ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013 Wojciech Gis 1, Andrzej Żółtowski 2, Paulina Grzelak 3 POTENCJAŁ PRODUKCJI BIOGAZU W POLSCE 1. Wstęp Dyrektywa Unii Europejskiej 2009/28/WE z 5 czerwca 2009 r. dotycząca promocji odnawialnych źródeł energii, zobowiązuje Polskę do osiągnięcia 15% udziału OZE w końcowym zużyciu energii w 2020 roku [1]. Wobec tego stwarza szanse rozwoju dla sektora biogazowego, który może znaleźć bezpośrednie i pośrednie zastosowanie w odniesieniu do produkcji zarówno energii elektrycznej, ciepła jak również jako paliwo transportowe. Przygotowywany przez rząd dokument Plan działań w zakresie energetyki odnawialnej do 2020 roku jako plan wdrożenia ww. dyrektywy ma wyszczególnić udziały poszczególnych nośników energii z OZE i technologii w osiągnięciu krajowego celu wskaźnikowego oraz ich udział w ogólnym, krajowym bilansie wykorzystania energii. Wprowadzenie nowego systemu wsparcia, w tym nowego systemu certyfikatów w ramach nowelizacji Prawa Energetycznego, zadecyduje o opłacalności inwestycji biogazowych w najbliższych latach. 2. Potencjał biogazu w Polsce 2.1. Biogaz z wysypisk W Polsce w 2000 roku zarejestrowanych było ok. 700 czynnych składowisk odpadów. Oszacowano, że produkowały one rocznie ponad 600 mln m 3 metanu. W praktyce zasoby gazu wysypiskowego, możliwe do pozyskania, nie przekraczają (30 45)% całkowitego potencjału powstającego na wysypisku gazu. W takich warunkach zasoby metanu realnie możliwe do pozyskania z samych wysypisk odpadów komunalnych są szacowane na ( ) mln m 3 biometanu rocznie, co jest równoważne TJ energii elektrycznej. Potencjał ten obecnie wykorzystywany jest tylko w nieznacznym stopniu [2]. Zakładając wydajność pozyskiwania biogazu na poziomie 200 m 3 /Mg obliczono, że produkcja biogazu z organicznych (biodegradowalnych) odpadów w Polsce mogłaby wynieść 1 mld m 3 /rok. Przy założeniu 50% zawartości metanu w uzyskanym biogazie teoretyczna ilość metanu możliwa do wykorzystania maleje do 500 mln m 3 /rok. Wartość opałowa biometanu wynosi ok. 36 MJ/m 3, a zatem zaniechanie odzysku biogazu z odpadów organicznych oznacza utratę TJ energii w skali kraju [3]. Zgodnie z danymi Agencji Rynku Energii w Polsce z roku 2010, dotyczącymi około 50% rynku polskiego, potencjał produkcyjny biogazu z wysypisk oszacowany został na 33,9 mln m 3 /rocznie, co stanowi ekwiwalent 565,9 TJ energii elektrycznej przy wartości opałowej biogazu wynoszącej 16,7 MJ/m 3 [4]. 1 Dr inż. Wojciech Gis, kierownik Centrum Ochrony Środowiska Instytutu Transportu Samochodowego; 2 Dr inż. Andrzej Żółtowski, z-ca kierownika Centrum Ochrony Środowiska Instytutu Transportu Samochodowego; 3 Mgr Paulina Grzelak, specjalista inż.-tech. w Centrum Ochrony Środowiska Instytutu Transportu Samochodowego. 13

2 Finalnie całkowity potencjał produkcyjny biogazu z odpadów komunalnych, przemysłowych i wysypisk w Polsce oszacowany został na około 0,796 mld m 3, w tym: - z wysypisk 11,5 PJ potencjału energetycznego, co odpowiada 532 mln m 3 biogazu, - z odpadów komunalnych 4,8 PJ potencjału energetycznego, co po przeliczeniu daje około 222 mln m 3 biogazu, - z odpadów zielonych 0,9 PJ potencjału energetycznego, co stanowi odpowiednik 42 mln m 3 biogazu [4] Biogaz z surowców rolniczych Potencjał produkcyjny biogazu w Polsce z surowców rolniczych stanowi najwyższy udział w całym oszacowanym potencjale biogazu w kraju. Do tego potencjału zaliczają się zarówno odpady hodowlane, jak np. odchody zwierzęce, uprawy roślin, a także odpady z upraw, odpady z produkcji spożywczej jak również uprawy energetyczne, przeznaczone do produkcji nośników energii. Potencjał produkcji biomasy na trwałych użytkach zielonych (po zabezpieczeniu potrzeb paszowych na obecnym poziomie produkcji zwierzęcej) wynosi ogółem ok. 2,3 Tg rocznie przy poziomie minimalnym i produkcji ekstensywnej. Natomiast przy