGC Pył (TSP) mg/m 3 przy 10 % O a 2 Klasa 4 Klasa 5 Klasa 3 Klasa 4 Klasa 5 Klasa 3 b Klasa 4 Klasa Biogeniczne > Ręczny > Kopalne > > Biogeniczne > Automatyczny > Kopalne > > a) odniesione do spalin suchych, 0 C, 1013 mbar, o zawartości 10%O 2 b) Projekt 2016/09/23 Rozporządzenia Ministra Rozwoju z dnia 2017 r. w sprawie wymagań dla kotłów na paliwa stałe o mocy nie większej niż 500 kw, - wymagania klasy 5

23 Urządzenie Prawodawstwo UE przyszłość c.d. ROZPORZĄDZENIE KOMISJI (UE) 2015/1185 z dnia 24 kwietnia 2015 r. wymagania dla ogrzewaczy pomieszczeń Sezonowa efektywność energetyczna Rok obowiązywania 2022 (1) Sezonowa emisja zanieczyszczeń, (6) Pył (PM) OGC CO NO x Ogrzewacze pomieszczeń, otwarte Ogrzewacze pomieszczeń zamknięte Piece peletowe % mg/m 3 (2) g/kg (3) mg/m 3 mg/m 3 mg/m (4) 300 (5) 200 (4) 300 (5) , Kuchnie (4) 300 (5) (1) Państwa Członkowskie UE mogą wdrożyć do prawa narodowego wcześniej, przed rokiem 2022; (2)oznaczany metodą grzanego filtra; (3) oznaczany metodą tunelu rozcieńczającego; (4) dla stałych biopaliw, (5) dla stałych paliw kopalnych, (6) odniesiona do spalin suchych, 0 C, 1013 mbar, o zawartości 13%O2. (

24 Stałe biopaliwa kompozytowe - termiczna waloryzacja kompresowanej mieszaniny biomasy i węgla (Q ok. 25 MJ/kg) Bis Z., Biowęgiel paliwo niskoemisyjne, Czysta energia, nr 3/

25 Stałe biopaliwa konkurencyjne ekonomicznie źródło ciepła Roczne koszty ogrzewania domu 160 m² wraz z wodą użytkową/ Viessmann Źródło: 25

26 Instalacje spalania biomasy >0,5MW (1-5 MW) 35% 30% Rodzaj zainstalowanych kotłów opalanych biomasą o mocy 0,5 1 MW i ich liczba r 42 szt szt. (Źródło: Raport KOBIZE Opracowanie propozycji standardów emisyjnych dla źródeł spalania paliw.. 0,5-1MW) 25% 20% 15% 10% Łącznie po 2000 r. do 2000 r. Konieczne wtórne metody - odpylanie 5% 0% Z RUSZTEM MECH. Z (SCHODKOWY) RUSZTEM STAŁYM- Z ZGAZOWANIE RUSZTEM STAŁYM Z -DREWNO RUSZTEM STAŁYM Z RUSZTEM - SŁOMA STAŁYM (PRZEDPALENISKO) Kocioł na zrębki 1020kW Dyrektywa MCP r. Rozp. M.Ś r. Parametry 10%O 2 6%O 2 Źródła nowe Źródła istniejące Źródła ist. st., ist. nowe Źródła najn., źródła nowe CO, mg/m n.d. n.d. n.d. n.d. SO 2, mg/m ,0 n.d. n.d Pył, mg/m , NOx, mg/m η s, % 90,6 n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. 26

27 Podsumowanie Stałe paliwa, stałe biopaliwa czyste spalanie w rozproszonych źródłach sektora komunalno-bytowego wyzwaniem na dziś Instalacje urządzenia grzewcze (kominki, piece, kotły) BAT BNT (produkcja ciepła i energii elektrycznej). Innowacyjność wsparcie dla producentów!! BNT BIOMASA? WEGIĘL? GAZ? Dostępność źródła energii Ekonomia!!! Środowisko!!! KWALIFIKOWANE PALIWA biopaliwa - pellet, brykiety, paliwa kompozytowe (z udziałem węgla, bez i z termiczną waloryzacją) kopalne, sortymenty węglowe, brykiety, paliwa niskoemisyjne i bezdymne (bez i z termiczną waloryzacją). Innowacyjność wsparcie dla producentów!! Klastry energetyczne!! Zrównoważone i cyrkularne bioregiony!!

28 Podsumowanie Spalanie stałych biopaliw biomasy -działania na rzecz poprawy jakości c.d. Udział w rynku, % Uregulowania prawne - bariery stopniowo usuwane: konieczność stosowania regulacji prawnych racjonalny czas implementacji (brak natychmiastowego efektu) Stan aktualny Wyłącznie normy Wyłącznie ekoznakowanie Zmiana struktury rynku Wpływ prawodawstwa Schematy wsparcia finansowego NFOŚiGW, WFOŚiGW KAWKA, PONE, PROSUMENT RPO (woj. Małopolskie, śląskie) Konieczny monitoring działąń Edukacja, dobre praktyki realizowane: Normy minimalnej efektywności energetycznej Schematy ekoznakowania Dopłaty B+R, promocja BAT, edukacja i szkolenie Sprawność energetyczna urządzeń Źródło; EU-UltraLowDust 2nd Workshop of the Mirror Group, 3rd December 2013, Brussels, Belgium

29 Żeby coś stało się możliwym trzeba stale, od nowa pracować nad niemożliwym!! Dziękuję Państwu za uwagę!