Możliwości i korzyści utylizacji biogazu ze składowisk odpadów komunalnych

Transkrypt

1 MAŁGORZATA CIUPRYK KAZIMIERZ GAJ Możliwości i korzyści utylizacji biogazu ze składowisk odpadów komunalnych Wstęp Strategia rozwoju energetyki odnawialnej przyjęta przez Sejm Rzeczypospolitej Polskiej w sierpniu 2001 r. zakłada, że udział energii odnawialnej w bilansie paliwowoenergetycznym kraju w 2010 r. wynosić będzie 7,5 % a w % (Unia Europejska zakłada osiągnięcie 12 % w 2010 r.). Wobec obecnego jej udziału na poziomie ok. 2,6 %, zadanie to wydaje się mało realne. Na zbyt powolne tempo wzrostu wykorzystania źródeł energii odnawialnej (OZE) w Polsce wskazują najnowsze dane statystyczne i analizy Europejskiego Centrum Energii Odnawianej w Warszawie (EC BREC). Pewnym optymizmem napawa jednak fakt, że spośród rodzajów OZE największy postęp w ostatnich latach zanotowano w zakresie wykorzystania biopaliw stałych i biogazu składowiskowego. Ważnymi przesłankami utylizacji tego ostatniego są - oprócz zagrożeń środowiskowych - potencjalne korzyści ekonomiczne oraz uwarunkowania prawne. Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dn r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących lokalizacji, budowy, eksploatacji i zamknięcia, jakim powinny odpowiadać poszczególne typy składowisk odpadów, wprowadzono w Polsce obowiązek wyposażania składowisk odpadów biodegradowalnych w instalację do odprowadzania i wykorzystania energetycznego gazu składowiskowego lub jego spalania w pochodni. Również Dyrektywa UE o Składowaniu Odpadów z 26/04/1999 (1999/31/EC) nakłada obowiązek ujmowania i utylizacji gazu składowiskowego oraz zakłada znaczne zmniejszenie dopływu materii organicznej na składowiska odpadów w najbliższych 15 latach. Rozwój energetyki odnawialnej w Polsce jest normowany ustawą Prawo energetyczne z r. (wraz z późniejszymi zmianami oraz rozporządzeniami wykonawczymi), zaś zakres obowiązku zakupu energii pochodzącej Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, pl. Grunwaldzki 9.

2 m.in. z biogazu składowiskowego przez przedsiębiorstwa energetyczne określa rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia r. Zakładając: jednostkową produkcję biogazu z odpadów komunalnych: m 3 /Mg, całkowitą ilość odpadów komunalnych, zdeponowanych na polskich składowiskach: 13 mln Mg, średnią zawartość metanu w biogazie składowiskowym: 55 %, można oszacować potencjał metanowy polskich składowisk na co najmniej 430 mln m 3 CH 4 /r. Ilość ta odpowiada ok. 15 PJ/r energii chemicznej zawartej w paliwie lub ok. 150 MW mocy elektrycznej. Realna do pozyskania ilość energii może być mniejsza ze względu na niedostateczne uszczelnienie składowisk i nieracjonalność ekonomiczną utylizacji biogazu z mniejszych obiektów. Niemniej jednak chodzi o wiele milionów gigadżuli bardzo taniej energii rocznie, obecnie w większości bezpowrotnie traconej - ze szkodą dla gospodarki i środowiska. Potencjał energetyczny biogazu składowiskowego na tle innych paliw Jako podstawę porównania parametrów energetycznych i wskaźników kosztowych biogazu i innych paliw (rys. 1) przyjęto wartość opałową biogazu 15,5 MJ/kg, która odpowiada zawartości w nim metanu i dwutlenku węgla na poziomie 55 i 45 %. Przeciętne ceny paliw, odpowiadające im wartości opałowe oraz przyjęte sprawności zamiany energii chemicznej zawartej w paliwie na ciepło zawarto w tab. 1. Koszt pozyskania biogazu oszacowano dla danych ze składowiska Gdańsk-Szadółki [1], pomniejszając nakłady inwestycyjne (2,1 mln PLN, 1998 r.) m.in. o koszt zakupu agregatów, automatyki, transformatora i linii kablowej 15 kv (ok. 500 tys. PLN, 1998 r.) oraz uwzględniając koszty eksploatacji w wysokości 100 tys. PLN rocznie (daje to łączne koszty w okresie 20 lat ok. 4,5 mln PLN w cenach bieżących). Pozyskiwanie biogazu składowiskowego

