SIŁOWNIE BIOPALIWOWE

Transkrypt

1 SIŁOWNIE BIOPALIWOWE Wykład WSG Bydgoszcz Prowadzący prof. Andrzej Gardzilewicz Materiały źródłowe: T. Chmielniak, P. Lampart, J. Głuch (w opracowaniu E. Uklejewskiej)

2 Rola biopaliwa w energetyce Wybrane procesy produkcyjne biopaliw

3 Europejska definicja biomasy: Biomasa to biodegradowalne frakcje produktów, odpadów i pozostałości z przemysłu rolnospożywczego (w tym substancje pochodzenia roślinnego i zwierzęcego), z leśnictwa i przemysłu pochodnego, a także biodegradowalne frakcje odpadów komunalnych i przemysłowych

4 Racjonalna definicja biomasy: Biomasa to wszelkiego typu substancje, będące efektem naturalnych procesów biologicznych, w tym biochemicznych zachodzących w przyrodzie i stanowiące potencjalne źródła energii w ściśle określonych aplikacjach

5 BIOMASĘ MOŻNA PODZIELIĆ NA: FITOMASĘ (biomasę roślinną) ZOOMASĘ (biomasę zwierzęcą) ewentualnie biomasę mikroorganizmów

6

7 Biomasa - odnawialne źródło energii Przez proces fotosyntezy energia słoneczna jest kumulowana w biomasie, z początku organizmów roślinnych, później po przejściu łańcucha pokarmowego także zwierzęcych. I właśnie tą energię zamkniętą w biomasie można - i należy - wykorzystać dla człowieka. Energia ta podlega przetworzeniu na inne formy przez spalanie biomasy lub spalanie produktów jej rozkładu, oraz inne procesy. W wyniku spalania uzyskuje się energię cieplną, która jak wiadomo łatwo daje się przetworzyć na energie elektryczną.

8

9 Spalanie biomasy jest ogólnie uważane za bardziej korzystne dla środowiska niż spalanie paliw kopalnych, ponieważ zawartość szkodliwych pierwiastków (głownie siarki) w biomasie jest o wiele niższa a uwalniany CO 2 pochodzi z biosfery. Natomiast dwutlenek wyprowadzany do atmosfery przy spalaniu paliw kopalnych jest dodatkowym dwutlenkiem węgla wnoszonym do atmosfery, zwiększającym globalne ocieplenie. Niewątpliwą wadą biomasy używanej do spalania jest produkcja szkodliwych substancji podczas spalania białek i tłuszczy.

10 Do celów energetycznych wykorzystuje się najczęściej: drewno o niskiej jakości technologicznej oraz odpadowe odchody zwierząt osady ściekowe słomę, makuchy i inne odpady produkcji rolniczej wodorosty uprawiane specjalnie w celach energetycznych odpady organiczne np. wysłodki buraczane, łodygi kukurydzy, trawy, lucerny oleje roślinne i tłuszcze zwierzęce.

11 Potencjał na świecie Potencjał i wykorzystanie biomasy Oszacowanie potencjału technicznego biomasy na świecie, możliwego do wykorzystania na cele energetyczne jest zadaniem trudnym. W dłuższym okresie czasu trudno bowiem przewidzieć rozwój technologii czy też zmiany w sposobie użytkowania gruntów, a co za tym idzie wielkość produkcji biomasy przeznaczonej na cele energetyczne. Dlatego też poszczególne szacunki różnią się znacznie. Według raportu Międzynarodowego Panelu ds. Zmian Klimatu roczny techniczny potencjał biomasy stałej wynosi 440 EJ, a biopaliw płynnych 154 EJ. Natomiast wg. Moreiry światowy potencjał biomasy stałej wynosi 1301 EJ, zaś biopaliw płynnych 455 EJ.

12 Potencjał w Polsce Potencjał i wykorzystanie biomasy W Polsce potencjał techniczny biopaliw szacuje się na około 684,6 PJ w skali roku, z czego najwięcej 407,5 PJ - przypada na biopaliwa stałe. Ich zasoby składają się z nadwyżek biomasy pozyskiwanych w: * rolnictwie 195 PJ * leśnictwie 101 PJ * sadownictwie 57,6 PJ oraz z * odpadów przemysłu drzewnego 53,9 PJ. Północna i zachodnia Polska dysponuje dużym potencjałem biomasy stałej ze względu na nadwyżki słomy w gospodarstwach rolnych, również północne, lecz także północno-wschodnie i północno-zachodnie rejony kraju posiadają największe możliwości wykorzystania biogazu z odpadów zwierzęcych.

13 Potencjał w Europie Potencjał i wykorzystanie biomasy W Unii Europejskiej w 2003 roku produkcja energii z biomasy wynosiła 69 mln ton ekwiwalentu olejowego i pokrywała 4% zapotrzebowania na energię. By kraje Unii osiągnęły zakładany udział energii odnawialnych w strukturze produkcji energii, do roku 2010 produkcja energii z biomasy powinna się podwoić (to znaczy wynieść 180 mln ton ekwiwalentu olejowego), zaś do roku 2030 potroić (czyli wynieść mln ton ekwiwalentu olejowego). Obecnie udział biomasy w strukturze produkcji energii ze źródeł odnawialnych wynosi w Unii 65%, a wykorzystywana w celach energetycznych biomasa znajduje zastosowanie przede wszystkim jako surowiec do produkcji energii cieplnej i energii elektrycznej.

14

15 BIOPALIWA to wszystkie paliwa, wyprodukowane z biomasy. Za biomasę uważa się całość materii roślinnej i zwierzęcej, ulegającej biodegradacji, oraz produkty ich przemiany materii, np. krowi nawóz. Z tego względu różnego rodzaju biopaliw jest mnóstwo i występują one w formie gazowej, ciekłej i stałej.

16 Biopaliwa mają zdecydowanie największy, bo ponad 90-procentowy udział w produkcji energii ze źródeł odnawialnych. Rozwój tego sektora energetycznego, wg planów Unii Europejskiej, a w ślad za tym i w naszym kraju, ma być w najbliższych dekadach bardzo dynamiczny. Głównym dostarczycielem surowców do produkcji biopaliw ma być rolnictwo. Należy się więc zastanowić nad możliwościami sprostania wymaganiom przez polski sektor rolny bez istotnego uszczerbku dla zaspokojenia potrzeb żywnościowych społeczeństwa.

17 Rys. Produkcja energii z surowców roślinnych

18 BIOPALIWA GAZOWE Biopaliwa gazowe to przede wszystkim biogaz, otrzymywany w procesie fermentacji beztlenowej biomasy, składający się przede wszystkim z metanu. Oprócz tego biopaliwem jest również gaz drzewny, bo przecież powstaje w procesie zgazowania jak najbardziej odnawialnego drewna. Również gaz ze zgazowania innych surowców biomasowych będzie biopaliwem.

19 BIOPALIWA CIEKŁE Otrzymywane w drodze fermentacji alkoholowej (najczęściej etanol) lub z przetworzonych nasion roślin oleistych olejów roślinnych (np. olej rzepakowy).

20 BIOPALIWA STAŁE Biopaliwa stałe zaś to wszelkiego rodzaju przetworzona i nieprzetworzona biomasa, a więc drewno, zrębki, pellety, brykiety drzewne, a także węgiel drzewny. Również ziarna zbóż są biopaliwem, w handlu bowiem dostępne są kotły zdolne do spalania nie tylko miału węglowego, ale również owsa. Za biopaliwa stałe uważa się również biodegradowalną frakcję odpadów komunalnych.

