Biomasa ciekła w energetyce

Transkrypt

1 V Konferencja Ochrona Środowiska w Energetyce, Jaworzno Biomasa ciekła w energetyce Jarosław Zuwała

2 Kwalifikacja biomasy ciekłej (1) Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie sposobu monitorowania wielkości emisji substancji objętych wspólnotowym systemem handlu uprawnieniami do emisji, określa, że czysta biomasa to niekopalny materiał organiczny ulegający biodegradacji, pochodzący z roślin, zwierząt i mikroorganizmów, a także produkty, produkty uboczne, pozostałości i odpady z działalności w rolnictwie, leśnictwie i z pokrewnych kategorii działalności przemysłowej, niekopalne i ulegające biodegradacji frakcje organiczne odpadów przemysłowych i komunalnych, w tym gazy i płyny odzyskiwane w procesie rozkładu niekopalnego i ulegającego biodegradacji materiału organicznego. Szczegółowy wykaz materiałów uznawanych za czystą biomasę jest określony w części F załącznika nr 1 do tego rozporządzenia. Za czystą biomasę nie uznaje się frakcji torfowych oraz uwęglonych skamieniałości materiałów pochodzenia biomasowego.

3 Kwalifikacja biomasy ciekłej (2) W myśl zapisów rozporządzenia MG technologia współspalania biomasy (tj. [...] stałych lub ciekłych substancji pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzących z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także przemysłu przetwarzającego ich produkty, a także części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji [...] ) jest dopuszczona jako technologia wytwarzania energii odnawialnej przy spełnieniu określonych wymagań techniczno technologicznych i organizacyjnych.

4 Rodzaje biomasy ciekłej czyste oleje roślinne wytwarzane z roślin oleistych przez tłoczenie, ekstrakcję lub za pomocą porównywalnych metod; czyste lub rafinowane, niemodyfikowane chemicznie; biokomponenty bioetanol, biometanol, ester, dimetyloeter, czysty olej roślinny (z wyłączeniem węglowodorów syntetycznych); bioetanol alkohol etylowy wytwarzany z biomasy, w tym bioetanol zawarty w eterze etylo-tert-butylowym lub eterze etylo-tert-amylowym; biometanol alkohol metylowy wytwarzany z biomasy, w tym biometanol zawarty w eterze metylo-tert-butylowym lub eterze metylo-tert arylowym; ester - ester metylowy albo etylowy kwasów tłuszczowych wytwarzany z biomasy; dimetyloeter dimetyloeter wytwarzany z biomasy; gliceryna produkt odpadowy procesu transestryfikacji o określonych właściwościach i parametrach będące jednym z produktów procesu transestryfikacji olejów będących produktami roślinnymi. W przypadku tzw. fazy (frakcji) glicerynowej stanowisko Ministerstwa Środowiska w sprawie jej jednoznacznej kwalifikacji nie jest w pełni klarowne z uwagi fakt, że to paliwo w zależności od sposobu i parametrów prowadzenia procesu transestryfikacji może posiadać skład zmienny w dość szerokim zakresie. olej talowy (mydła żywiczne) produkty uboczne z procesu przetwórstwa drewna w przemyśle celulozowo papierniczym (ciemnobrązowa, półpłynna mieszanina kwasów tłuszczowych, kwasów żywicznych i małej ilości produktów niezmydlanych w proporcjach zmiennych w zależności od rodzaju stosowanego drewna.

5 Oleje roślinne Olejem najczęściej kojarzonym z biopaliwami jest olej rzepakowy, rzadziej olej słonecznikowy lub sojowy. Tymczasem biopaliwa wytwarzać można również z innych, bardziej egzotycznych roślin. Stosunkowo popularny jest olej palmowy lub olej pochodzący z rośliny rosnącej w rejonach subtropikalnych jatrofy (jatropha curcas). Krzew ten wydaje się być przyszłością biodiesela, głównie z powodu niewielkich wymagań wegetatywnych tej rośliny. W Polsce najbardziej powszechnie uprawianą rośliną oleistą jest rzepak, stąd analiza rynku krajowego odnosić się będzie głównie do tego produktu. Analizując tempo wzrostu produkcji i zużycia oleju rzepakowego od połowy 2008 roku do 2013 roku ocenia się, że jego zużycie na cele spożywcze wzrośnie z 400 tys. ton (w latach ) do 480 tys. ton (w 2013 roku). Będzie to odpowiadało wzrostowi przerobu rzepaku na ten cel odpowiednio z 1,0 mln ton do 1,2 mln ton (według szacunków Instytutu Ekonomiki Rolnictwa i Gospodarki Żywnościowej -IERiGŻ). W latach rozwój sektora biopaliw będzie głównym kreatorem wzrostu krajowego popytu na rzepak (olej rzepakowy). Wartości Narodowego Celu Wskaźnikowego będą rosnąć do 7,10 proc. w 2013 roku. Cena olejów roślinnych jest ściśle związana z ceną ropy naftowej. Można jednakże przyjąć, że relacje pomiędzy obiema cenami utrzymują się na stałym poziomie. Aktualnie ceny oleju rzepakowego na polskim rynku kształtują się na poziomie zł/t.

