Rys.1. Średnia cena 1 Mg węgla kamiennego w Polsce (opracowanie własne za GUS).

Transkrypt

1 ENERGIA ODNAWIALNA W POLSCE. TECHNOLOGIE BIOENERGETYCZNE B. Igliński, R. Buczkowski Zakład Chemicznych Procesów Proekologicznych, Wydział Chemii UMK, Toruń Wprowadzenie Dynamiczny rozwój gospodarczy świata w ostatnich dziesięcioleciach spowodował gwałtowny popyt na energię. Ówczesna energetyka oparta na źródłach odnawialnych została dość gwałtownie wyparta przez duże korporacje pozyskujące na ogromną skalę paliwa kopalne. W pierwszej połowie światowa gospodarka niemal całkowicie przestawiła się na energię pozyskiwaną z węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego [1]. Od połowy lat 70-tych XX w. obserwuje się powrót do energetyki odnawialnej, spowodowany coraz wyższymi cenami za kopalne nośniki energii. W latach cena za baryłkę ropy wzrosła 1000%, osiągając 40$ (dziś to niemal 130$). Wiele krajów nie było stać na zakup drogiej ropy, stąd np. Brazylia oparła swoją energetykę o elektrownie wodne, a motoryzację o bioetanolu [2]. Również w Polsce boleśnie odczuwamy wzrost cen węgla, a co za tym idzie energii elektrycznej (Rys. 1). Średnia cena węgla w 2010 r. osiągnęła 720 PLN, nierzadko osiągając cenę na składach węgla powyżej 1000 PLN [3]. Ostatnie podwyżki cen spowodowały, że polski prąd elektryczny jest droższy od niemieckiego. Przewiduje się dalsze, drastyczne podwyżki cen prądu w Polsce [4]. Również ceny paliw w Polsce nigdy nie osiągnęły takiego poziomu, a ekonomiści twierdzą że w wakacje 2011 cena za 1 litr benzyny może przekroczyć 6 PLN. Wysokie ceny nośników energii powodują szybki wzrost cen żywności i usług, co nakręca spiralę podwyżek, które coraz bardziej odczuwamy. Rys.1. Średnia cena 1 Mg węgla kamiennego w Polsce (opracowanie własne za GUS). Obecnie paliwa kopalne praktycznie nie powstają, wobec czego ich zasoby się wyczerpują. Według International Energy Agency ropa naftowa skończy się za 35 lat, gaz ziemny za 55 lat, węgiel kamienny za 180 lat, węgiel brunatny za 220 lat [5]. Pozyskiwanie, przesyłanie i spalanie kopalnych nośników energii powoduje ogromne obciążenie dla środowiska, za które płacimy my wszyscy. Spalanie konwencjonalnych paliw powoduje coraz większy uszczerbek na zdrowiu ludzi. Przykładowo, powstający podczas spalania paliw NO 2 powoduje choroby układu oddechowego, narażenie na jego wysokie stężenie może powodować bronchit. Najbardziej narażone są dzieci i astmatycy [6]. Produkcja biomasy w Polsce Obowiązująca w Polsce definicja biomasy cytowana w 2.1 Rozporządzenia Ministra Gospodarki i Pracy (Dz. U. Nr 267, poz. 2656) [7], w pełni zbieżna z definicją biomasy zawartą w art. 2b dyrektywy 2001/77/WE [8], brzmi następująco: Biomasa stałe lub ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także z przemysłu przetwarzającego ich produkty, a także części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji. 1

2 Polska posiada duże zasoby bioenergii. Największe możliwości produkcji energii daje słoma zbóż i rzepaku, odpady z przemysłu rolno-spożywczego i odpady drewna leśnego, jak również plantacje roślin energetycznych. Spośród wielu możliwych do uprawy w klimacie Polski roślin energetycznych, wierzba wiciowa (Salix viminalis L.) jest zdecydowanie najpopularniejszą rośliną uprawianą w Polsce [9]. Lokalizację plantacji roślin energetycznych w Polsce przedstawiono na Rys. 1. Warto zaznaczyć, iż wiele plantacji uprawiajacych biomasę na potrzeby własne