Influence of energy policy on the rate of implementation of biogas power plants in Germany during the decade

Transkrypt

1 Wroclaw University of Technology From the SelectedWorks of Wojciech Budzianowski 2011 Influence of energy policy on the rate of implementation of biogas power plants in Germany during the decade Izabela Chasiak, Wroclaw University of Technology Wojciech M. Budzianowski, Wroclaw University of Technology Available at:

2 Wpływ polityki energetycznej na tempo rozwoju elektrowni biogazowych w Niemczech w latach Izabela Chasiak, Wojciech M. Budzianowski Politechnika Wrocławska @student.pwr.wroc.pl, wojciech.budzianowski@pwr.wroc.pl Abstrakt Bieżący artykuł omawia narzędzia polityki energetycznej, które spowodowały intensywny rozwój elektrowni biogazowych w Niemczech w latach Szczegółowo przedstawiono niemiecki system dopłat stymulujący rozwój elektrowni biogazowych. Wskazano, że w Niemczech, t.j. w kraju o podobnym klimacie i potencjale w zakresie energii ze źródeł odnawialnych jak Polska, energetyka biogazowa zaspokoiła w 2010 roku 10,7% popytu na energię elektryczną, a wszystkie pozostałe odnawialne źródła energii razem pokryły tylko 5,4% tego popytu. Podkreślono, że w Polsce przy sprzyjającej krajowej polityce energetycznej, w najbliższym czasie także powinno dojść do intensywnego rozwoju energetyki biogazowej. Słowa kluczowe: biogaz, polityka energetyczna, Niemcy, WSTĘP W ostatnich latach produkcja i energetyczne wykorzystanie biogazu ogrywa coraz bardziej znaczącą rolę w bilansie energii ze źródeł odnawialnych w Niemczech. Przyszłość rozwoju branży biogazownictwa oceniana jest bardzo pozytywnie. Przede wszystkim w odniesieniu do nowych instalacji biogazowych były to lata największego sukcesu technologii biogazowej w Niemczech. Z około 6000 zrealizowanych instalacji biogazowych aktualnie w żadnym innym kraju nie pracuje więcej instalacji niż w Niemczech. 2. UWARUNKOWANIA PRAWNE Z powodu silnej rozbudowy biogazowi udział wytwarzanej energii z biogazu w porównaniu do innych energii odnawialnych wyraźnie wzrósł. Produkcja biogazu zwiększa się także dzięki różnym działaniom wspierającym i propagującym na szczeblu krajowym oraz regionalnym. Zwiększono dofinansowania energii z biomasy, podczas gdy dla energii solarnej i wiatrowej dofinansowanie to spada. Istotną rolę odgrywa tutaj Ustawa o Energiach Odnawialnych (Erneubare Energie Gesetz EEG), która ustala stawki wynagrodzenia za produkcję prądu z biogazu z jednej strony z produktów ubocznych i odpadów a z drugiej z roślin odnawialnych. Pierwsza nowelizacja tej ustawy w roku 2004 przyczyniła się do prawdziwego bumu w produkcji biogazu. W 2009 EEG została po raz drugi znowelizowana. Podstawą dla opłacalności produkcji energii jest gwarancja jej zbytu i cena. W Niemczech przedsiębiorstwo energetyczne jest zobowiązane do zakupu energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnych źródłach energii przyłączonych do sieci znajdujących się w obszarze działania sprzedawcy. Również na mocy EEG rząd niemiecki gwarantuje, że od momentu wyprodukowania 1 kw na okres 20 lat produkcji można liczyć na stałe ceny za produkowaną energię. Dla biogazowni, które w 2009 rozpoczęły swoją pracę również wynagrodzenie za produkowanie energii z odnawialnych źródeł na okres 20 lat nie ulega zmianie. Natomiast dla nowych instalacji degresja wynagrodzenia to 1% na rok. Ustawa o Energiach Odnawialnych wprowadziła