3 Pozyskując biogaz do celów energetycznych stosuje się aktywne odgazowanie złoża. W przypadku starych składowisk polega ono najczęściej na odpompowaniu gazu z odwiertów wyposażonych w pionowe rury perforowane, połączone systemem rur poziomych. Nowe składowiska powinny być wyposażane w system poziomego drenażu biogazu w trakcie ich eksploatacji. Regulację składu gazu z poszczególnych studni oraz jego częściowe odwodnienie realizuje się w stacjach zbiorczych, do których doprowadzane są kolektory grupujące rurociągi z kilkunastu studni. Wstępne planowanie inwestycji aktywnego odgazowania składowiska z wykorzystaniem biogazu powinno być oparte na obliczeniowej prognozie produktywności gazowej złoża [2,3,4]. Przeprowadza się ją w oparciu o znajomość składu odpadów, parametrów fizykochemicznych złoża oraz ilości i czasu gromadzenia odpadów. Obliczenia modelowe weryfikuje się za pomocą próbnych pompowań gazu, przy wykorzystaniu studni probierczych, sond lub studni wydobywczych. Po wykonaniu studni przeprowadza się wstępne badania składu gazu, temperatury i strumienia objętości przy swobodnym wypływie, po czym przystępuje się do właściwego pompowania. Na jego podstawie określa się dla każdej studni zmienność składu gazu i wydajności w funkcji czasu i podciśnienia pompowania. Uzyskane dane stanowią podstawę projektowania instalacji wydobywczej [5,6,7]. Możliwości wykorzystania biogazu składowiskowego Biogaz składowiskowy wykorzystywany jest głównie jako nośnik energii, przy czym dominują dwa sposoby jego utylizacji: spalanie w silnikach gazowych i urządzeniach turbinowych w celu produkcji energii elektrycznej, której nadwyżka może być przekazywana do publicznej sieci elektroenergetycznej; spalanie może być prowadzone z odzyskiem ciepła (tzw. jednostki skojarzone) lub bez, spalanie w kotłach w celu uzyskania energii cieplnej. Mniej powszechne metody wykorzystania biogazu to: wprowadzanie do gazowej sieci miejskiej po uprzednim uzdatnieniu i wzbogaceniu do gazu wysokometanowego (technologia popularna m.in. w USA, gdzie pod koniec lat siedemdziesiątych uruchomiono instalacje na kilka tysięcy m 3 /h biogazu m.in.

4 w Kalifornii i Nowym Jorku, oraz w Holandii i w Niemczech; obecnie coraz rzadziej stosowana ze względu na wysokie koszty usuwania dwutlenku węgla), spalanie w silnikach pojazdów i maszyn (wymaga uzdatnienia biogazu i modernizacji silnika), zastosowanie w przemyśle chemicznym, np. do produkcji metanolu lub wodoru. Do wytwarzania energii elektrycznej stosuje się głównie silniki o zapłonie iskrowym, z możliwością stosowania dwóch rodzajów paliw, oraz turbiny gazowe, ewentualnie parowe (dotyczy instalacji powyżej 4 MW). Typowe instalacje mają moc elektryczną od 200 do 4000 kw el. Wśród znanych firm zagranicznych, które zajmują się produkcją gazowych silników spalinowych przeznaczonych do spalania biogazu są: JENBACHER AG, MAN, DEUTZ, MERCEDES. Generatory zagraniczne są produkowane m.in. przez firmę STANFORD. W zakresie mocy 200 kw w Polsce stosuje się krajowe silniki gazowe WOLA, wyposażone w prądnice EMIT-Żychlin. Są to silniki napędzające synchroniczne i samowzbudne generatory prądu zmiennego, które mogą pracować w połączeniu z siecią państwową. Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej pozwala na osiągnięcie sprawności cieplnej powyżej 70 % i elektrycznej powyżej 30 %. Rzadziej, głównie ze względu na ograniczone możliwości odbioru ciepła i większą opłacalność produkcji energii elektrycznej i ciepła w skojarzeniu, gaz składowiskowy wykorzystuje się w kotłach na cele przygotowania ciepłej wody lub pary. Wyprodukowane ciepło - oprócz pokrycia potrzeb własnych składowiska - może być sprzedawane do lokalnych sieci ciepłowniczych lub wykorzystywane w blisko położonych obiektach (szklarnie, osiedla). Każdy ze sposobów przetwarzania biogazu w energię wymaga jego uzdatniania. Oczyszczanie biogazu jest wymagane przede wszystkim ze względu na potrzebę wyeliminowania związków siarki i związków halogenowych oraz jego osuszenie i odpylenie. Związki siarki i chloru w zetknięciu z parą wodną zawartą w gazie tworzą korozyjne połączenia, które atakują części silnika bezpośrednio lub przez zakwaszanie oleju smarującego. Niedostateczne osuszenie może prowadzić do problemów z zapłonem. Biogaz powinien być oczyszczany również z uwagi na emisję zanieczyszczeń powietrza uwalnianych podczas jego spalania. Metody oczyszczania biogazu zostały szeroko opisane w literaturze fachowej. Niestety, w Polsce instalacji utylizacji i unieszkodliwiania biogazu składowiskowego nie wyposaża się w systemy jego oczyszczania.