maksymalnym poziomie przy produkcji intensywnej wynosi 3,4 Tg rocznie. W Polsce uprawy roślin energetycznych w sezonie 2007/2008 zajmowały łącznie powierzchnię 1,8 mln ha. Rośliny oleiste zajmowały 63,6% powierzchni upraw ogółem, zboża 20,4%, natomiast kukurydza 11%. Pozostałą powierzchnię zajmowały plantacje trwałe (wierzba energetyczna i inne) oraz trawy, rośliny okopowe i pozostałe [5]. Potencjał dostępnych surowców do wytwarzania biogazu rolniczego szacowany jest przez Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi na (2 5,5) mld m 3 ogółem. Głównie są to uprawy specjalne i pozostałości 1,9 mld m 3, łąki i pastwiska 1,7 mld m 3 oraz produkty uboczne produkcji rolnej 1,5 mld m 3. Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi ma w planach wybudowanie biogazowni rolniczych o mocy ( ) MW do 2020 roku [6]. Według danych Agencji Rynku Energii w Polsce, w oparciu o dane dotyczące około 50% rynku polskiego, na dzień 1 stycznia 2010 r., potencjał produkcyjny biogazu rolniczego szacuje się na 3,6 mln m 3, co odpowiada 78,4 TJ energii, przy wartości opałowej biogazu równej 21,6 MJ/m 3 [4]. Ostatecznie potencjał biogazu z rolnictwa w Polsce oszacowany został na ok. (2 5,5) mld m 3. Potencjał produkcji biogazu w rozróżnieniu na typy surowców jest przedstawiony na rysunku [5]. 14

3 Potencjał produkcyjny biogazu mld m 3 6 RAZEM 5, Łąki i pastwiska 1,7 Odchody zwierzęce 0,2 Odpady z produkcji rolniczej 1,5 Odpady z przetwarzania żywności 0,1 Uprawy energetyczne i odpady 2,0 0 Rys. Potencjał produkcyjny biogazu rolniczego w Polsce (w mld m 3 ) (opracowano na podstawie [5]) 2.3. Biogaz z oczyszczalni ścieków Potencjał techniczny dla wykorzystania biogazu na cele energetyczne z osadów ściekowych w oczyszczalniach ścieków jest bardzo wysokie. Z jednego metra sześciennego osadu ściekowego (ok. 4% suchej masy) można uzyskać 10 m 3 do 20 m 3 biogazu zwierającego 60% metanu. W Polsce jest około komunalnych i przemysłowych oczyszczalni ścieków i liczba ta wciąż rośnie. Aktualnie w Polsce występuje 76 oczyszczalni ścieków z instalacjami odzysku biogazu z osadu ściekowego (całkowita moc wszystkich instalacji to 41,167 MW) [7]. W związku z tym, że oczyszczalnie ścieków wykazują względnie duże zapotrzebowanie na energię elektryczną i ciepło, energetyczne wykorzystanie biogazu uzyskanego z fermentacji osadu ściekowego może znacznie poprawić rentowność tych instalacji. Ze względów ekonomicznych pozyskanie biogazu do celów energetycznych jest uzasadnione tylko dla większych oczyszczalni ścieków przyjmujących średnio ponad (8 10) tys. m 3 /dobę [2]. Zgodnie z danymi Agencji Rynku Energii w Polsce z 2010 roku, potencjał produkcji biogazu z osadów ściekowych jest szacowany na 96,9 mln m 3, co stanowi ekwiwalent ok. 2 PJ energii elektrycznej, o wartości opałowej równej 21,4 MJ/m 3. Z wytworzonego w 2008 roku w Polsce biogazu pochodzącego z oczyszczalni ścieków otrzymano 94,9 GWh energii elektrycznej i 733 TJ ciepła [4]. W oparciu o powyższe dane potencjał produkcji biogazu z osadu ściekowego w oczyszczalniach ścieków został oszacowany na 0,0969 mld m 3 /rok. 15

4 2.3. Całkowity potencjał biogazu Zgodnie z danymi prezentowanymi przez Urząd Regulacji Energetyki w grudniu 2012 r. w Polsce istnieje 199 biogazowni, w tym: - 29 biogazowni rolniczych, - 76 biogazowni produkujących biogaz w oczyszczalni ścieków, - 94 biogazowni produkujących biogaz na wysypiskach [7]. Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi określiło, że w 2020 roku potencjał produkcji biogazu wyniesie (2 5,5) mld m 3 [5]. Natomiast według szacunków Instytutu Transportu Samochodowego, jakie poczynione zostały przy okazji realizacji projektu europejskiego Baltic Biogas Bus potencjał biogazu w Polsce został określony na poziomie (2,9 6,4) mld m 3 [4]. W tabeli 1 przedstawiono produkcję biogazu w Polsce w podziale na źródła jego pozyskiwania. Tabela 1. Produkcja biogazu w podziale na źródła jego pozyskiwania w Polsce (2009) na tle potencjału produkcyjnego biogazu (opracowano na podstawie [4]) Energetyczna wartość produkcji biogazu z rolnictwa/innych źródeł 0,19 z odpadów komunalnych/ wysypisk odpadów PJ 1,49 z oczyszczalni ścieków 2,42 razem 4,10 Energetyczna wartość potencjału produkcyjnego biogazu PJ Wykorzystanie biogazu % 52,3 115 średnio: ~84 3,6 7,8 średnio: 5,7 W 2009 roku najwięcej biogazu pozyskiwano w oczyszczalniach ścieków. Jednakże ilość biogazowni rolniczych rok rocznie gwałtownie rośnie w styczniu 2010 było ich zaledwie 6, teraz jest ich już aż 29 (dane na koniec 2012 r.) [7]. Biorąc pod uwagę produkcję i szacowany średni potencjał biogazu w Polsce można powiedzieć, że potencjał biogazu w naszym kraju wykorzystywany jest aktualnie jedynie w około 5,7%. W tabeli 2 przedstawiono potencjał biogazu w Polsce w podziale na źródła jego pozyskiwania. Z uwagi na to, że Polska jest krajem rolniczo-przemysłowym, potencjał biogazu właśnie ze źródeł rolniczych jest w naszym kraju największy, bo szacuje się, że stanowi on aż ok. 69% całego potencjału biogazu. Potencjał biogazu z odpadów komunalnych i wysypisk stanowi natomiast 27%, a z oczyszczalni ścieków ok. 4% potencjału produkcyjnego biogazu w Polsce [4]. 16

5 Tabela 2. Potencjał biogazu w Polsce w podziale na źródła jego pozyskiwania [4] Biogaz z rolnictwa Biogaz z wysypisk Biogaz z oczyszczalni ścieków RAZEM Udział w całkowitej produkcji biogazu 69% Potencjał produkcyjny biogazu z rolnictwa [mld m 3 /rok] 2,0 5,5 Udział w całkowitej produkcji biogazu 27% Potencjał produkcyjny biogazu z wysypisk [mld m 3 /rok] 0,796 Udział w całkowitej produkcji biogazu 4% Potencjał produkcyjny biogazu z oczyszczalni ścieków [mld m 3 /rok] 0,0969 Całkowity potencjał produkcyjny biogazu [%] 100% Całkowity potencjał produkcyjny biogazu[mld m 3 /rok] 2,9 6,4 3. Podsumowanie Polska jako kraj przemysłowo-rolniczy ma względnie duży potencjał produkcji biogazu. Również ogromna ilość niezagospodarowanych odpadów (organicznych), a także osad ściekowy z oczyszczalni ścieków stanowić mogą doskonały substrat do produkcji biogazu. Może być on wykorzystywany przy produkcji energii elektrycznej i ciepła (lub również chłodu) w układach kogeneracyjnych, trigeneracyjnych i poligeneracyjnych, a po jego oczyszczeniu do jakości gazu ziemnego (min. 95% zawartości metanu) może być również stosowany jako gazowe paliwo transportowe. Dostosowanie gospodarki paliwowo-energetycznej do wymagań europejskich dyrektyw, szczególnie Dyrektywy 2009/28/EC w sprawie promowania odnawialnych źródeł energii, nakłada konieczność dokonania znaczących zmian celem zwiększenia potencjału energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych a także z substancji odpadowych. Czynnikiem, który może powodować utrudnienia w tworzeniu rozbudowanych kompleksów biogazowni rolniczych na terenie Polski z pewnością jest rozproszony charakter produkcji oraz dyspersja surowców, jak również niski potencjał (surowcowy) indywidualnych gospodarstw rolnych. Dlatego możliwość i plan budowy około małych biogazowni w Polsce w perspektywie roku 2020, o których po raz pierwszy wspomniano na Washington International Renewable Energy Conference WIREC 2008, wydaje się być realna. Badania nad możliwościami oczyszczania i wykorzystania biogazu do celów transportowych mogą determinować wykorzystanie oczyszczonego biogazu (biometanu) jako paliwa w maszynach oraz urządzeniach rolniczych, jak również do napędu silników spalinowych pojazdów transportowych. W warunkach polskich do celu upowszechniania biometanu jako paliwa transportowego może posłużyć dobrze rozwinięta sieć gazu ziemnego, a rozwój tego paliwa zapewni efektywniejsze wykorzystanie dotychczas istniejących stacji tankowania sprężonego gaz ziemnego CNG (Compressed Natural Gas) oraz będzie stymulował powstawanie nowych stacji. Literatura: [1] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE. [2] EC BREC: Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego, [3] Pozyskiwanie biogazu z odpadów komunalnych, Redakcja agroenergetyka.pl: 17