również szereg bonusów. Nawaro-Bonus może otrzymać elektrownia biogazowa wykorzystująca jako substraty rośliny lub części roślin, które są pochodzenia gospodarstwa rolniczego, leśnego bądź ogrodnictwa i mają wykorzystanie tylko w biogazownictwie. Natomiast KWK-Bonus jest zależny od wskaźnika prądu (SKZ), który oblicza się jako stosunek mocy elektrycznej do mocy cieplnej kogeneratora. Rentowność wielu projektów jest także ściśle zależna od wykorzystania energii cieplnej. Dlatego też dokładne rozważanie i zaplanowanie rozwiązań użytkowania ciepła odgrywa znaczącą rolę w procesie budowy biogazowi. Ciepło powstające w procesie wytwarzania biogazu jest wykorzystywane do ogrzania fermentorów i obiektów użyteczności publicznej. Producent wykorzystuje nadwyżkę ciepła również do osuszania odpadów pofermentacyjnych, które następnie mogą być wykorzystane do innych celów. Bonus Technologiczny przydzielany jest tym elektrowniom biogazowym, które efektywnie wykorzystują tą nadwyżkę ciepła. Zależy także od tego czy zastosowane są nowe technologie w instalacji biogazowej jak i od tego czy dany stopień wydajności elektrycznej jest osiągnięty. Pozytywny wpływ na rozwój biogazownictwa w Niemczech ma również społeczeństwo, które nie sprzeciwia się tego typu inwestycjom. Ludzie są I. Chasiak, W. M. Budzianowski Wpływ polityki energetycznej na tempo rozwoju elektrowni biogazowych w Niemczech 1

3 dobrze uświadomieni z korzyści wynikających z zamiany tradycyjnych surowców energetycznych na te ze źródeł odnawialnych. Tabela 1 przedstawia szczegółowe wysokości dopłat do elektrowni biogazowych, które zostały wprowadzone na mocy znowelizowanej ustawy EEG w 2009 roku. Tabela 1 Wysokość dopłat przyznawana elektrowniom biogazowym w Niemczech na mocy ustawy EEG na koniec 2010 roku. Moc elektrowni biogazowej (MW e ) 0-0,15 0,15-0,50 0, Dopłaty do elektrowni biogazowych ( MWh e -1 ) Dopłata podstawowa 115,50 90,90 81,70 77,00 Bonus biomasowy 69,30 69,30 39,60 0,00 Bonus gnojówkowy 39,60 9,90 0,00 0,00 Bonus cieplny (CHP) 29,70 29,70 29,70 29,70 Bonus technologiczny 19,80 19,80 19,80 0,00 Bonus ochrony krajobrazu 19,80 19,80 0,00 0,00 Bonus formaldehydowy 10,00 10,00 0,00 0,00 Łączne maksymalne dopłaty 303,70 249,40 170,80 106,70 Uwagi: Powyższe taryfy objęte są 1% degresją dopłat i bonusów za każdy kolejny rok funkcjonowania elektrowni biogazowej. Bonus biomasowy przysługuje w przypadku wykorzystywania surowca przeznaczonego wyłącznie do procesu fermentacji. Bonus gnojówkowy przysługuje, gdy objętościowy udział gnojówki w surowcu wynosi co najmniej 30%. Bonus cieplny przysługuje, gdy elektrownia biogazowa wykorzystuje ciepło odpadowe. Bonus technologiczny jest przyznawany tym elektrowniom biogazowym, które wykorzystują nowsze technologie konwersji energii biogazu jak: ogniwa paliwowe, turbiny gazowe, obiegi ORC oraz silniki Stirlinga. Bonus ochrony krajobrazu jest należny, gdy wykorzystanie surowca jest związane z działaniami na rzecz ochrony krajobrazu. Bonus formaldehydowy reguluje problematykę formaldehydową. 