21 Podział paliw pochodzenia roślinnego

22 ROŚLINY POCHODZĄCE Z UPRAW ENERGETYCZNYCH Bogate w związki celulozowe i ligninowe rośliny energetyczne mogą być wykorzystywane do produkcji energii cieplnej i energii elektrycznej oraz do wytwarzania paliw: zarówno ciekłych jak i gazowych. Rośliny energetyczne można przy tym spalać albo w całości, albo w formie wyprodukowanego z nich brykietu czy pelet. Uprawy energetyczne umożliwiają zagospodarowanie nisko produktywnych bądź zdegradowanych terenów rolniczych, co ma niemałe znaczenie w naszym kraju, gdzie na ponad 20% terenu stężenie metali ciężkich w glebie przekracza dopuszczalne normy.

23 Pożądane cechy roślin energetycznych to: * duży przyrost roczny, * wysoka wartość opałowa, * znaczna odporność na choroby i szkodniki oraz stosunkowo niewielkie wymagania glebowe.

24 Wyróżniamy cztery podstawowe grupy roślin energetycznych: * rośliny uprawne roczne: zboża, konopie, kukurydza, rzepak, słonecznik, sorgo sudańskie, trzcina; * rośliny drzewiaste szybkiej rotacji: topola, osika, wierzba, eukaliptus; * szybkorosnące, rokrocznie plonujące trawy wieloletnie: miskanty, trzcina, mozga trzcinowata, trzcina laskowa; * wolnorosnące gatunki drzewiaste.

25 BIOPALIWA PŁYNNE

26 Rodzaje biopaliw płynnych RODZAJ PALIWA SUROWIEC PROCES TECHNOLOGICZNY ETANOL Słoma, rośliny trawiaste Obróbka wstępna, hydroliza, fermentacja alkoholowa ZASTOSOWANIE Paliwo do silników z zapłonem iskrowym lub dodatek podnoszący liczbę oktanową Rośliny uprawne zawierające duże ilości cukrów prostych(burak cukrowy, trzcina cukrowa, itp.) Zboża, ziemniaki, topinambur, itp. Fermentacja alkoholowa Hydroliza, fermentacja alkoholowa Paliwo do silników z zapłonem iskrowym lub dodatek podnoszący liczbę oktanową Paliwo do silników z zapłonem iskrowym lub dodatek podnoszący liczbę oktanową

27 Rodzaje biopaliw płynnych METANOL BIOOLEJ OLEJ ROŚLINNY Uprawy energetyczne(wierzba energetyczna, miskantus, itp.) Uprawy energetyczne(wierzba energet., miskantus, itp.) Rzepak, słonecznik, palma kokosowa,m kukurydza, soja, itp.) Reakcja konwersji katalitycznej gazu syntezowego, synteza metanolu, gazyfikacja Piroliza(proces beztlenowego rozkładu) Wytłaczanie, filtrowanie Paliwo do silników z zapłonem iskrowym lub dodatek do oleju napędowego w postaci MTBE(eteru metylo-tetrbutylowego) Paliwo do silników z zapłonem samoczynnym lub iskrowym Paliwo do silników z zapłonem samoczynnym lub dodatek do oleju napędowego, paliwo do metanowych ogniw paliwowych

28 KRÓTKA CHARAKTERYSTYKA PALIW PŁYNNYCH ETANOL (retyfikowany spirytus C2H5OH) jest surowcem dominującym na rynku biopaliw. Jest wytwarzany w procesie doskonale nam znanej i lubianej fermentacji alkoholowej. W praktyce zawartość etalonu w mieszaninie z woda wynosi ponad 96,0% objętości. Jeżeli zawartość jest mniejsza należy rektyfikować, destylować surowiec ponownie do uzyskania wymaganych właściwości. Firmy motoryzacyjne Ford, Fiat, Volkswagen wyprodukowały już silniki przystosowane do działania na tym paliwie. Jest również wykorzystywany jako dodatek do paliw benzynowych, podnoszący indeks liczby oktanowej(lo), pozwala redukować emisje Cox, NOx, CxHx.

29 Etapy produkcji etanolu do celów paliwowych Przygotowanie surowców Upłynnianie i scukrzanie surowców skrobiowych Fermentacja Destylacja Odwadnianie

30 CIEKAWOSTKA Do wyprodukowania 1 dm^3 potrzeba około 13 kg ziemniaków. Dlaczego w ostatnim czasie tak wzrosły ceny cukru-? ponieważ ma to związek ze zwiększeniem się produkcji etanolu, dodatku do benzyny!

31 Polska jest jedynym krajem w Unii, w którym w roku 2004 produkcja etanolu spadła i to aż o 40,7%. Nasz kraj utracił tym samym zajmowaną w roku 2003 pozycję trzeciego największego producenta etanolu w UE.

32 ŚREDNIA WYDAJNOŚĆ PRODUKCJI BIOETANOLU Z 1Ha UPRAWY

33 KRÓTKA CHARAKTERYSTYKA PALIW PŁYNNYCH METANOL (CH3OH) inaczej alkohol metylowy(dzrewny), jest trucizną. Wytwarzany w procesie suchej destylacji drewna lub jako syntetyczny w procesie uwodornienia CO, zachodzącym w temperaturze stopni C, pod podwyższonym ciśnieniem i w obecności katalizatora. Może być wykorzystywany jako paliwo, wymaga niestety zmodyfikowania układu zazapłonu(nie jest tak łatwopalny jak paliwa ropopochodne). Może być również stosowany jako dodatek do benzyny w postaci eteru metylo-tetrbutylowego i w procesie estryfikacji oleju roślinnego. Niestety produktem utleniania metanolu jest toksyczny aldehyd mrówkowy, znany też pod nazwą Formaldehydu co sprawia, że stosowanie tego paliwa na szerszą skalę jest utrudnione, ze względu na jego domniemane rakotwórcze działanie. Pojazdy nim napędzane powinny posiadać specjalny katalizator dopalający. Jest stosowany powszechnie do zasilania silników motocykli wyczynowych, żużlowych. Produktami spalania tego gazu są też woda w postaci pary wodnej i CO2. Nowe zastosowanie metanolu polega na zastosowaniu jego jako paliwa w ogniwach paliwowych. Są to nowego typu akumulatory energii, póki co jednorazowego użytku.

34 CIEKAWOSTKA Dziś metanol produkowany jest głównie z gazu ziemnego, a taki produkt nie może być nazywany biopaliwem!

35 KRÓTKA CHARAKTERYSTYKA PALIW PŁYNNYCH Próby wykazały, że bioolej z powodzeniem może zastąpić gaz ziemny, olej napędowy i inne paliwa organiczne w kotłach, turbinach gazowych i niektórych silnikach diesla. Spalanie biooleju nie przyczynia się do emisji dwutlenku siarki SO2, jest neutralne z punktu widzenia bilansu CO, zaś spowodowane nim emisje dwutlenku azotu NO2 są śladowe. BIO OLEJ (olej pirolityczny) powstaje w procesie pirolizy, czyli w procesie zgazowania biomasy w temperaturze stopni C. ma barwę od przeźroczystej do brunatnej, gęsta. Może być wykorzystywana w kotłach, palnikach turbinach czy generatorach prądu.

36 KRÓTKA CHARAKTERYSTYKA PALIW PŁYNNYCH OLEJ ROŚLINNY (Olej wytłaczany z ziaren rzepaku, słonecznika-najbardziej popularne w Polsce). Można go stosować do zasilania silnika diesla na jeden z trzech sposobów: po estryfikacji jako biodiesel, jako samodzielne paliwo, lub jako dodatek do ON. W każdym wypadku parametry silnika (moc, moment obrotowy, zużycie paliwa) pozostają praktycznie na niezmienionym poziomie. Obserwuje się za to cichszą i lepszą kulturę pracy silnika co ucieszy znerwicowanych użytkowników klekoczących aut. Jego wykorzystanie jako niezależnego paliwa wymaga paru modyfikacji auta. Olej należy podgrzać do temperatury min. 70 stopni C, ponieważ ma inne parametry fizykochemiczne(gęsty, większa lepkość). Oznacza to, że rozruch silnika musi odbyć się na ON, pojazd musi posiadać dwa zbiorniki paliwa. Po ogrzaniu go, można przełączyć silnik na tryb spalania oleju. WAŻNE-olej najlepiej tłoczyć podgrzany, zmniejsza to opory przepływu, nie jest on w żaden sposób agresywny w stosunku do metali i tworzyw sztucznych.

