Biometan jako odnawialne paliwo w transporcie

Transkrypt

1 Paulina Łyko 1, Małgorzata Śliwka 2, Radosław Pomykała 3 AGH w Krakowie Biometan jako odnawialne paliwo w transporcie Wprowadzenie W ostatnich latach odnawialne źródła energii (OZE) zaczynają odgrywać co raz bardziej istotną rolę. Stanowią one już nie tylko dodatek, ale poważne uzupełnienie energii wytwarzanej z konwencjonalnych paliw takich jak węgiel, ropa naftowa czy gaz ziemny. W Polsce udział energii elektrycznej pochodzącej z odnawialnych źródeł energii w obecnie wynosi ok. 7,7%, a do 2020 r. udział ten powinien wzrosnąć do 15 % (w starych krajach UE wymagane jest 20%). Sprzyjać ma temu ustawa o odnawialnych źródłach energii, przyjęta w lutym tego roku, po długim okresie przygotowań. W ustawie zawarto regulacje dotyczące wsparcia inwestycji w odnawialne źródła energii przez kolejne 15 lat. Dzięki niej teoretycznie każdy obywatel będzie mógł zostać tzw. prosumentem (wytwórca i odbiorca energii) [9]. Wymagania stawiane krajom Unii w zakresie odnawialnych źródeł energii dotyczą również paliw stosowanych w transporcie. Składają się na to głównie biokomponenty dodawane do paliw ciekłych i biopaliw ciekłych. Docelowy udział energii odnawialnej w transporcie do roku 2020 został określony na poziomie 10%. W Polsce udział biokomponentów i innych paliw odnawialnych w paliwach transportowych w 2011 roku wyniósł 6,25 % [12]. Jednym z najbardziej perspektywicznych, a jednocześnie niedocenianych paliw odnawialnych, jest biometan, czyli biogaz o wysokiej zawartości metanu. Jego zaletą jest duży potencjał wytwórczy, a także stale rosnąca liczba instalacji wytwarzających biogaz. Biogaz i biometan w Europie Według ustawy o biopaliwach i biokomponentach biogaz jest zaliczany do biopaliw ciekłych [8]. W wyniku procesu oczyszczania i uzdatniania biogazu otrzymuje się biometan, gaz o parametrach prawie identycznych jak gaz ziemny, o zawartości metanu nawet 98%. Obecnie w Europie jest ponad czternaście tysięcy instalacji wytwarzających biogaz (rys. 1). Najwięcej w Niemczech bo ponad dziewięć tysięcy, natomiast Polska zajmuje dziesiąte miejsce i powoli zaczyna być w czołówce krajów europejskich doceniających zalety tego odnawialnego paliwa. Również w Niemczech znajduje się aktualnie najwięcej instalacji do oczyszczania biogazu do postaci biometanu, bo aż 120 (rys. 2) [13, 15]. W Polsce biometan jeszcze nie jest jeszcze wytwarzany i stosowany, jako paliwo dla pojazdów. Nie istnieją, jak dotąd instalacje uzdatniające biogaz do jakości gazu ziemnego i zatłaczające go do sieci gazowej. Jest to sytuacja wyraźnie inna niż w wielu krajach europejskich takich jak Austria, Niemcy, Szwajcaria czy Szwecja. 1 Mgr inż. Paulina Łyko, doktorantka, Akademia Górniczo-Hutnicza im St. Staszica w Krakowie, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Katedra Inżynierii Środowiska i Przeróbki Surowców, plyko@agh.edu.pl 2 Dr inż. Małgorzata Śliwka, adiunkt, Akademia Górniczo-Hutnicza im St. Staszica w Krakowie, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Katedra Inżynierii Środowiska i Przeróbki Surowców, sliwka@agh.edu.pl 3 Dr inż. Radosław Pomykała, adiunkt, Akademia Górniczo-Hutnicza im St. Staszica w Krakowie, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Katedra Inżynierii Środowiska i Przeróbki Surowców, rpomyk@agh.edu.pl 9412