6 [4] Biernat K., Dziołak P., Gis W., Żółtowski A.: The Baltic Biogas Foresight: Desk study on wider range of biogas production options and experiences including production potential scenarios for the Baltic Sea Region. Baltic Biogas Bus European Project, Warszawa [5] Żmuda K.: Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi, Energetyka odnawialna w polityce Ministerstwa Rolnictwa i Rozwoju Wsi, Bydgoszcz, 24 czerwca 2009 r. [6] Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi, Założenia Programu rozwoju biogazowni rolniczych, stanowiące propozycję Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi przekazaną Ministrowi Gospodarki do programu Innowacyjna Energetyka, Rolnictwo Energetyczne, Warszawa [7] Mapa Odnawialnych Źródeł Energii, Urząd Regulacji Energetyki, dane na : Streszczenie Dyrektywa 2009/28/EC dotycząca promocji odnawialnych źródeł energii wskazuje na korzyści płynące z wykorzystywania odpadów dla produkcji paliw transportowych, ograniczania emisji gazów cieplarnianych, a przy tym zobowiązuje kraje członkowskie Unii Europejskiej do stosowania tzw. paliw odnawialnych. Również parę innych czynników, takich jak: bezpieczeństwo energetyczne, kończące się zasoby kopalnych źródeł energii, wzrost cen konwencjonalnych paliw, jak również uzależnienie od paliw importowanych, mają wpływ na konieczność poszukiwania nowych źródeł energii. Jednym z odpowiednich rozwiązań tego problemu jest wdrożenie biogazu jako źródła energii w produkcji energii w kogeneracji oraz, w postaci rafinowanej biogazu (biometanu), jego wprowadzenia jako odnawialnego paliwa dla transportu. W artykule zaprezentowano analizę potencjału produkcyjnego biogazu w Polsce. Przedstawiono aktualny stan rozwoju przemysłu biogazowego w Polsce wraz z podaniem istniejących instalacji do produkcji biogazu. Określony został potencjał produkcyjny biogazu dla różnych źródeł jego otrzymywania, takich jak surowce i odpady rolnicze, odpady komunalne i wysypiska odpadów, jak również osad ściekowy powstający w oczyszczalniach ścieków. Finalne uśrednione wartości szacowanych potencjałów podane zostały w oparciu o różne krajowe źródła danych. Słowa kluczowe: biogaz, biometan, potencjał, odnawialne źródła energii. POTENTIAL OF BIOGAS PRODUCTION IN POLAND Abstract Directive 2009/28/EC on the promotion of renewable energy sources, indicates the benefits of using waste for the production of transport fuels, reduction of GHG emission and requires UE Member States to use renewable fuels. Also some different factors such as: energy security of the country, ending the fossil energy sources, increase of the prices of conventional energy sources and dependence on imported fuels, has an influence on the need to seek new energy sources. One of the good solutions of this problem is implementation of biogas, as an energy source for electricity production in cogeneration and, in refined form of biogas (biomethane), its introduction as renewable fuel for transport needs. The paper presents the analysis of biogas production potential in Poland. There were presented the current state of development of biogas industry in Poland, together with 18

7 the number of existing installations for the production of biogas. There was identified the potential of biogas production from different sources, such as agricultural raw materials and waste, municipal waste and landfill waste, and sludge formed in sewage treatment plants. The final average values of the biogas potential are based on different national data sources. Keywords: biogas, biomethane, potential, renewable energy sources. 19