3. KIERUNKI DALSZYCH ZMIAN W USTAWIE EEG W 2012 roku ustawa EEG zostanie po raz trzeci znowelizowana. Celem noweli będzie znalezienie i ustalenie narzędzi polityki energetycznej, które poprawią sytuację gazowych nośników energii. Przykładowe zmiany, które mogą zajść w biogazownictwie w Niemczech: większe wsparcie małych instalacji biogazowych, poprzez przyznanie większego podstawowego wynagrodzenia dla niewielkich mocy, zniesienie Nawaro-Bonus, większe wsparcie korzystniejszych cenowo substratów takich jak gnojówka, bioodpady, produkty uboczne, progresywna wypłata bonusów przy rosnących udziałach zastosowania materiału ubocznego jako materiału wejściowego, złagodzenie sytuacji konkurencyjnej dla rolniczych powierzchni uprawnych, wzmocnienie rynku biometanowego. Zwiększenie rocznej ilości biometanu do 6 mld m 3 do 2020 roku i do 10 mld m 3 do 2030 roku. Ogólna suma wsparcia instalacji biogazowych nie ulegnie znaczącej zmianie, zostanie jedynie efektywniej rozdzielana tak by stymulować rozwój energetyki biogazowej w najbardziej pożądanych kierunkach. 4. ZMIANY W TECHNICE INSTALACJI I SPOSOBIE DZIAŁANIA BIOGAZOWNI Wiedza na temat produkcji biogazu w Niemczech jest bardzo duża. Bazuje na sporym doświadczeniu w tej dziedzinie. Rocznie pojawia się około publikacji dotyczących tematyki biogazownictwa. Prowadzonych jest dużo badań laboratoryjnych, które umożliwiają określenie dokładniejszych parametrów, w których dany substrat powinien być sfermentowany, aby otrzymać z niego jak największą ilość biogazu. Dzieje się tak, gdyż uzysk biogazu nie jest zależny I. Chasiak, W. M. Budzianowski Wpływ polityki energetycznej na tempo rozwoju elektrowni biogazowych w Niemczech 2

4 tylko od rodzaju substratu, ale także od parametrów, odpowiednich dla danego substratu, tj. temperatury, ph czy hydraulicznego czasu zatrzymania, w których dany proces zachodzi. Ta analiza procesu powstawania biogazu doprowadziła do tego, że w Niemczech stosuje się coraz to nowsze i wydajniejsze technologie. Porównując obecne technologie do tych z 2004 roku zaobserwować można duże zmiany. Różnice te nastąpiły w stosowanych substratach, technice instalacji, prowadzeniu procesu i wykorzystaniu gazu. Znacznie wzrosło zastosowanie roślin energetycznych, zaś wykorzystanie nawozu gospodarczego jako substratu spadło do ok. 40%. Wyraźnie zmieniła się objętość fermentorów. W 2009 roku 66% instalacji dysponowało objętością reaktorów fermentacji większą niż 2000 m 3. Wcześniej, w 2004 roku, taką objętością dysponowało jedynie 27% instalacji. Znacząco zmieniła się również technika mieszania ze względu na zastosowanie dużej ilości substancji stałych. Sposób mieszania odgrywa kluczową rolę w funkcjonowaniu i wydajności instalacji. Żeby sprostać rosnącym wymaganiom co do systemu mieszania, zostały wprowadzone nowe rodzaje mieszadeł. Różnią się one ilością obrotów, średnicą mieszalnika i ustawieniami mieszania. Z reguły w fermentatorze umieszcza się 2-4 mieszadła, aby osiągnąć wystarczające przemieszanie bez tworzenia pływających i opadających warstw. Dominującymi na rynku niemieckim są mieszadła,,nurkujące'', które wyposażone są w wolno biegnące, duże skrzydła. Często występują w połączeniu z innymi systemami mieszadeł. Sposób prowadzenia procesu również uległ zmianie. W przeszłości dominowały instalacje jednostopniowe, obecnie w ponad 60% instalacji stosuje się system wielostopniowy, który stosuje znacznie dłuższe czasy przebywania. Umożliwia to wyższą konwersję substratu fermentacyjnego na biogaz. Jednostopniowe instalacje działają przede wszystkim w 80 dniowym czasie przebywania, w wielostopniowych instalacjach czas ten znacznie przekracza 80 dni. Dzięki zastosowaniu dłuższego czasu przebywania produkcja metanu zwiększa się w instalacjach wielostopniowych o ok. 10%. 