ma powierzchnię około 1-2 ha. Największy areał pod uprawy roślin energetycznych przeznaczany jest w Polsce północno-zachodniej (zachodniopomorskie), południowo-zachodniej (dolnośląskie, opolskie). W Polsce zakłada się głównie plantacje wierzby energetycznej, ale podejmowane są próby wykorzystania również innych roślin energetycznych. Przykładowo, niedaleko Gdańska, w miejscowości Nowy Dwór Gdański, założono plantację malwy pensylwańskiej (Sida hermaphrodita) o powierzchni 750 ha. Plantacja zasila w bioenergię ciepłownię miejską w Nowym Dworze Gdańskim o mocy 15 MW [10]. Rys. 2. Plantacje roślin energetycznych w Polsce [11] Rynek peletów i brykietów w Polsce rozwija się dosyć dobrze; zakres zastosowań peletów i brykietów obejmuje sektory: użytkowników indywidualnych i komunalnych oraz energetykę przemysłową i zawodową, nadają się one bowiem do zasilania małych kotłów ciepłowniczych, kotłów rusztowych, kotłów fluidalnych oraz do kotłów pyłowych. Duże znaczenie ma eksport, na przykład w 2005 r. wyprodukowano ponad Mg peletów, z czego Mg na eksport. Rosnącemu eksportowi peletów i brykietów nadal nie dorównuje rozwój własnego, krajowego rynku [12]. Brak rozwiniętej sieci dystrybucji i informacji o produkcie oraz jego cenie i jakości powoduje, że pelety i brykiety zalegają w magazynach w jednej części kraju, podczas gdy istnieje na nie zapotrzebowanie w innym rejonach. Zakłady produkujące pelety i brykiety zlokalizowane są na terenach, gdzie dominują uprawy rolnicze (w tym rośliny energetyczne) i leśne. Najwięcej producentów biomasy ma swoje zakłady w okolicach Szczecinka, Poznania i Opola [12]. Spalanie i współspalanie biomasy Wykorzystanie drewna na cele opałowe ma w Polsce długą tradycję, zwłaszcza jeśli chodzi o spalanie drewna w indywidualnych kotłowniach małej mocy. Liczbę gospodarstw indywidualnych wyposażonych w kotły na drewno ładowanych ręcznie szacuje się na około 100 tysięcy, przy czym ich moc jest rzędu kilku kw [13]. Ciepłownie wykorzystujące biomasę znajdują się głównie w północnej części Polski (Rys. 3). Największe ciepłownie na biomasę znajdują się w okolicach Szczecinka, w Barlinku, w Brodnicy, w Morągu, w Hajnówce i w Piszu. W Piszu znajduje się największa kotłownia na biomasę pracują tam 4 kotły typu POLYTECHNIK o łącznej mocy 21 MW i sprawności 87,4% [14]. Kotłownia wykorzystuje zrębki, wióry, wióro-zrębki, klepkę drzewną, zrzyny, trociny, odpady z palet i wierzbę energetyczną [15]. Podobny rodzaj biomasy wykorzystywany jest w większości kotłowni w Polsce. Przykładem innego paliwa są szyszki spalane w wytłuszczarni w Nadleśnictwie Białogard (niedaleko Szczecinka). Roczne spalanie szyszek ton szyszek [10]. Z kolei w zakładzie celulozowo-papierniczym International Paper Kwidzyn S.A. wykorzystywany jest kocioł sodowy 2

3 spalający ługi powarzelne. Kocioł ma moc cieplną 204 MWt. W skojarzeniu z produkcją ciepła produkowana jest także energia elektryczna. Przykładowo, w pierwszym kwartale 2005 r. wyprodukowano w IP Kwidzyn MWh energii elektrycznej z biomasy. W Polsce wykorzystywane są również suche pestki owoców i ziarno zbóż, głównie owsa. Koszty ogrzewania ziarnem są dwukrotnie niższe od opalania gazem, a trzykrotnie od opalania węglem [16]. Rys. 3. Spalanie i współspalanie biomasy [17] Produkcja biopaliw i biokomponentów w Polsce Od 2006 roku obowiązuje w Polsce Ustawa z dnia 25 sierpnia 2006 r. o biokomponentach i biopaliwach ciekłych [18], która w sposób jednoznaczny