5 Na świecie znaczący rozwój instalacji wykorzystujących biogaz składowiskowy rozpoczął się w latach osiemdziesiątych. Do 1993 r. funkcjonowało ok. 500 instalacji energetycznego wykorzystania biogazu, z czego 172 [8] działały w krajach Unii Europejskiej. Obecnie szacować można, że na świecie eksploatowanych jest ponad 1000 takich instalacji. Jedna z największych - o mocy 50 MW el - pracuje w USA (Los Angeles) od 1986 r. W Europie najbardziej zaawansowana pod tym względem jest Wielka Brytania, gdzie moc zainstalowana przekracza 500 MW el (np. w m. Colvert - 29,7 MW el, Meriden - 13,5 MW el, Stewartby - 9,1 MW el, Merseyside - 5 MW el ). Wiele stacji prądotwórczych zasilanych biogazem składowiskowym wybudowano również w Niemczech (w Lampertheimer-Wald - 11,5 MW el, Am Lemberg - 5,8 MW el, Gelsenkirchen), we Francji (Villeparisis), Austrii (Rautenweg - 7,9 MW el ), Szwecji (Vasteras - 3,5 MW el, Blaberget - 2,5 MW el, Malmö - 1,6 MW el ) oraz w Danii (Mäde-Esbjerg - 1,8 MW el, Vestkroft 1,1 MW el ) I Holandii (Veendam - 1,8 MW el, Linne-Mantfort - 1,6 MW el ). W Polsce pierwsze pełnoprzemysłowe instalacje zaczęły powstawać na początku lat dziewięćdziesiątych. W 1998 r. czynnych było 19 instalacji o łącznej mocy elektrycznej 4,1 MW el i cieplnej 3,6 MW t [9]. Od tego czasu ich moc zainstalowana wzrosła ponad dwukrotnie. Powstały kolejne (m.in.: Sosnowiec kw el, 998 kw t, Katowice kw el, 986 kw t, Łubna k/warszawy kw el, 2x1040 kw t, Sierakowo - 2x186 kw el, 2x 250 kw el, Przytór-Ognica kw el, Szydłowo k/poznania kw el, Radom-Wincentów kw el, Doły Brzeskie kw el oraz Kobierniki k/płocka, Dalanówek w gm, Płońsk, Jabłonno- Boża Wola, Marki) o łącznej mocy ponad 4 MW el i ponad 4 MW t. W fazie budowy lub projektowania znajdują się elektrownie na biogaz składowiskowy w miejscowościach: Promiennik k/kielc, Radiowo k/warszawy, Ciechanów, Kobierniki II, Słabomierz, Łęgonice w gm. Nowe Miasto, Zalesie w gm. Grójec, Wrocław-Maślice i in.. Wg szacunków EC BREC [10], do końca 2003 r. produkcja energii elektrycznej z gazu składowiskowego w Polsce wynosić będzie ok. 60 GWh/r, zaś produkcja energii cieplnej osiągnie ok. 140 TJ/r. Docelowo, zgodnie ze scenariuszem rozwoju technologii OZE opracowanym przez Ministerstwo Środowiska (przy założeniu 7,5 % udziału OZE w bilansie energii pierwotnej w roku 2010), dodatkowa moc zainstalowana oparta na zasilaniu gazem składowiskowym powinna wynosić w latach MW, co ma zapewnić produkcję energii elektrycznej na poziomie 360 GWh/r i energii cieplnej TJ/r.