6 Estry metylowe Siłą napędową rozwoju tego rynku jest wymienione powyżej Rozporządzenie Rady Ministrów w sprawie Narodowych Celów Wskaźnikowych na lata , traktujące o minimalnych ilościach tzw. biokomponentów w paliwach ciekłych dostarczanych przez wytwórców (Lotos S.A., PKN Orlen S.A.). Daje ono impuls do zwiększania produkcji ciekłych paliw odnawialnych, zarówno olejów roślinnych jak i estrów pochodzenia roślinnego. Z drugiej jednak strony, import biodiesla do Polski (o wartości 877,7 mln zł) wyniósł w ubiegłym roku 200,8 tys. ton. Głównymi dostawcami były Niemcy (57 proc.) Szwajcaria (13 proc.) Czechy (10 proc.) i Francja (7 proc.). W styczniu 2009 import uległ ograniczeniu, nadal jednak był znaczący, albowiem wyniósł 6 tys. ton. Oczekuje się, że w średniej perspektywie zmniejszy się udział importu w rynku krajowym oraz wzrośnie zapotrzebowania na preferowane ze względu na jakość estry pochodzenia rzepakowego, co będzie sprzyjać poprawie koniunktury dla rodzimych producentów. Ewentualnemu sukcesowi producentów estrów zarówno w Polsce jak i w UE może pomóc wynikająca z nowych regulacji większa przewidywalność rynków zbytu w UE do 2020r. Opłacalności produkcji w Polsce nie sprzyja - obok niskiej ceny ropy - silna konkurencja ze strony eksporterów z Brazylii. Ceny biopaliw pozostają w bliskiej korelacji z cenami ropy naftowej. Aktualnie ceny bioestrów oscylują w okolicy zł/m3.

7 Gliceryna Gliceryna czysta stanowi ważny surowiec w przemyśle spożywczym około 24% światowej produkcji, kosmetycznym (40%), farmaceutycznym (7%), tytoniowym, skórzanym oraz do produkcji materiałów wybuchowych, barwników i płynów chłodniczych. Światowy popyt na glicerynę kształtuje się na poziomie tys. t (dane za 2006 rok). Ponieważ ilości fazy glicerynowej otrzymywane podczas produkcji biopaliw, znacznie przekraczają zapotrzebowanie przemysłu farmaceutycznego i kosmetycznego, zaczęto rozważać inne koncepcje jej wykorzystywania. Dostępność gliceryny (fazy glicerynowej) na rynku jest ściśle związana z produkcją bioestrów, co za tym idzie jej produkcja powinna systematycznie wzrastać. Biorąc jednak pod uwagę zróżnicowaną jej jakość w zależności od pochodzenia (producenta), parametrów i sposobu prowadzenia procesu transestryfikacji należy wraz z potencjalnymi ofertami od dostawców wymagać zawsze świadectw z badań wykonywanych w laboratorium, posiadającym niezbędne kompetencje w zakresie wykonywania oznaczeń dla paliw ciekłych. Na przestrzeni ostatniego roku można było zauważyć dość silną fluktuacje cen gliceryny technicznej (fazy glicerynowej). W zależności od producenta ceny różniły się nawet od kilkaset procent. Na podstawie ostatnich informacji Grupy LOTOS S.A. cena gliceryny oferowanej przez Rafinerię Trzebinia kształtuje się na poziomie ok. 90 / tonę.

8 Funkcje biomasy ciekłej Dodatkowe współspalanie w istniejącej instalacji paliwa rozpałkowego. Substytucja istniejącego paliwa rozpałkowego (częściowa lub całkowita) przy spełnieniu kryterium energetycznej zastępowalności. Kombinacja obu funkcji.

9 Właściwości fizykochemiczne Wartość Nazwa oznaczenia Symbol, jednostka Metoda analityczna Olej rzepakowy OLVIT Estry metylowe oleju rzepakowego Gliceryna techniczna Olej talowy Mazut Olej lekki Zawartość węgla Zawartość wodoru Zawartość azotu Zawartość tlenu C [%] H [%] N [%] O [%] ZF/P/10/A ZF/P/10/A ZF/P/10/A Obliczone z różnicy 100%- (%C+%H+%N) 77,8 77,3 35,9 78,95 86,70 85,38 11,5 12,4 8,5 11,74 10,66 14,15 0,2 0,1 0,05 0,04 0,47 0,15 10,5 10,2 n.o. n.o. n.o. n.o.