37 CIEKAWOSTKA Stosowanie oleju rzepakowego zamiast ON pozwala zaoszczędzić do 40% kosztów paliwa! Rudolf diesel produkując swój pierwszy silnik z zapłonem samoczynnym projektował go do pracy na oleju arachidowym!

38 KRÓTKA CHARAKTERYSTYKA PALIW PŁYNNYCH ESTRYFIKOWANY OLEJ ROŚLINNY (BIODIESEL) POWSTAJE W DWÓCH PROCESACH TECHNOLOGICZNYCH: NA ZIMNO-w temperaturze stopni C, z udziałem katalizatorów i innych substancji NA GORĄCO-w temperaturze 240 stopni C i ciśnieniu 10MPa. Do procesu używa się takich substancji dodatkowych jak metanol, ług czy KOH. Biodiesel jest paliwem alternatywnym do ON lub może być stosowany podobnie jak zwykły olej roślinny jako dodatek w różnych proporcjach. CIEKAWOSTKA Jeżeli lubisz zapach pączków lub frytek to będziesz go miał na co dzień, jeżdżąc na estrach.

39 BIOPALIWA STAŁE

40 Brykiet drzewny

41 Brykiet jest to materiał opałowy w formie różnej wielkości kostek, będący mieszanką różnych palnych składników takich jak trociny, torf, miał węglowy, węgiel drzewny, słoma i wiele innych, całość sprasowana pod bardzo wysokim ciśnieniem. Często do brykiety dodawane jest lepiszcze czyli substancja działająca podobnie jak klej, zespalająca brykiet. Najczęściej stosowanymi rodzajami lepiszczy są ług posufitowy, skrobia rozpuszczalna, emulsja akrylowa, szkło wodne sodowe lub bentonit. Brykiety mogą mieć różne kształty. Czasem są to duże kostki, czasem niewielkie odłamki o przekroju kołowym lub prostokątnym. Brykiet jest stosowany jako materiał opałowy lub rozpałka także w gospodarstwach domowych. Bardzo popularne są brykiety wykonane z wszelkiego rodzaju odpadków produkcji rolniczej. Dzięki temu uzyskuje się ekologiczną i tanią energię, oraz zmniejsza się emisję toksycznych substancji do środowiska.

42 Pellet

43 Pellety, będące odmianą brykietu to materiał opałowy wykonany ze sprasowanych pod wysokim ciśnieniem odpadów drzewnych, takich jak trociny, wióry, zrębki, do których można też wykorzystać korę, uprawy energetyczne czy słomę. Są one dostępne w postaci granulatu w kształcie kulek lub walców o średnicy 6-25 mm i długości do kilku centymetrów i sprzedawane w workach. W czasie ich spalania powstaje bardzo niewielka ilość popiołu, charakteryzuje je również niska wilgotność i wartość opałowa zbliżona do wartości opałowej drewna. Są bardzo często używane w kotłach centralnego ogrzewania oraz kominkach, wyposażonych w zbiornik na pellety, dozownik i podajnik.

44 Słoma

45 Nasze rolnictwo produkuje corocznie kilkadziesiąt milionów ton słomy, która jest częściowo wykorzystywana jako ściółka i pokarm w hodowli zwierząt, a reszta jest spalana na polach, co powoduje nie tylko zagrożenie dla lokalnych mieszkańców, ale również ogromne szkody ekologiczne. Problem pogłębił się po 1990 roku kiedy to gwałtownie spadło pogłowie zwierząt hodowlanych. Zamiast niszczyć słomę, zanieczyszczając środowisko można wykorzystać nadwyżki produkowanej łomy do celów energetycznych, co powinno przynieść rolnikom dodatkowe dochody. Porównując wartość opałową słomy i węgla stwierdzamy, że pod względem energetycznym 1 tonie węgla odpowiada około 1,5 tony słomy. W prostym rachunku wynika, że ze zbiorów słomy z 1 ha pola można przez cały sezon grzewczy ogrzać jeden domek mieszkalny o powierzchni m. Podczas spalania słomy, wydziela się bardzo niewielka ilość popiołu oraz małe ilości siarki (0,05-0,1%). Znacząco mniejsza niż w przypadku stosowania innych materiałów opałowych, jest także ilość wydzielanych do atmosfery tlenków azotu, oraz tlenku węgla, zaś emisja dwutlenku węgla jest równa ilości CO2, jaką absorbują w procesie fotosyntezy rośliny podczas swego rocznego rozwoju. Dzięki temu możemy zredukować efekt cieplarniany, będący wynikiem produkcji dwutlenku węgla podczas spalania paliw kopalnych.

46 Słomę spala się w specjalnie do tego skonstruowanych kotłach, które umożliwiają dopalenie się gazów lotnych uwalnianych podczas spalania. Odbywa się to w temperaturze nie mniejszej niż 800 C. W kotłach takich zainstalowane są specjalne dmuchawy, tłoczące powietrze prostopadle do załadowanych balotów. W trakcie spalania baloty słomy pod własnym ciężarem schodzą w dół, a gazy lotne uchodzą przeciwnie do strumienia wdmuchiwanego powietrza. Mogą wówczas dopalić się przed ujściem do komina. Słoma jest bardzo atrakcyjnym paliwem ze względu na swą kaloryczność. Niestety ma również wady, a największą z nich jest jej uciążliwość w magazynowaniu i transporcie, ze względu na dużą objętość. Stosuje zagęszczenie słomy przez jej prasowanie w kostki lub zwijanie w baloty, jeszcze na ściernisku. Wadą słomy jako paliwa jest również fakt, że wskutek zawartości w słomie pozostałości środków ochrony roślin - pestycydów (herbicydów, fungicydów, insektycydów) wydzielają się m.in. rakotwórcze związki chemiczne (dioksyny i furany), zaletą, jest niewielka ilość pozostałego po procesie popiołu, który można użyć jako wysokowartościowy nawóz mineralny.

47

48 BIOPALIWA GAZOWE

49 Biopaliwa gazowe: biogaz rolniczy jako paliwo otrzymywane z biomasy i z materiałów odpadowych metodą fermentacyjną bio-wodór, jako paliwo otrzymywane z biomasy i materiałów odpadowych eter dimetylowy (Bio-DME), otrzymywany z biomasy, stosowany jako paliwo do silników.

50 BIOGAZ Biogaz, zwany też gazem wysypiskowym, to palny gaz, będący produktem fermentacji anaerobowej lub gnicia związków pochodzenia organicznego, takich jak na przykład różnego rodzaju ścieki, w tym odpady komunalne, zwierzęce, gnojownica, odpady przemysłu rolno spożywczego. W wyniku jego spalania powstaje znacznie mniej szkodliwych tlenków azotu niż w przypadku spalania paliw kopalnych.

51 Nieoczyszczony biogaz składa się zwykle w 2/3 z metanu, a pozostała część to głownie dwutlenek węgla, czasem z niewielka domieszką siarkowodoru, czy tlenku węgla. Jego wartość opałowa mocno zależy od zawartości metanu. Nazwa gaz wysypiskowy bierze się stąd, ze biogaz wytwarza się samoczynnie na składowiskach odpadów. Na wysypiskach konieczne jest instalowanie się systemów odgazowujących. Nowoczesne składowiska śmieci są wyposażone w specjalne komory fermentacyjne lub bioreaktory, w których fermentacja metanowa odpadów odbywa się w stałych temperaturach dla różnego rodzaju bakterii, takich jak bakterie metanogenne, mezofile, czy termofilne. Komory te zapewniają też odpowiednią wilgotność. Takie składowisko o powierzchni około 15 ha może dostarczyć od 20 do 60 GWh energii w ciągu roku, jeżeli roczna masa składowanych odpadów to około 180 tys. ton.