definiuje pojęcie biopaliw. W myśl ustawy za biopaliwa ciekłe uznane zostały: benzyny silnikowe zawierające powyżej 5,0% objętościowo biokomponentów lub powyżej 15,0% objętościowo eterów, olej napędowy zawierający powyżej 5,0% objętościowo biokomponentów, ester, bioetanol, biometanol, dimetyloeter oraz czysty olej roślinny stanowiące samoistne paliwa, biogaz gaz pozyskany z biomasy, biowodór wodór pozyskiwany z biomasy, biopaliwa syntetyczne syntetyczne węglowodory lub mieszanki syntetycznych węglowodorów, wytwarzane z biomasy, stanowiące samoistne paliwa. Spośród roślin oleistych uprawianych na cele spożywcze i motoryzacyjne zdecydowane pierwsze miejsce w Polsce zajmuje rzepak (Brassica napus L.) [19]. W Polsce stosuje się trzy podstawowe technologie olejarskie, uzależnione od skali uzysku produktu finalnego. Duże olejarnie przemysłowe stosują technologię polegającą na wstępnym tłoczeniu oleju przy pomocy pras ślimakowych z ziarna uprzednio poddanego kondycjonowaniu w prażalni. Drugim etapem jest ekstrakcja pozostałej części oleju z wytłoku przy pomocy rozpuszczalnika (heksan i benzyny lekkie). Technologia ta pozwala na uzyskanie trzech produktów końcowych: oleju surowego, oleju poekstrakcyjnego oraz śruty poekstrakcyjnej. Wskaźnik uzysku oleju otrzymanego w przypadku tej technologii waha się w granicach 0,41-0,42. Zdolności przerobowe olejarni wykorzystujących technologię klasyczną zawierają się w granicach ton rzepaku na dobę. Technologia klasyczna posiada jednak pewne wady. Śruta poekstrakcyjna ma zdecydowanie mniejszą przydatność paszową ze względu na silnie zdenaturowane białko oraz zawiera resztki rozpuszczalnika [20]. Największe zakłady wytwarzające olej rzepakowy z przeznaczeniem na cele paliwowe znajdują się w Kruszwicy i Szamotułach (Rys. 4). 3

4 Olejarnie małe, o zdolnościach przerobowych około 50 ton na dobę, stosują proces jedno- lub dwustopniowego tłoczenia na gorąco oleju z nasion rzepaku. Przed przystąpieniem do procesu właściwego tłoczenia, nasiona są odpowiednio rozdrabniane oraz kondycjonowane. W efekcie otrzymuje się olej surowy oraz wytłok. W przeciwieństwie do technologii klasycznej, technologia tłoczenia końcowego na gorąco jest proekologiczna, a walory paszowe wytłoku są zdecydowanie większe (wyższa zawartość białka rozpuszczalnego, wyższa wartość energetyczna, brak resztek rozpuszczalnika) [21]. Olejarnie bardzo małe, mające zdolności przerobowe 1-15 ton na dobę, tzw. miniolejarnie wykorzystują technologię końcowego tłoczenia na zimno, stosując proces jedno lub dwustopniowy po uprzednim częściowym rozdrobnieniu nasion i podgrzaniu ich do temperatury nie wyższej niż 45 C [19]. Proces otrzymywania oleju rzepakowego jako surowca do produkcji estrów oleju rzepakowego, składa się z trzech podstawowych operacji technologicznych: rozdrabnianie nasion rzepaku, tłoczenie oleju, filtracja oleju. Zabiegi te mogą być prowadzone w małych olejarniach o niewielkich zdolnościach przerobowych, tj. 0,1-0,5 t nasion na godzinę, jak również w olejarniach przemysłowych o znacznie większej wydajności osiągających nawet ton rocznie. W zakładach olejarskich o dużych zdolnościach przerobowych proces pozyskiwania oleju z nasion jest wzbogacony w dodatkowe procesy: ekstrakcję, bielenie i ponowną filtrację [20]. W Polsce proces transestryfikacji prowadzi się najczęściej z wykorzystaniem metanolu i katalizatora [17]. Tradycje gorzelnictwa w Polsce sięgają XVI wieku. W 2000 roku w Polsce