6 Przykładowe efekty finansowe instalacji zasilanych biogazem składowiskowym Koszty budowy i eksploatacji kilku instalacji pracujących na polskich składowiskach przedstawiono w tab. 2. Obejmują one zasadniczo: koszt prac projektowych, systemu odgazowania (w tym studni odgazowujących, sieci gazowej, stacji kontrolnych, stacji odwadniających, ssaw wentylatorowych), pochodni, agregatów prądotwórczych lub kotłów, systemu automatyki, sterowania i kontroli, budynku zaplecza technicznego, podłączenia do odbiorców energii oraz koszt badań rozruchowych. Na koszty eksploatacyjne składają się głównie: płace pracowników obsługi (ciągły nadzór), koszty konserwacji i drobnych napraw, materiałów oraz amortyzacji. Orientacyjne koszty budowy instalacji wynoszą ok. 300 tys. PLN na 1 ha odgazowywanej powierzchni składowiska a całkowity koszt instalacji waha się od 800 do 2000 USD na 1 kw el mocy zainstalowanej [12]. Wg założeń projektowych instalacji w Sianowie k/koszalina (1x100 kw), roczna produkcja energii elektrycznej z biogazu miała wynosić kwh, a średnie zużycie energii na potrzeby zainstalowanych na wysypisku urządzeń kwh. Składowisko oddawać miało do sieci miejskiej ok kwh/r. Na podstawie danych dla składowiska w Bydgoszczy (2x200 kw el ) z 1998 r. [11]: koszty eksploatacyjne: PLN, koszty amortyzacji: PLN, nadwyżka energii elektrycznej sprzedanej zakładowi energetycznemu (po odjęciu energii zużytej na potrzeby własne składowiska: kwh): kwh, określono poniżej koszt wyprodukowania 1 kwh energii elektrycznej netto: = 0,1157 PLN/kWh oraz zysk roczny ze sprzedaży energii do sieci energetycznej: kwh x (0, PLN/kWh /1,22-0,1157 PLN/kWh) = PLN/r. Korzystając z danych [13] nt. ilości energii elektrycznej wyprodukowanej na składowiskach w m. Żółwin-Wypaleniska k/bydgoszczy i w Toruniu oraz zakładając aktualną cenę netto sprzedaży energii na poziomie 0,22 PLN/kWh można określić roczny 1 Na takim poziomie ustalona została cena sprzedaży energii elektrycznej w 1998 r. (w tym 22% VAT).

7 wskaźnik dochodu ze sprzedaży energii elektrycznej (w przeliczeniu na kilowat zainstalowanej mocy): Żółwin-Wypaleniska: r.: kwh x 0,22 PLN/kWh / 400 kw el = 994 PLN/kW el, r.: kwh x 0,22 PLN/kWh / 400 kw el = 800 PLN/kW el, r.: kwh x 0,22 PLN/kWh / 400 kw el = 804 PLN/kW el, Toruń: r.: kwh x 0,22 PLN/kWh / 550 kw el = 1309 PLN/kW el. Doświadczenia czynnych w Polsce składowisk pozwalają na oszacowanie okresu zwrotu nakładów na instalację przetwarzającą biogaz składowiskowy na energię elektryczną na 4-6 lat. W przypadku pierwszej uruchomionej w Polsce instalacji w Bydgoszczy, sytuacja wg inwestora okazała się jeszcze korzystniejsza - poniesione koszty zwróciły się już po 3,5 letniej eksploatacji. Wnioski Nieracjonalna gospodarka odpadami komunalnymi w Polsce w ostatnich kilkudziesięciu latach, polegająca praktycznie wyłącznie na ich składowaniu, przy stosunkowo dużym udziale odpadów biodegradowalnych w odpadkach z polskich miast, jest dziś paradoksalnie znaczącym dla gospodarki potencjalnym źródłem taniej energii. Pytanie brzmi tylko, w jakim stopniu potrafimy ją wykorzystać zanim ulotni się do atmosfery i poczyni szkody w środowisku [14]. Obecne wykorzystanie tego źródła energii w Polsce stanowi zaledwie ok. 2 % potencjału energetycznego krajowych składowisk. Biogaz składowiskowy jest najczęściej emitowany bezpośrednio do atmosfery lub spalany w pochodniach. Doświadczenia pracujących w Polsce i za granicą instalacji wykazują, że najbardziej dochodowym przedsięwzięciem spośród metod utylizacji biogazu składowiskowego jest produkcja energii elektrycznej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła. W warunkach polskich zwrotu nakładów można spodziewać się przed upływem 5 lat. Analiza opłacalności energetycznej utylizacji biogazu dla składowisk o różnych wielkościach i okresach eksploatacji będzie przedmiotem kolejnej publikacji.