52 Biogaz może powstawać również samoczynnie w sposób naturalny, na przykład na torfowiskach nosi wtedy nazwę gazu błotnego, albo gnilnego. Gaz uzyskiwany z gnojownicy lub obornika określa się jako agrogaz, a pozostałość po fermentacji stanowi cenny nawóz.

53

54 ZASTOSOWANIE Na całym świecie biogaz ma szerokie zastosowanie jako paliwo dla generatorów prądu elektrycznego lub jako źródło energii do ogrzewania wody, a po oczyszczeniu i sprężeniu również jako paliwo do napędu silników. W Polsce planuje się produkcję biogazu do ogrzewania budynków, dzięki czemu powinno udać się poprawić sytuacje naszego środowiska naturalnego, ponieważ metan jako gaz cieplarniany powinien być spalany, a nie emitowany do atmosfery. Dodatkowo biogazownie to miejsce utylizacji i bezpiecznego unieszkodliwiania odpadów.

55 JAK POWSTAJE Produkowany biogaz powstaje w procesie beztlenowej fermentacji odpadów organicznych, podczas której są one rozkładane przez bakterie na związki proste. W procesie tym nawet 60% substancji organicznej zamienianej jest w biogaz. Na proces fermentacji korzystny wpływ ma utrzymanie stałej, wysokiej temperatury i wilgotności powyżej 50%, jak również zapewnienie korzystnego ph, powyżej 6,8 oraz ograniczenie dostępu powietrza jest to wszak fermentacja beztlenowa.

56

57 Etapy wytwarzania biogazu Przygotowanie surowca Hydroliza pod wpływem enzymów wytwarzanych przez bakterie Faza zakwaszania, polegająca na fermentacji prostych cząsteczek organicznych (cukrów, białek, tłuszczy) do kwasów tłuszczowych (octowy, propionowy, masłowy), oraz wodór i CO2 Acetogeneza - fermentacja octowa, polegająca na przemianie kwasów do kwasu octowego. W środowisku pozostaje kw. octowy, wodór i dwutlenek węgla. Metanogeneza - fermentacja metanowa, polegająca na zamianie kwasu octowego i wodoru do metanu. Usuwanie wodoru jest korzystne dla etapu acetogenezy, gdyż wodór jest toksyczny dla bakterii octowych. Proces metanogenezy jest wolny. Gromadzenie wodoru w zbiornikach.w niektórych instalacjach etap hydrolizy i zakwaszania są prowadzone w oddzielnych zbiornikach.

58 SKŁAD BIOGAZU:

59 Wykorzystanie biogazu Bezpośrednie spalanie w bojlerach woda grzewcza Kogeneracja silnik spalinowy połączony z generatorem prądu Sprężony metan napęd transportowych silników spalinowych Wykorzystanie metanu do produkcji metanolu i dalej do zasilania ogniw paliwowych

60 Eter dimetylowy (CH3OCH3) (zwany także jako dimetyloeter, skrót: DME) organiczny związek chemiczny z grupy eterów, bezbarwny gaz o charakterystycznym zapachu. W postaci gazowej jest rozpuszczalny w wodzie. Używany jest jako gaz pędny w sprayach aerozolowych oraz, w połączeniu z propanem, do usuwania brodawek w kriogenicznych warunkach. Dimetyloeter może również stanowić paliwo alternatywne dla LPG, LNG, benzyny i oleju napędowego. Może być produkowany z gazu ziemnego, węgla lub biomasy.

61 Zastosowania eteru dimetylowego : * chłodziwo * gaz pędny w aerozolach * rozpuszczalnik * paliwo

62 DIMETYLOETER JAKO PALIWO Eter dimetylowy może być użyty jako samodzielne paliwo w silnikach wysokoprężnych i turbin gazowych, oraz w postaci mieszaniny z 70% LPG jako paliwo dla silników czterosuwowych lub dwusuwowych. Szczególnie dobrze spełnia rolę paliwa w silnikach wysokoprężnych jego liczba cetanowa wynosi ponad 55, gdy dla oleju napędowego zwykle nie przekracza 53. Unia Europejska rozważa powszechne zastosowanie DME jako biopaliwa około 2030 r.

63 BIOWODÓR Rodzaj biopaliwa- od zwykłego wodoru odróżnia go sposób produkcji w procesie biologicznym lub biologicznochemicznym z biomasy lub bezpośrednio z fotosyntetycznego rozkładu wody.

64 BIOPALIWA PIERWSZEJ GENERACJI Bioetanol otrzymywany z surowców spożywczych (zboża, buraki cukrowe) Czyste oleje roślinne, otrzymywane z nasion roślin oleistych Biodiesel w formie estrów metylowych lub etylowych wyższych kwasów tłuszczowych po ich trans-estryfikacji Biodiesel otrzymywany z trans-estryfikacji zużytych olejów roślinnych posmażalniczych i tłuszczów zwierzęcych Bio-etrr etylo-t-butylowy (ETBE), otrzymywany na bazie obróbki chemicznej bioetanolu

65 BIOPALIWA DRUGIEJ GENERACJI Bioetanol z lignocelulozy na drodze hydrolizy kwasowej lub enzymatycznej polisacharydów i fermentacji alkoholowej Biopaliwa syntetyczne otrzymane na drodze zgazowania biomasy i syntezy produktów tego zgazowania (procesy BtL biomass to liquid metoda Fischera- Tropscha) Biodiesel otrzymany po rafinacji wodorem tłuszczy odpadowych roślinnych i zwierzęcych Biogaz (syngaz SNG) otrzymany w wyniku zgazowania lignocelulozy i syntezy produktów tych procesów, o właściwościach gazu naturalnego, Biowodór, otrzymywany z drodze zgazowania hydrotermicznego biomasy roślinnej lub na drodze biotechnologicznej-fermentacyjnej

66 TECHNOLOGIE PRODUKCJI BIOPALIW Technologie termochemiczne Spalanie Piroliza Gazyfikacja Gazyfikacja z rozwinięciem do paliw ciekłych Biotechnologie Biofotoliza wody przy użyciu mikroalg Fotobakteryjna fermentacja Fermentacja ciemna Fermentacja dwustopniowa: ferm. ciemna+fotofermentacja Biokatalizowana elektroliza wody Fermentacja metanowa Biokonwersja lignocelulozy do alkoholi Bioogniwa paliwowe

67 SPALANIE Wykorzystywane zarówno do produkcji energii cieplnej, jak i do wytwarzania energii elektrycznej spalanie jest najbardziej rozpowszechnioną i zarazem najprostszą formą pozyskiwania energii z biomasy. W procesie spalania generuje się aż 90% energii, otrzymywanej na świecie z biomasy, przy czym spalana może być biomasa we wszystkich stanach skupienia.

68 Piroliza Piroliza biomasy polega na ogrzaniu biomasy w temperaturze C, przy 0,1-0,5 MPa, bez dost ępu powietrza, w celu zamiany biomasy w ciekłe oleje i węgiel drzewny oraz składniki gazowe. Jest to zwykle proces bezkatalityczny. Proces ten może być przeprowadzony w sposób szybki lub wolny. W pirolizie wolnej uzyskuje się głównie węgiel drzewny, stąd nie jest ona interesująca przy produkcji wodoru. W wysoko-temperaturowej pirolizie biomasę wygrzewa się szybciej bez dostępu tlenu. W ten sposób uzyskuje się: produkty gazowe, jak H2, CO, CO2 i inne gazy o charakterze organicznym, frakcję ciekłą włączając w to smołę i oleje, które w temperaturze pokojowej pozostają w formie ciekłej, jak aceton, kwas octowy, itp. frakcję stałą, głównie wypalony węgiel drzewny.