pracowało około 900 gorzelni, jednak ich liczba w ostatnim czasie spadła do około 150. Większość wyrobów alkoholowych produkowana jest w gorzelniach rolniczych, zlokalizowanych w rejonach o dużej produkcji ziemniaków. Zdolność produkcyjna wszystkich gorzelni w Polsce wynosi około 400 mln dm 3 spirytusu rocznie. Natomiast zapotrzebowanie na spirytus dla przemysłu i dla celów konsumpcyjnych nie przekracza 250 mln dm 3. Istnieją więc przesłanki przemawiające za rozpowszechnieniem dodatku spirytusu do benzyny silnikowej [17]. Obecnie największe zakłady wytwarzające bioetanol znajdują się w Obornikach, Wrocławiu, Nysie, Trzebini i Czechowicach-Dziedzicach (Rys. 4). Miastem, które jako pierwsze wprowadziło bioetanol w 2007 roku był Słupsk [22]. Rys. 4. Producenci biopaliw i biokomponentów w Polsce [17] Pozyskiwanie biogazu w Polsce Substraty do pozyskiwania biogazu w Polsce to najczęściej osad surowy i osad nadmierny z oczyszczalni ścieków, odpady komunalne (składowiska odpadów), odpady przemysłu spożywczego [23]. Pierwsze biogazownie w Polsce zaczęły powstawać przed II wojną światową, na szerszą skalę buduje się je od drugiej połowie lat 90-tych XX wieku. Jedną z pierwszych profesjonalnych biogazowni na oczyszczalni ścieków uruchomiono w 1998 r. w Inowrocławiu (moc elektryczna 320 kw, moc cieplna 540 kw). Natomiast jedną z pierwszych biogazowni wykorzystujących gaz wysypiskowy była, uruchomiona w 1996 r., instalacja w Braniewie (na północy Polski). Gaz służy tam do produkcji ciepła instalacja o mocy 1,3 MW zapewnia ogrzewanie i ciepłą wodę dla 65% mieszkańców 18-tysięcznego miasta [24]. Obecnie znaczącego Polsce pracuje około 150 biogazowni (Rys. 5). 4

5 Mimo znaczącego wzrostu liczby biogazowni w ostatnich latach, ten rodzaj energii jest nadal wykorzystywany w niewielkim stopniu. W Polsce działa około 1700 oczyszczalni przemysłowych i około 1500 oczyszczalni komunalnych, co oznacza że zaledwie 1% oczyszczalni zagospodarowuje powstający biogaz. Ze względów technologicznych nie wszystkie obiekty nadają się do produkcji biogazu, lecz baza do modernizacji i wykorzystania pozostaje nadal ogromna. To samo dotyczy składowisk odpadów w Polsce możliwe jest do pozyskiwania ok mln m 3 gazu rocznie tylko ze składowisk komunalnych [24]. Aktualnie w Polsce pracuje 8 biogazowni rolniczych (Rys. 5), kolejne 3 są w fazie rozruchu [17]. Pierwsza biogazownia rolnicza o mocy 725 kw została oddana do użytku w czerwcu 2005 r. w Pawłówku. Potencjał sektora rolniczego jest również ogromny, pełne wykorzystanie odpadów rolno-spożywczych w Polsce znacząco ograniczyłoby import gazu ziemnego. Wdrażanie programów budowy biogazowni zapewni większe bezpieczeństwo energetyczne, rozwój infrastruktury, powstanie nowych miejsc pracy oraz rynek zbytu dla lokalnej produkcji rolnej. Budowa biogazowni w Polsce staje się przedsięwzięciem czysto biznesowym, korzystnym zarówno dla inwestorów, firm budowlanych, jak i sektora rolno-spożywczego jako dostawcy surowców do produkcji biogazu. Rys. 5. Biogazownie w Polsce Polsce [17]. Podsumowanie Polska jako kraj rolniczy powinna rozwijać technologie oparte na biomasie, biopaliwach i biogazie. Potencjalnych inwestorów Polsce odstraszają wysokie początkowe nakłady inwestycyjne technologii OZE, wysokie koszty przygotowania inwestycji w stosunku do kosztów eksploatacyjnych oraz brak precyzyjnie zdefiniowanych mechanizmów ekonomicznych i podatkowych w budżecie państwa i polityce finansowej oraz