10 Aspekty technologiczne Oznaczona dla oleju talowego zawartość chloru i fluoru wyniosła: Cl = 418,5 ppm; F = 3,0 ppm. Oznaczone wartości chloru i fluoru w paliwie wskazują, że ewentualne problemy z dotrzymaniem przytoczonych kryteriów mogą wystąpić jedynie w przypadku emisji chlorowodoru (HCl). Chlorowodór powstaje z części chloru zawartego w paliwie. Jego szkodliwość jest oceniana bardzo różnie. Ma on właściwości trujące, działa negatywnie na układ oddechowy i wzrok. W przyrodzie kumuluje się w liściach i utrudnia fotosyntezę. Sam chlor ma również negatywny wpływ bezpośrednio na proces spalania. Pozostałości chloru, które nie ulegną przekształceniu w HCl mogą tworzyć sole z metalami alkalicznymi, głownie potasem (K) i sodem (Na).

11 Aspekty środowiskowe Dla wiarygodnego określenia poziomów emisji substancji szkodliwych związanych ze współspalaniem biomasy ciekłej w postaci gliceryny (mogą pojawić się aldehydy - m.in. akroleiny czy BaP), należy przeprowadzić emisyjne badania weryfikacyjne mieszanek w warunkach pilotażowego spalania (m.in.: WWA, BaP). Wprowadzenie nowego paliwa ciekłego w postaci gliceryny może spowodować zmianę dotychczasowych warunków spalania, co w dłuższej perspektywie może mieć wpływ na pojawienie się ryzyka korozji wysokotemperaturowej, w konsekwencji występowania w popiele siarki i potasu (oznaczonych jako K 2 SO 4.

12 Studium przypadku (1) Efekty środowiskowe zastąpienia paliwa rozpałkowego pochodzenia petrochemicznego biomasą ciekłą wynikać będą przede wszystkim z odmiennego składu tego paliwa (głównie zawartość siarki) i odmiennego traktowania CO 2 pochodzącego ze spalania biomasy ciekłej (tzw. bezpośrednia emisja uniknięta ). Na efekt ekologiczny składać się będzie zatem: zmiana wielkości emisji SO 2, zmiana wielkości emisji CO 2, możliwość zaliczenia części wytwarzanej na strumieniu biomasy ciekłej energii jako energii zaliczanej do energii pochodzącej z odnawialnych źródeł; w odniesieniu do efektów towarzyszących spalaniu wyłącznie mazutu.

13 Studium przypadku (2) Rodzaj paliwa Wielkość 1 M + GL M + GL 70/30 30/70 M + GL 50/50 Emisja CO 2 r. [t/a]* , , ,11 Emisja CO 2 [t/a]** , , ,89 Efekt ekologiczny CO 2 [t/a] , , ,91 Zawartość siarki 0,0166 0,0192 0,0140 [m/m] Emisja SO 2 [t/a] 331,74 355,19 341,27 Efekt ekologiczny SO 2-9,7-33,2-19,3 [t/a] Wytworzona energia zielona [MWh] 8 836, , ,51 * Emisja CO2 r. wyznaczona na podstawie; zawartości węgla pierwiastkowego w paliwie, stechiometrii reakcji spalania. ** Emisja CO2 wyznaczona na podstawie wzoru zamieszczonego w części C załącznika nr 2 do Rozporządzenia Ministra Środowiska [5]. 1 M- oznacza mazut, GL biomasa ciekła gliceryna techniczna.

14 Podsumowanie Istniejące na rynku krajowym, europejskim a nawet potencjalnie światowym zasoby biomasy ciekłej stawiają przesłanki do zastosowania biomasy ciekłej jako substytutu paliwa rozpałkowego w instalacji mazutowej elektrowni. Oceniono zakres i koszty związane z modernizacja istniejącego układu magazynowania i podawania paliwa rozpałkowego, niezbędne dla wdrożenia współspalania biomasy ciekłej w jednej z krajowych elektrowni. Założono wykorzystanie do tego celu jednego z istniejących zbiorników mazutowych. Koszt związany z przeróbką instalacji dla 1 kotła nie przekroczył 1 mln zł. Dla najbardziej korzystnego pod względem efektywności ekonomicznej wariantu wielkość ta stanowi ok. 10% rocznego przychodu związanego z wykorzystaniem biomasy ciekłej. Dodatni efekt ekonomiczny uzyskany dla gliceryny technicznej stawia ją na pierwszym miejscu wśród paliw, rozpatrywanych jako substytut ciężkiego oleju opałowego. Dla wiarygodnego określenia poziomów emisji substancji szkodliwych związanych ze współspalaniem biomasy ciekłej w postaci gliceryny (mogą pojawić się aldehydy - m.in. akroleiny czy BaP), należy przeprowadzić emisyjne badania weryfikacyjne mieszanek w warunkach pilotażowego spalania(m.in.: WWA, BaP) Wprowadzenie nowego paliwa ciekłego w postaci gliceryny może spowodować zmianę dotychczasowych warunków spalania, co w dłuższej perspektywie może mieć wpływ na pojawienie się ryzyka korozji wysokotemperaturowej, w konsekwencji występowania w popiele siarki i potasu.

15 Dziękuję za uwagę i zapraszam do współpracy.