2 Rys. 1. Ilość instalacji wytwarzających biogaz w Europie stan na 2013 rok. Źródło: Opracowanie własne na podstawie [13].. Suma 216 Francja Wielka Brytania 3 4 Austria Holandia Szwajcaria Szwecja 47 Niemcy Rys. 2. Ilość instalacji wytwarzających biometan w krajach UE w roku 2013 Źródło: Opracowanie własne na podstawie [15].. Aktualnie biogaz w Polsce wytwarzany jest w 255 instalacjach (tab. 2) z czego 58 to biogazownie rolnicze [16]. Jeszcze ok. dziesięć lat temu biogaz produkowany był niemal wyłącznie w instalacjach zlokalizowanych na terenie oczyszczalni ścieków czy w wyniku odgazowania składowisk odpadów komunalnych. Obecnie wśród nowych instalacji wyraźnie dominują biogazownie działające przy gospodarstwach rolnych i hodowlanych, browarach, zakładach spożywczych itp., czyli wszędzie tam, gdzie powstają substraty, na bazie których może być wytwarzany biogaz rolniczy, zgodnie z ustawą Prawo Energetyczne [10]. Jak dotąd wszystkie te instalacje ukierunkowane są na wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła. Przeszkodą w produkcji biometanu są obawy o wysokie koszty instalacji oczyszczania biogazu, która może stanowić znaczny udział w całkowitych kosztach wytwarzania biogazu. Co więcej koszt jednostkowy, w przeliczeniu na objętość biogazu, jest tym większy im mniejsza jest instalacji. Jest to jedna z podstawowych barier wykorzystania biogazu jako paliwa dla transportu [1]. Nie można mówić o szerokim wykorzystaniu biogazu, jako paliwa dla celów transportowych dopóki rynek nie będzie w stanie zaproponować tanich i skutecznych układów do oczyszczania i wzbogacania 9413

3 biogazu wytwarzanego w instalacjach o różnej mocy. W świetle obowiązujących przepisów prawnych wyraźne preferowane są mikroinstalacje. Tym samym największe zapotrzebowanie będzie dotyczyć układów dostosowanych właśnie do tego typu źródeł biogazu [9]. Tabela 1. Ilość instalacji wytwarzających biogaz w Polsce (stan na czerwiec 2015 rok). Województwo Składowiska odpadów Oczyszczalnie ścieków dolnośląskie kujawsko-pomorskie lubelskie lubuskie łódzkie małopolskie mazowieckie opolskie podkarpackie podlaskie pomorskie śląskie świętokrzyskie warmińsko-mazurskie wielkopolskie zachodniopomorskie Suma Źródło: Opracowanie własne na podstawie [16]. Biogazownie rolnicze W początkowym stadium rozwoju rynku biogazu, w jakim jest obecnie Polska dominują najprostsze modele produkcji i wykorzystywania biogazu: wytwarzany jest on z odpadów, obecnie głównie na bazie odpadów rolniczych z przeznaczeniem na produkcję energii elektrycznej i cieplnej. Takie model sprawdza się głównie w tam, gdzie istnieje możliwość wykorzystania ciepła powstającego przy spalaniu biogazu, a jednocześnie nie ma problemu z uzyskaniem pozwolenia przyłączenie do sieci energetycznej źródła o określonej mocy. W pozostałych przypadkach coraz częściej poszukiwane efektywne ekonomicznie modele wytwarzania biometanu, co może znacznie rozszerzyć spektrum możliwego wykorzystania energii biogazu. Dzięki takiemu podejściu biogazownia może stać się zarówno źródłem paliwa jak i elementem systemu gospodarki odpadami. Taki model jest powszechnie stosowany m.in. w Szwecji [6]. Oczyszczanie biogazu do postaci biometanu pozwala na zastosowanie go, jako paliwa dla różnego typu pojazdów silnikowych zarówno własnych jak i obcych. Można to osiągnąć bezpośrednio lub pośrednio przez wtłaczanie biometanu do sieci gazowej (rys. 2). Nie bez powodu bardzo często w tym kontekście przywoływany jest przykład Szwecji. Ponieważ właśnie tam uzyskano bardzo dobre efekty wykorzystania biogazu wdrażając do powszechnej praktyki dwa elementy niedoceniane jak dotąd w Polsce. Pierwszym z nich jest zastosowanie do produkcji biogazu szerokiej palety odpadów z naciskiem na organiczną frakcję odpadów komunalnych. Drugim jest powszechne uzdatnianie biogazu i wykorzystanie tak powstałego biometanu jako paliwa zasilającego różnego typu pojazdy, ze szczególnym naciskiem na autobusy oraz pojazdy komunalne, np. śmieciarki. Pozwoliło to na ścisłą integrację biogazowni, instalacji gospodarki odpadami oraz transportu miejskiego. Dzięki temu możliwe jest zarówno efektywne przetwarzanie odpadów jak i ograniczeniem zanieczyszczenia powietrza w miastach. W Szwecji ok. 44 % ogólnej produkcji biogazu przeznaczona jest jako biopaliwo transportowe [7]. Miejska sieć transportowa w wielu miastach oparta jest wyłącznie na paliwie biogazowym, a ciekawym przykładem takiego systemu jest miasto Linköping. Biogazownia z której pochodzi biometan zasilający