strategii, programów i harmonogramu wydatkowania środków z funduszy ekologicznych i parabudżetowych, zniechęcają inwestorów i utrudniają stabilny rozwój sektora po najniższych kosztach. W otrzymanych przez autorów ankietach respondenci podkreślają, że wsparcie ze strony władz jest zbyt małe, brakuje szkoleń, warsztatów dla producentów bioenergii, szerokiej promocji. Mimo wielu przeciwności, producenci bioenergii w Polsce planują rozszerzyć swoją działalność w najbliższych latach. Instalacje wykorzystujące odnawialne źródła energii (OZE) w Polsce z natury swojej mają charakter lokalny i nie wymagają tworzenia scentralizowanej infrastruktury technicznej. Jako małe i rozproszone technologie naturalnie wpisują się w politykę, strategię i plany rozwoju Unii Europejskiej, jak również regionalnego i lokalnego. Literatura [1] B. Igliński i in., Technologie bioenergetyczne, Wyd. UMK, Toruń [2] (wejście ). [3] (wejście ). [4] H. Kaliś, Warto inwestować we własne źródła energii, Konferencja Inwestycje w źródła wytwarzania energii w przemyśle, Włocławek, [5] (wejście ). 5

6 [6] A. Słupczewski, U. Radovic, Koszty zewnętrzne wytwarzania energii elektrycznej w Polsce, Biuletyn Miesięczny PSE, 14-29, styczeń [7] Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 9 grudnia 2004 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązku zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii, Dz. U. Nr 267, poz [8] Dyrektywa 2001/77/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 września 2001 r. w sprawie wspierania produkcji na rynku wewnętrznym energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych, Dziennik Urzędowy Wspólnot Europejskich, L 283/33. [9] E. Gańko, Potencjał techniczny produkcji roślin na cele energetyczne w Polsce, materiały XII Konferencji Naukowej Uprawa roślin energetycznych a wykorzystanie rolniczej przestrzeni produkcyjnej w Polsce, Puławy [10] (wejście ). [11] D. Szamańska, J. Chodowska-Miszczuk, Endpgenous resources utilization of rurar areas In shaping sustainable development in Poland, Renewable and Sustainable Energy Reviews , [12] M. Jakubiak, W. Kortylewski, Pelety podstawowym biopaliwem dla energetyki, Archiwum Spalania 8 (3-4), , [13] P. Gradziuk (red.), Biopaliwa, Wyd. Wieś Jutra, Warszawa [14] H. Poślednik, Ciepłownie w Piszu rok doświadczeń, Czysta Energia 2, 22-26, [15] P. Sołowiej, K. Nalepa, M. Neugebauer, Analiza energetyczno-ekonomiczna produkcji energii cieplnej w kotłowniach na zrębki drewna, Inżynieria Rolnicza 2(100), , [16] (wejście ). [17] Igliński B., Iglińska A., Kujawski W., Buczkowski R., Cichosz M., Bioenergy in Poland, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, , [18] Ustawa z dnia 25 sierpnia 2006 r. o biokomponentach i biopaliwach ciekłych, Dziennik Ustaw z 2006 r. Nr 169 poz [19] J. Tys i in, Technologie i ekonomiczne uwarunkowania produkcji biopaliwa z rzeaku, Rozprawy i Monografie, Instytut Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego PAN, Lublin [20] J. Krzymański (red.), Olej rzepakowy nowy surowiec, nowa prawda, Polskie Stowarzyszenie Producentów Oleju, Warszawa [21] G. Wiśniewski (red.), Ocena stanu i perspektywy produkcji krajowej urządzeń dla energetyki odnawialnej, EC BREC, Warszawa [22] (wejście ). [23] A. Oniszak- Popławska; M. Zowsik; G. Wiśniewski, Produkcja i wykorzystanie biogazu rolniczego, EC BREC/ IBMER, Warszawa [24] J. Krzak, Biogazownie w Polsce niedocenione źródło energii, INFOS 4(51), 1-4,