69 Gazyfikacja biomasy - syngaz Gazyfikacja biomasy polega na zamianie mokrej biomasy (wilgotność poniżej 35%) w produkty gazowe (syngaz) poprzez ogrzanie biomasy do ok. 600 C w obecności powietrza (30% stechiometrycznie), w obecności katalizatorów. Biomasa jest częściowo utleniona, co prowadzi do uwolnienia produktów gazowych i utworzenia węgla drzewnego, a ten ostatni ulega redukcji do wodoru, tlenku węgla, ditlenku węgla i metanu.

70 Fermentacja alkoholowa To proces rozkładu węglowodanów, zachodzący po dodaniu drożdży do takich surowców, jak zboże, pszenica, winogrona czy buraki cukrowe i zapewnieniu temu materiałowi warunków beztlenowych. Produktem tego rodzaju fermentacji jest alkohol. W procesie fermentacji alkoholowej powstaje najpopularniejsze biopaliwo płynne bioetanol, stanowiący 90% wszystkich stosowanych biopaliw ciekłych.

71 Fermentacja metanowa To następujący przy ograniczonym dostępie tlenu proces rozkładu wielkocząsteczkowych substancji organicznych (głównie węglowodanów, białka, tłuszczów i ich pochodnych) do alkoholi lub niższych kwasów organicznych, a także metanu, dwutlenku węgla i wody.

72 Wyróżniamy następujące fazy fermentacji metanowej: 1. hydroliza enzymatyczna, w wyniku której z białek powstają aminokwasy, z tłuszczów kwasy tłuszczowe i glicerol, a z polisacharydów monosacharydy, 2. acidogeneza, czyli fermentacja kwaśna, polegająca na metabolizowaniu produktów hydrolizy do lotnych kwasów tłuszczowych, etanolu i produktów gazowych, 3. octanogeneza, w czasie której lotne kwasy tłuszczowe są rozkładane do kwasu octowego, dwutlenku wegla i wodoru oraz końcowa 4. metanogeneza, w wyniku której z kwasu octowego otrzymujemy metan i dwutlenek węgla.

73 Reforming - biowodór Reforming polega na produkcji wodoru ze zgazowanych produktów za pomocą przegrzanej pary wodnej lub mieszaniny pary i tlenu w obecności katalizatorów. Wodór może być produkowany z CO i z metanu na drodze reformingu parowego. Może być także produkowany z metanolu i etanolu. Proces gazyfikacji jest najdogodniejszy do produkcji wodoru. Wydajność wodoru ok. 90%.

74 Biorafineria Frakcjonowanie składników biomasy roślinnej i ich przetwórstwo metodami biotechnologicznymi do użytecznych produktów końcowych Biopaliwa II generacji Bio-chemikalia żywność i pasze Nutraceutyki i farmaceutyki

75 Obróbka biomasy ligninocelulozowej Zabiegi termo-mechaniczne Rozdrabnianie, mielenie, ścieranie, ekstruzja Zabiegi hydrotermiczne Para pod ciśnieniem, eksplozja parowa, gorąca woda, parowanie ciśnieniowe połączone z użyciem rozc. kwasów lub alkaliów Obróbka kwasowa Rozcieńczony kwas (H2SO4), stęż. kwas na zimno (H2SO4) Obróbka alkaliczna NaOH, NH4OH, Ca(OH)2, eksplozja z amoniakiem

76 ZALETY-OGRANICZNIA-OSTRZEŻENIA ZALETY: Produkcja biopaliw na dużą skalę jest już obecnie przesądzona. Wdrożenie tych paliw do powszechnego użytku ma wiele zalet jak np.: -ochrona środowiska -ograniczenie uzależnienia od importu ropy -rewitalizacja słabnących obszarów wiejskich -biopaliwa współczesne można stosować w istniejących silnikach

77 Jednak mimo ewidentnie pozytywnych skutków Można już zaobserwować również wiele ograniczeń, jak choćby: ekonomiczne-biopaliwa są droższe od paliw kopalnych, a wzrost produkcji surowców dla biopaliw nieuchronnie doprowadzi do wzrostu cen żywności inwestycyjne-potrzebne są ogromne nakłady na budowę wytwórni surowcowe-w Polsce do 2020 r potrzebne będzie ok. 2,5 mln ha GO ekologiczne: intensywna produkcja rolna to nawozy, środki chemiczne, energia, rzeczywista redukcja emisji CO2 wynosi około50% wskaźnik efektywności energetycznej jest niski przy produkcji metyloestru zostają wody glicerynowe zawierające rakotwórczy formaldehyd

78 Energetyka biomasowa Wg. Piotra Lamparta Spalanie biomasy drzewnej, rolnej i odpadowej w oparciu o technikę kotłową, oraz kogeneracja ciepła i energii elektrycznej Fermentacja roślin zielonych, odpadów rolnych i zwierzęcych, odpadów komunalnych + kogeneracja Gazyfikacja odpadów komunalnych, ściekowych, odpadów przemysłu rolno-spożywczego + kogeneracja

79 Energetyka biomasowa potencjał w kraju Spalanie biomasy drzewnej, rolnej i odpadowej w oparciu o technikę kotłową + kogeneracja Zrębki drewniane, pelety drewniane i słomiane, 1 mln ha wierzby energetycznej plonność 25 ton/(ha rok) wartość energ. 18MJ/kg energia pierwotna 125 TWh/rok energia końcowa: elektryczna - 25 TWh, ciepło 90 TWh Gazyfikacja (fermentacja) roślin zielonych, oraz odpadów rolnych i zwierzęcych, odpadów komunalnych + kogeneracja Substraty np. kiszonka kukurydziana, gnojowica Produkt - biometan 1 mln ha kukurydzy potencjał ferment. 5 mld m 3 CH 4 / rok potencjał ferment. odpadów zwierzęcych 1.5 mld m 3 CH 4 / rok wartość energ. 36MJ/m 3 energia pierwotna w biogazie 65 TWh/rok energia końcowa: elektryczna - 22 TWh, ciepło 38 TWh Gazyfikacja odpadów komunalnych, ściekowych, odpadów przemysłu rolno-spożywczego + kogeneracja Produkty - gaz generatorowy, gaz oczyszczalniany, gaz wysypiskowy Energia końcowa: elektryczna > 10 TWh, ciepło > 15 TWh

80 Siłownie biomasowe to układy produkcji energii elektrycznej i ciepła w kogeneracji zasilane biomasą, m.in. siłownie parowe z kotłem parowym i turbogeneratorem parowym (na parę wodną), siłownie ORC z kotłem olejowym i turbogeneratorem ORC (na parę czynnika niskowrzącego)

81 KOGENERACJA W ENERGETYCE WĘGLOWEJ Turbina parowa przeciwprężna Turbina parowa upustowo-kondensacyjna

82 Siłownia parowa opalana biomasą Kogeneracyjna siłownia parowa; P parownik, TP turbina parowa, K kondensator, G generator. Układ z kotłem na parę nasyconą Układ z kotłem na wysokie parametry

83 PEC Płońsk Moc cieplna zamówiona 30 MWc Kocioł biomasowy 10.2 MWc 40 bar, 450 C Turbina przeciwprężna 2.1 MWe zdj. M. Szymaniak, S.Bykuć dzięki uprzejmości naczelnego energetyka PEC inż. J. Białoruckiego Budynek elektrociepłowni w Płońsku Hałda zrębków Wiata na biomasę z zadaszeniem Ruchoma podłoga i taśmociąg

84 Dwukorpusowa turbina przeciwprężna firmy Spilling Chłodnia wentylatorowa Węzeł ciepłowniczy Taśmociąg i hałda popiołu

85 Elektrociepłownia BRW Biłgoraj 2xKocioł biomasowy 6 MWc 26 bar, 430 C Turbina upustowo-kondensacyjna 2.7 MWe zdj. M. Szymaniak, S.Bykuć dzięki uprzejmości dyrektora EC inż. Z. Machałka Turbina parowa z generatorem firmy Tuthill-Nadrowski Silosy na biomasę i komin Magazyn paliwa: odpady z przemysłu meblarskiego