4 miejskie autobusy przez 12 stacji tankowania zużywa ton odpadów organicznych z których wytwarzanych jest 4,7 mln m3 biometanu (97% CH4). Tym sposobem od 2002 roku tylko dzięki miejskim autobusom na biometan emisja CO2 została ograniczona o ponad 9 ton w przeciągu jednego roku. Obecnie Szwecja jest prawie niezależna od zagranicznych dostaw paliw kopalnych, jak ropa naftowa, gaz ziemny, czy węgiel kamienny wykorzystywanych do produkcji energii elektrycznej i ciepła. Również znacznie zmniejszył się import paliw dla transportu. W ciągu minionych lat zdobyto dużą wiedzę i doświadczenie w zakresie energetycznego wykorzystania odpadów. Szwedzkie rozwiązania są sprawdzone, przyjazne środowisku, efektywne ekonomicznie oraz możliwe do przemysłowego zastosowania [3, 5]. Instalacja do oczyszczania biogazu znajduje się w bliskim sąsiedztwie biogazowi. Oczyszczony biogaz jest transportowany specjalnie dedykowanym rurociągiem o długości 1,7 km prosto na stacje tankowania, gdzie pod ciśnieniem 250 bar jest tankowany do pojazdów. Produkcja biometanu w Linköping wynosi około 5 mln Nm 3 co jest równoważne 5 mln dm 3 diesla. Dwanaście stacji tankowania w mieście Linköping służy nie tylko miejskim autobusom, ale również prywatnym pojazdom osobowym, ciężarowym, taksówkom. Interesujący jest również fakt, że pierwszy pociąg zasilany biometanem wyruszył w trasę z Linköping w czerwcu 2005 roku. Pociąg posiada przerobioną instalację z benzynowej na gazową. Objętość zbiornik na biometan wynosi 530 Nm 3 co pozwala przejechać dystans 600 km [14]. Produkcja ciepła Produkcja energii elektrycznej Biogaz Produkcja ciepła i energii elektrycznej Biometan Paliwo dla pojazdów Wtłaczanie do sieci gazociągowej Rys 3. Możliwości zastosowania biogazu i biometanu Korzyści z zastosowania biometanu w transporcie Biogazownia w Linköping jest dobrym przykładem rozwiązania kilku problemów środowiskowych przy pomocy jednej instalacji. Umożliwia zamiany odpadów organicznych na wartościowe paliwo biometan oraz nawóz. Realne jest ograniczenie toksyczności spalin, przede wszystkim dwutlenku węgla. Pojazdy zasilane biogazem w porównaniu z tymi, napędzanymi benzyną wydzielają nawet do 90% mniej CO, 80% mniej węglowodorów głównego czynnika odpowiedzialnego za smog i 50 80% mniej tlenków azotu [2, 5]. Ograniczają do minimum wydzielanie związków siarki i sadzy, co ma znaczący wpływ na ograniczenie ich emisji do środowiska i poprawę mikroklimatu dużych aglomeracji miejskich (tab. 2). 9415