8 Literatura [1] Biomasa jako źródło energii: październik 2003; dane prezentowane na I Symp. Energia z odpadów, Gdańsk, [2] Gaj K., Cybulska H., Modelowanie emisji biogazu ze składowisk odpadów komunalnych - Część 1. Podstawy modelowania, analiza wybranych modeli i zakresy stosowanych parametrów, Chemia i Inżynieria Ekologiczna, 9, 1, [3] Gaj K., Cybulska H., Modelowanie emisji biogazu ze składowisk odpadów komunalnych - Część 2. Algorytm obliczeniowy, Chemia i Inżynieria Ekologiczna, 9, 2-3, [4] Gaj K., Cybulska H., Modelowanie emisji biogazu ze składowisk odpadów komunalnych - Część 3. Weryfikacja modelu w oparciu o badania polowe i jej ocena statystyczna, Chemia i Inżynieria Ekologiczna, 9, 7, [5] Nowakowski S., Projektowanie instalacji do pozyskiwania, unieszkodliwiania i wykorzystywania energetycznego gazu z wysypisk komunalnych i pryzm energetycznych. I Symp. Energia z odpadów, Gdańsk, [6] Manczarski P., Odgazowanie wysypisk odpadów komunalnych - zagadnienia techniczno-technologiczne, I Symp. Energia z odpadów, Gdańsk, [7] Piotrowska H., Bluhm-Kwiatkowski J., Litwin B., Zbiór zaleceń do programowania, budowy, eksploatacji i rekultywacji składowisk odpadów komunalnych, Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Ekologii Miast OBREM, Wyd. II, Warszawa/Łódź, [8] Praca zbiorowa pod red. E. S. Kempy, Gospodarka odpadami na wysypiskach, Arka Konsorcjum s.c., Poznań, [9] Banasiak G., Ocena aktualnego stanu zagospodarowania gazu wysypiskowego w Polsce. I Symp. Energia z odpadów, Gdańsk, [10] Europejskie Centrum Energii Odnawianej (EC BREC) październik [11] Ciupryk M., Produkcja i utylizacja biogazu generowanego przez składowiska odpadów komunalnych w aspekcie ochrony powietrza atmosferycznego, praca dyplomowa, Polit. Wr., [12] Wołoszyn T., Odgazowanie wysypisk i gospodarcze wykorzystanie biogazu; referat wygłoszony podczas konferencji Najnowsze rozwiązania organizacyjne, techniczne

9 i technologiczne w zakresie odzysku, unieszkodliwiania i składowania odpadów komunalnych. Towarzystwo na rzecz Ziemi, Oświęcim, [13] Raporty o stanie środowiska woj. kujawsko-pomorskiego w latach r., Biblioteka Monitoringu Środowiska, Bydgoszcz, [14] Gaj K., Cybulska H., Knop F., Mech J., Mendyka B., Robaszkiewicz J., Składowiska odpadów komunalnych jako źródła emisji zanieczyszczeń powietrza, Chemia i Inżynieria Ekologiczna, 6, 4, 1999.

10 Możliwości i korzyści utylizacji biogazu ze składowisk odpadów komunalnych Streszczenie Przedstawiono stan i perspektywy zagospodarowania biogazu składowiskowego oraz przedyskutowano efekty finansowe przykładowych instalacji. Possibilities and benefits of landfill biogas utilization Summary The actual situation and some perspectives of landfill biogas utilization methods have been presented and payback of selected installations have been discussed.

11 Tytuły rysunków i tabel: Rys. 1. Porównanie paliw Tabela 1. Dane przyjęte do analizy porównawczej paliw Tabela 2. Koszty budowy i eksploatacji instalacji energetycznego wykorzystania biogazu ze składowisk odpadów komunalnych w Polsce [9, 11]