86 Panel sterowania w nastawni Stacja uzdatniania wody Szafy ze sterownikami Zbiornik wody chłodzącej kondensator

87 Siłownie biomasowe ORC Siłownia kogeneracyjna w obiegu ORC; P parownik, TP turbina parowa, K kondensator, G generator. dla odbiorców indywidualnych dla gminnych centrów energetycznych Moc cieplna 20 kw Moc elektryczna 4 kw Moc cieplna MW Moc elektryczna MW

88 Układ ORC Możliwość wykorzystania niskotemperaturowych źródeł ciepła, a tym samym utylizacji odnawialnych źródeł energii, Możliwość utylizacji ciepła odpadowego, Budowa modułowa łatwość dostosowania do wymaganego zakresu mocy Czynnik Olej silikonowy Czynnik HFE 7100

89 Rozwiązania zania układ adów w ORC z kotłami na biomasę Tartak Olczyk, Świdno Ostrów w Wielkopolski Źródło: Turboden Oczekiwane sprawności: Sprawność prod. en. Elektr. 20% Sprawność całkowita 90%

90 5 stopniowa turbina osiowa Źródło: K. Kosowski - częściowe zasilanie, - spadek ciśnienia od 16 do 1.8 bar obr/min, - spadek temperatury od 150 do 90 o C

91 Instalacja pilotażowa kompleks kogeneracyjny w Żychlinie Obieg oleju termalnego: - pętla wysokotemperaturowa 295 o C/235 o C Obieg czynnika roboczego (oleju silikonowego) - turbina od 7,6 bar/250 o C do 0.14 bar/210 o C -rekuperator para czynnika 210/120 o C, ciecz 90/175 o C - podgrzewacz 175 o C/250 o C - parownik o C - kondensator - 90 o C - woda ciepła (lato) 65 o C/45 o C,

92 Model Turboden 1.Regenerator 2.Skraplacz 3.Turbina wolnobieżna na 4.Generator 5.Pompa obiegowa 6.Podgrzewacz wstępny 7.Parownik 8.Sieć cieplna zasilanie 9.Sieć cieplna powrót 10.Olej termalny zasilanie 11.Olej termalny powrót

93 Oferta układu ORC z firmy Turboden

94 Modernizacja elektrociepłowni Zamknięcie 3 kotłów węglowych Instalacja układu ORC opalanego biomasą (0.8MWc, 0.15MWe) Instalacja układu kogeneracyjnego zasilanego gazem ziemnym z dwoma silnikami spalinowymi (3.5MWc, 3.2MWe) Instalacja układu biomasowego parowego kogeneracyjnego (5.2MWth, 2.7 MWe) Modernizacja 1 kotła weglowego (10MWc)

95 Analiza ekonomiczna dla instalacji ORC 0.15 MWe Okres spłaty inwestycji (NPV=0) to 7-8 lat

96 Analiza ekonomiczna dla układu parowego z kotłem 15 MWc i z turbiną przeciwprężną 2.1 MWe przystosowanego do pracy całorocznej Okres spłaty inwestycji (NPV=0) to 7-8 lat

97 BIOGAZOWNIE Źródło: BV Host MOŻLIWOŚCI ZINTEGROWANE UKŁADY PRODUKCJI ENERGII ELEKTRYCZNEJ I CIEPLNEJ, KOGENERACJA W MIEJSCU ZAPOTRZEBOWANIA NA CIEPŁO, OCZYSZCZANIE BIOGAZU I ZATŁACZANIE DO SIECI BIOGAZOWEJ

98 Biogazownia w Koczale Data uruchomienia instalacji: 15 kwietnia 2009 r. Główne obiekty biogazowni: Dwukomorowy zbiornik wstępny o poj m3 Zbiornik na komponenty o poj. 615 m3, Zbiornik mieszania o poj. 352 m3, 3 zbiorniki fermentacyjne o poj m3, 2 zbiorniki pofermentacyjne o poj m3, Plac na komponenty, Budynek techniczny, Stacja transformatorowa Przepompownia Podstawowe dane techniczne biogazowni: Wsad gnojowicy ton/rok, Wsad kiszonki kukurydzianej ton/rok, Wsad gliceryny ton/rok, Łączna pojemność komór fermentacyjnych m 3, 2 moduły prądowo-cieplne o łącznej mocy elekt kw i cieplnej 2206 kw. Kocioł gazowy o mocy cieplnej 1900 kw. Roczna produkcja biogazowni: Biogaz około m3, Energia elektryczna około kwh/rok, Energia cieplna około kwh/rok. Źródło: Poldanor

99 KOGENERACJA W MAŁEJ SKALI Zalety silnika: Schemat obiegu kogeneracyjnego tłokowego silnika spalinowego 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 awaryjnego, zasilania duża różnorodność stosowanych paliw, stosunkowo niskie nakłady inwestycyjne.

100 Obieg cieplny kogeneracyjnej turbiny gazowej Źródło: Capstone Zalety / wady układów z turbiną gazową: - długi czas eksploatacji, - nie wymagają częstych usług dla podtrzymania eksploatacji, - możliwość szybkiego uruchomienia do uzyskania obciążenia nominalnego, - sprawność o kilka punktów procentowych niższa niż dla silników spalinowych, - wysokie koszty inwestycyjne

101 Siłownie kogeneracyjne w układzie kombinowanym Sprawność produkcji energii 40-50% silnik spalinowy + układ ORC turbina gazowa + układ ORC

102 Wariant 1 Obieg oleju termalnego: - pętla wysokotemperaturowa 295 o C/235 o C Obieg czynnika roboczego (oleju silikonowego) - turbina od 7,6 bar/250 o C do 0.14 bar/210 o C - rekuperator para czynnika 210/120 o C, ciecz 90/175 o C - podgrzewacz o C/250 o C - parownik o C - kondensator - 90 o C - woda ciepła (lato) 65 o C/45 o C, Czynnik Olej silikonowy

103 Wariat 2 Obieg oleju termalnego: -pętla wysokotemperaturowa 260 o C/200 o C -Obieg czynnika roboczego (czynnik niskowrzący np. HFE 7100) - turbina od 15 bar/170 o C do 2 bar/130 o C - rekuperator para czynnika 130/80 o C, ciecz 70/100 o C - podgrzewacz 1 90 o C/170 o C - podgrzewacz 2 70 o C/85 o C - parownik o C - kondensator - 80 o C - woda ciepła (lato) 65 o C/45 o C, Czynnik HFE 7100

104 Kogeneracja energii elektrycznej i ciepła większa sprawność konwersji energii mniejsza emisja do środowiska, zastosowanie w energetyce zawodowej i rozproszonej

105 Układy hybrydowe Systemy wytwórcze energii elektrycznej lub ciepła wykorzystujące dwa lub więcej źródła energii (np. odnawialne źródła energii) Przykłady: turbina wiatrowa / ogniwa fotowoltaiczne / akumulator energii, turbina wiatrowa / sprężarka / magazyn sprężonego powietrza / turbina gazowa, turbina wiatrowa / ogniwa fotowoltaiczne / silnik spalinowy / akumulator energii, ogniwa fotowoltaiczne / ogniwa paliwowe, elektrownia wiatrowa / elektrownia wodna szczytowo-pompowa, silnik spalinowy / silnik elektryczny, kolektory słoneczne / gruntowy magazyn ciepła / pompa ciepła, kolektory słoneczne / kocioł biomasowy.