5 Również emisja hałasu jest o kilka decybeli niższa w porównaniu do pojazdów z silnikiem zasilanym ON. Bardzo istotny jest fakt, że przy stosowaniu biometanu jako paliwa nie trzeba budować specjalnych stacji tankowania, a korzystać z tych dedykowanych paliwu CNG (ang. Compressed Natural Gas). Tabela 2 Porównanie zawartości emisji zanieczyszczeń w wybranych paliwach silnikowych. g/km CO HC NOx CO 2 Diesel 0,20 0,40 9,73 0,1000 Gaz ziemny 0,40 0,60 1,10 0,0220 Biogaz 0,08 0,35 5,40 0,0150 Źródło: Kupczyk i in. [2]. Streszczenie W artykule omówiono możliwości zastosowania biometanu jako paliwa w transporcie. Zwrócono uwagę na wymagania stawiane krajom UE w zakresie stosowania paliw odnawialnych. Przedstawiono informacje dotyczące instalacji wytwarzania biogazu w Polsce i w Europie oraz korzyści możliwe do osiągnięcia dzięki uzdatniana biogazu oraz wytwarzania biometanu. Omówiono przykład zastosowania biometanu jako paliwa w mieście Linkoping i korzyści wynikające ze stosowania tego rodzaju paliwa. BIOMETHANE AS A RENEWABLE FUEL IN TRANSPORT Summary The article discusses the possibility of using biomethane as a fuel for transportation. Attention was drawn to the requirements of the EU countries in the use of renewable fuels. Provides information on biogas plant in Poland and Europe, and benefits can be achieved through the treated of biogas and production of biomethane. Discussed example of using biomethane as a fuel in Linkoping and benefits arising from the use of this type of fuel. Literatura [1] Kuczyńska I., Pomykała R., Biogaz z odpadów paliwem dla transportu bariery i perspektywy, Energetyka Gazowa, nr 1, 2012, [2] Kupczyk A. i in.: Wybrane problemy produkcji i wykorzystania biogazu. Biogaz w krajach Unii Europejskiej i w Polsce, Energetyka 8/2009. [3] Łyko P., Śliwka M., Pomykała R., Zastosowanie CNG i biometanu w transporcie dobre praktyki z wybranych krajów Unii Europejskiej, Logistyka, nr 4, 2014, [4] Pomykała R. Łyko P., Biogaz z odpadów (bio)paliwem dla transportu bariery i perspektywy, Chemik: nauka-technika-rynek, nr 5, 2013, [5] Rogulska M., Samson-Bręk I. Gospodarka odpadami w Szwecji, Nowa Energia, nr 1(31), 2013, [6] Rogulska M., Samson-Bręk I., Smerkowska B.: Produkcja biogazu z segregowanych odpadów komunalnych jako element rozwoju regionu. Cieplne Maszyny Przepływowe Turbomachinery, Zeszyty Naukowe, Politechnika Łódzka, 2013, nr 143, [7] Swedish Gas Centre: Basic Data on Biogas. 9416

6 [8] Ustawa o Biopaliwach i biokomponentach, Dz.U Nr 169 poz [9] Ustawa o Odnawialnych źródłach energii, Dz.U poz [10] Ustawa Prawo Energetyczne, Dz.U nr 54 poz [11] Wodołażski Artur i in.: Wykorzystanie biometanu jako paliwa w transporcie samochodowym efektywnym sposobem ograniczenia emisji zanieczyszczeń do powietrza, EcolHealth, vol. 17, nr 4, 2013, [12] (dostęp: ) [13] www. european-biogas.eu (dostęp: ) [14] - BIOGAS IN THE SOCIETY Information from IEA BIOENERGY [15] TASK 37 Energy from biogas and landfill gas (dostęp: ) [16] www. statysta.com (dostęp: ) [17] - Mapa odnawialnych źródeł energii (dostęp: ) 9417