106 KONSUMPCJA ENERGII W POLSCCE transport 150 TWh/rok, ciepło 250 TWh/rok, energia elektryczna 140 TWh/rok, 2010 ZAINSTALOWANA MOC ELEKTRYCZNA 35 GW 2010 MOŻLIWOŚCI WZROSTU MOCY W POLSCE do roku 2030 modernizacja bloków węglowych GW, energia jądrowa 5-10 GW, energia wiatr (na lądzie/na morzu) 5-10 GW, energetyka biomasowa GW,

107 Model energetyki rozproszonej Zalety : możliwość wykorzystania lokalnych zasobów energetycznych, w szczególności odnawialnych źródeł energii, odpadów, możliwość produkcji różnych rodzajów energii w kogeneracji w miejscu zapotrzebowania na ciepło, redukcja strat przesyłowych, uniknięcie nadmiernej mocy zainstalowanej, zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego przez dywersyfikację źródeł energii

108 Energetyka biomasowa Spalanie biomasy zdrewniałej w oparciu o technikę kotłową, Kogeneracja ciepła i energii elektrycznej 1 mln ha wierzby energetycznej energia pierwotna 125 TWh/rok przy plonności 25 ton/(ha rok), wartości energ. 18MJ/kg energia końcowa: elektryczna - 20 TWh, ciepło 90 TWh Gazyfikacja roślin zielonych, odpadów zwierzęcych, komunalnych, ściekowych, Kogeneracja energii elektrycznej i ciepła 1 mln ha kukurydzy energia pierwotna w biogazie 50 TWh/rok przy pot. ferment m 3 CH 4 /(ha rok), wartości energ. 36MJ/m 3 energia końcowa: elektryczna - 17 TWh, ciepło 28 TWh pot. ferment. odpadów zwierzęcych 2 mld m 3 / rok

109 BIOGAZOWNIE Źródło: HOST BV SKOJARZONE UKŁADY PRODUKCJI PALIW, ENERGII ELEKTRYCZNEJ I CIEPŁA, KOGENERACJA W MIEJSCU ZAPOTRZEBOWANIA NA CIEPŁO, OCZYSZCZANIE I USZLACHETNIANIE BIOGAZU, ZATŁACZANIE DO SIECI GAZOWEJ

110 KOGENERACJA W MAŁEJ SKALI (ENERGETYKA ROZPROSZONA) Schemat obiegu kogeneracyjnego tłokowego silnika spalinowego Zalety silnika: 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.

111 KOGENERACJA W MAŁEJ SKALI (NA TURBINIE GAZOWEJ) Capstone 65 kw Obieg cieplny kogeneracyjnej turbiny gazowej Zalety / wady układów z turbiną gazową: - długi czas eksploatacji, - nie wymagają częstych usług dla podtrzymania eksploatacji, - możliwość szybkiego uruchomienia do uzyskania obciążenia nominalnego, - sprawność o kilka punktów procentowych niższa niż dla silników spalinowych, - wysokie koszty inwestycyjne

112 KOGENERACJA W DUŻEJ SKALI (BLOKI WĘGLOWE) Turbina parowa przeciwprężna Turbina parowa upustowo-kondensacyjna

113 Siłownie ORC Siłownia kogeneracyjna w obiegu parowym ORC; P parownik, TP turbina parowa, K kondensator, G generator. dla odbiorców indywidualnych dla gminnych centrów energetycznych Moc cieplna 20 kw Moc elektryczna 4 kw Moc cieplna 5 MW Moc elektryczna 1 MW

114 Dlaczego ORC? (na czynnik niskowrzący) Możliwość wykorzystania niskotemperaturowych źródeł ciepła, a tym samym utylizacji odnawialnych źródeł energii, Możliwość wykorzystania biogazu i biomasy lignocelulozowej w oparciu o kocioł wielopaliwowy. Możliwość utylizacji ciepła odpadowego, Budowa modułowa łatwość dostosowania do wymaganego zakresu mocy, Możliwość współpracy z turbiną gazową, silnikiem spalinowym i stosem ogniw paliwowych, układem produkcji chłodu Innowacyjność ORC Obieg parowy Rankina z turbiną pracującą w oparciu o czynnik organiczny (ORC) w systemie produkcji energii cieplnej i elektrycznej w niedostępnym dotychczas zakresie mocy, Nowatorski projekt kotła wielopaliwowego współpracującego z ORC, Projekt wysokoobrotowego turbogeneratora parowego, Zastosowanie technologii łożysk wysokoobrotowych, Zastosowanie nowoczesnych metod symulacji numerycznej układu przepływowego, układu dynamicznego typu wirnik-łożysko i diagnostyki technicznej układu, Wykorzystanie ciepła odpadowego z procesów technologicznych do produkcji chłodu

115 Kogeneracja w oparciu o mikro układ ORC dobór czynnika i parametrów pracy odpowiedniego dla konkretnego zastosowania typoszereg elementów składowych układu (turbiny, wymienników ciepła, pompy, kotła) dla zakresu mocy od kilku do kilkudziesięciu kwe Projekt mikrochp (20kWt, 2.5kWe) Mikroturbina V1 Stanowisko badawcze mikrochp w IMPPAN

116 90 C Gminne Centra Energetyczne Ciepłownie poligeneracyjne Specjalne procesy technologiczne (klimatyzacja) Wielokrotny układ N x ORC z generatorem Odbiorniki energii elektrycznej olej Obiegi z naturalnym czynnikiem niskowrzącym Odbiorniki energii cieplnej Moc cieplna modułu 1 MW Moc elektryczna 200 kw 50 C 116

117 Dostępne pierwsze rozwiązania zania układ adów w ORC z turbiną wolnobieżną 1.Regenerator 2.Skraplacz 3.Turbina wolnobieżna na 4.Generator 5.Pompa obiegowa 6.Podgrzewacz wstępny 7.Parownik 8.Sieć cieplna zasilanie 9.Sieć cieplna powrót 10.Olej termalny zasilanie 11.Olej termalny powrót model Turboden

118 Modernizacje modernizacja kotłowni Stan obecny węgiel ciepło użytkowe biomasa Wady: przestarzała infrastruktura kotłowni - częściowo modernizowana w oparciu o tradycyjne technologie, bardzo duża konkurencja na rynku; niska atrakcyjność w porównaniu z indywidualnymi systemami grzewczymi Propozycje nowych rozwiązań: filozofia poligeneracji energia elektryczna biomasa ciepło użytkowe Na bazie ciepła uzyskiwanego z biomasy produkcja ciepła użytkowego, energii elektrycznej i chłodu w innowacyjnej modułowej technologii ORC Chłód 118 klimatyzacja

119 Siłownie kogeneracyjne w układzie kombinowanym: silnik spalinowy + układ ORC (rys. górny) ; B turbina gazowa + układ ORC (rys. dolny) Sprawność produkcji energii elektrycznej 40-50%

120 Układ poligeneracyjny zasilany biomasą / biogazem

121 Kogeneracja w układzie z ogniwem paliwowym Zalety: wysoka sprawność elektryczna budowa modułowa brak hałasu (bez elementów wirujących i ruchomych) brak emisji NO x i CO 2 Źródło: Internet

122 Układy hybrydowe Zalety: - pozwalają przezwyciężyć ograniczenia i maksymalnie wykorzystać zalety każdego źródła, - stanowią gwarancję ciągłości dostaw energii, - gwarantują mniejsze zużycie paliwa / redukcję emisji, - HYRES promują wzrost wykorzystania RES. Zastosowania: - zasilanie obszarów wiejskich, lokalizacji z dala od sieci, - domy letniskowe, ośrodki wypoczynkowe, jachty, - budownictwo zero-energetyczne i plus-energetyczne, - oświetlenie uliczne, -...

123 BLOK ENERGII ELEKTRYCZNEJ Układy hybrydowe Schemat układu hybrydowego

124 Przydomowe siłownie wiatrowe Rynek w Polsce duży potencjał, ogromne zainteresowanie, najlepsze warunki Polska Północna, instalacje przydomowe / zintegrowane z budynkami CO DZIAŁA NA NIEKORZYŚĆ? Główne zainteresowanie: 1-3 kw bariery prawne / logistyczne, niedoinformowanie, niechęć do rozwiązań on-grid, brak urządzeń pomocniczych do rozwiązań off-grid

125 Zgłoszenie patentowe IMPPAN Prof. dr hab. Piotr Doerffer Proponowane rozwiązanie jest bardzo proste, polega na zasłonięciu tej części wirnika, która porusza się pod wiatr, powodując opór aerodynamiczny. Element zasłaniający wirnik stanowi klin, wykorzystywany jako kierownica ustawiająca system w kierunku wiatru. Wirniki muszą być przeciwbieżne. W I A T R Rozwiązanie oparte na zgłoszeniu patentowym IMP PAN. Wstępne badania zdolności patentowej nie wykazały konfliktu z istniejącymi rozwiązaniami, pozwalając wejść na rynek bez zagrożenia naruszenia czyjejś własności intelektualnej.

126 Ulepszone rozwiązanie zwiększające wydajność nieco bardziej kosztowne

127 Ogniwa fotowoltaiczne Systemy fotowoltaiczne mogą być zintegrowane z budynkami (BIPV) Systemy fotowoltaiczne mogą stanowić element układu hybrydowego

128 Mikrosiłownie Wodne: Typoszereg turbin niskospadowych dla proekologicznych małych elektrowni wodnych Dlaczego powinniśmy zabiegać o rozwój j małej energetyki wodnej w makroregionie północnej p Polski? - W naszym makroregionie przeważają rzeki nizinne, o relatywnie niewielkich spadach, poniżej 4 m słupa wody oraz dużym i stałym na przestrzeni roku natężeniu przepływu. - Stopień energetycznego wykorzystania piętrzeń niskospadowych tych rzek jest znikomy. Udział energetyczny obiektów piętrzących w Polsce około 50% stanowią obiekty niskospadowe, wykorzystane w niewielkim stopniu m (15%) m m (28%) spad H = m (45%) KORZYŚCI 1. Zwiększenie produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych 2. Poprawa bezpieczeństwa energetycznego w regionie 3. Zwiększenie ochrony środowiska, głównie poprzez poprawę stosunków wodnych - podniesienie poziomu wód gruntowych 4. Rozwój infrastruktury turystycznej i rekreacyjnej 5. Zmniejszenie bezrobocia w regionie

129 Idealne rozwiązanie - niskospadowe elektrownie wodne z turbinami specjalnej konstrukcji. parametry typoszeregu turbin niskospadowych : Spad : H = (1.5 4 ) m sł. wody Przepływ: Q = (0.3 12) m 3 /s Generowana moc: P e = (10 350) kw Przewidywana sprawność: η = (75 85)% Wyróżnik szybkobieżności: n SQ = ( ) Innowacyjność nowy układ łopatkowy turbiny wodnej rurowej o wysokim wyróżniku szybkobieżności zaprojektowany z wykorzystaniem nowoczesnych metod obliczeniowych i badawczych, układ sterowania pracą turbiny z uwzględnieniem zmiany szybkości obrotowej jej wirnika, nowoczesna metoda projektowania turbin wysokobieżnych zweryfikowaną na podstawie badań doświadczalnych modelu, metoda optymalizacji wykorzystania zasobów wodnych z uwzględnieniem aspektów środowiskowych i nową metodę określania jednostkowej energii hydraulicznej turbiny wodnej na niskie spady.

130 Układ hybrydowy produkcji energii elektrycznej: turbina wiatrowa / ogniwa fotowoltaiczne / zgazowarka drewna+silnik spalinowy Źródło: Ashikaga Inst.Tech.

131 Źródło: Ashikaga Inst.Tech.

132 Układ hybrydowy produkcji energii elektrycznej: turbina wiatrowa / silnik spalinowy Źródło: US Dept. Energy

133 Układ hybrydowy produkcji energii elektrycznej: Ogniwa PV / bateria akumulatorów / silnik spalinowy Źródło: US Dept. Energy

134 Układ hybrydowy produkcji energii elektrycznej: Elektrownia słoneczna / elektrownia gazowa Źródło: US Dept. Energy

135 Źródło: NREL

136 Źródło: NREL

137 Lampy uliczne - hybrydowe Specyfikacja Źródło: Solar Solutions Wysokość słupa: 8M Materiał: ocynkowana stal Wymiary: górna średnica 90mm i 133mm /dolna średnica 160mm Grubość materiału z którego wykonany jest słup: 4 mm Wymiary podstawy słupa: 300*300mm Czas pracy lampy: do 14-15h/dzień Model oprawy: Sp 1009 LED Wymiary oprawy:870x300x120mm Materiał: oprawa wykonana z aluminium i hartowanego szkła Barwa światła: czysto biała Źródło światła: 50W LED ( porównywalne do 150W sodowej HPS ) Stopień ochrony: IP65 Autonomia: do 3-4 dni Wymiary panela: 1316*992*48 mm Moc paneli: 2 szt. po 185W Kontroler: zabezpiecza przed przeładowaniem i rozładowaniem Akumulator: 2 szt. po 150Ah/12V Typ akumulatora: żelowy Sposób włączania: włącznik zmierzchowy Moc wiatraka: 200W lub 400W Poziom generowania prądu: już słaby wiatr o prędkości 3 m/s generuje elektryczność

138 Źródło: NREL

139 Siłownie wiatrowe małej mocy z magazynem energii WIATR Generator Sprężone powietrze (magazyn energii) Turbina 1: wiatr do 4 m/s ładowanie zbiornika powietrza wiatr od 4 m/s napęd generatora prądu Sprzęgło Odbiorniki energii elektrycznej Turbina 2: napęd generatora przy wykorzystaniu sprężonego powietrza

140 Układy skojarzone: Energia wprost z Natury słońce + elektrownia wiatrowa + ultra-niskospadowa elektrownia wodna + ogniwa paliwowe oraz podsystem magazynowania energii Kolektory słoneczne Klimatyzacja solarna Prąd przemienny Odbiorniki energii elektrycznej WIATR Magazyn energii: sprężone powietrze Sterowanie elektrownia wiatrowa Prąd przemienny Moduły fotowoltaiczne Ogniwo paliwowe PEM (niskotemperaturowe) Moc elektr. 8 KW Moc cieplna 3 KW Prąd stały 8KW 3 KW ultra-niskospadowa elektrownia wodna tlen wodór Prąd przemienny Produkcja H 2 Magazyn energii wodór + tlen O 2

141 BLOK ENERGII CIEPLNEJ Układy hybrydowe Hybrydowy układ grzewczo-klimatyzacyjny: kolektory słoneczne gruntowy zasobnik ciepła pompa ciepła urządzenia klimatyzacyjne Zalety: - magazynowanie ciepła nadmiarowego w sezonie letnim w gruntowym akumulatorze, skąd zakumulowany zasób energii cieplnej będzie skonsumowany poprzez gruntową pompę ciepła; - bezpośredni odbiór nadmiarowego ciepła do napędu tzw. klimatyzacji solarnej.

142 Q użytkowe Q nadmiarowe Pompa ciepła Ciepło zakumulowane Magazynowanie energii cieplnej w gruntowym zasobniku ciepła

143 95 o C 90 o C 10 o C 35 o C COP = Strumienicowy układ klimatyzacji solarnej w IMPPAN.

144 Propozycja z Bułgarii Źródło: Internet

145 PODSUMOWANIE Siłownie kogeneracyjne wyposażone w układy parowe i ORC mikrosiłownie kogeneracyjne o mocy ciepnej do 20 kwc i elektrycznej od kilku kwe dedykowane dla odbiorców indywidualnych jako Domowe Siłownie Kogeneracyjne, minisiłownie kogeneracyjne o mocy cieplnej do ok. 5 MWc i elektrycznej 1 MWe dedykowane dla gmin i powiatów (jako elementy Gminnych Centrów Energetycznych), minisiłownie kogeneracyjne w obiegu gazowo/parowym skojarzone z układami produkcji paliw z biomasy i o wysokiej sprawności produkcji energii elektrycznej w zakresie mocy 0.5-2MWe