5. PRZYSZŁOŚĆ BIOGAZOWNICTWA W NIEMCZECH Rozwojowi technologii produkcji biogazu wzrasta również sprawność instalacji elektrycznych. Zjawisko to rozpoczęło się z pierwszą nowelizacją EEG. Przed nowelizacją tej ustawy w roku 2004 na rynku niemieckim funkcjonowało 2010 elektrowni biogazowych, rok później liczba ta wzrosła do 2650 elektrowni. Obecnie Niemcy dysponują około 6000 elektrowniami biogazowymi. Ten wzrost wyjaśnia również wzrost wynagrodzenia za generowanie energii elektrycznej. Łączna moc elektrowni biogazowych wzrosła z 390 MW w 2004, do 665 MW w W 2010 roku łączna moc wyniosła już 2135 MW. Obecnie wytwarzanie prądu z energii odnawialnej odpowiada 16,1% ogólnego zużycia prądu. Wkład biogazu w tej ogólnej produkcji wynosi 10,7%. Natomiast dyspozycyjność ciepła z odnawialnej energii to 8,4% ogólnego zapotrzebowania. Przewiduje się, że w Niemczech w 2030 roku bioenergetyka pokryje 17,4% popytu na energię elektryczną. Podstawowymi substratami będą wówczas w 59% rośliny energetyczne, w 34% drewno i słoma a w 7% gnojówka i odpady organiczne. Dzisiaj natomiast najczęściej stosowanym substratem w biogazownictwie stała się mieszanka kukurydzy. Wykorzystuje ją aż 48% instalacji. Drugim substratem (24%) jest gnojówka pochodząca z hodowli bydła. Ogólnie substraty pochodzenia Nawaro wykorzystywane są w 63% instalacji natomiast nawóz z gospodarstw ma zastosowanie w 37%. Obecnie tylko ¼ instalacji wprowadza więcej jak 50% nawozu gospodarczego, podczas gdy 15% funkcjonuje całkowicie bez tego nawozu. Większe zastosowanie roślin energetycznych spowodowało wzrost powierzchni upraw tych roślin, które mogą być wykorzystane w biogazownictwie. Powierzchnia tych upraw wzrosła od ha w roku 2007 do ha w 2009 roku. 6. PODSUMOWANIE Przedstawiono impulsy wynikające z niemieckiej polityki energetycznej, które stymulowały rozwój elektrowni biogazowych w Niemczech w latach Omówiono impulsy ekonomiczne, które dotyczyły wynagrodzenia za moc elektrowni biogazowych oraz gwarancji odkupu energii elektrycznej po gwarantowanej korzystnej cenie przez okres 20 lat. Wdrożenie powyższych impulsów spowodowało uruchomienie 6000 instalacji biogazowych oraz objęcie areału ha uprawą roślin energetycznych. Moc elektrowni biogazowych w 2010 roku wyniosła w Niemczech 2135 MW. Ta moc elektrowni biogazowych pozwala zaspokoić 10,7% popytu na energię elektryczną w Niemczech, a I. Chasiak, W. M. Budzianowski Wpływ polityki energetycznej na tempo rozwoju elektrowni biogazowych w Niemczech 3

5 elektrownie biogazowe odgrywają dominującą rolę wśród wszystkich odnawialnych źródeł energii. Z uwagi na podobieństwa klimatyczne i ukształtowania terenu Niemiec i Polski należy się spodziewać, że także w Polsce w najbliższym czasie dojdzie do intensywnego rozwoju energetyki biogazowej [1]. LITERATURA [1] Budzianowski W.M.: Opportunities for bioenergy in Poland: biogas and biomass fuelled power plants. Rynek Energii (2011). [2] Budzianowski W.M.: Negative net CO 2 emissions from oxy-decarbonization of biogas to H 2. International Journal of Chemical Reactor Engineering 8 (2010) A156. [3] Budzianowski W.M.: Low-carbon power generation cycles: the feasibility of CO 2 capture and opportunities for integration. Journal of Power Technologies 91 (1) (2011) [4] Budzianowski W.M.: An oxy-fuel mass-recirculating process for H 2 production with CO 2 capture by autothermal catalytic oxyforming of methane. International Journal of Hydrogen Energy 35 (14) (2010) [5] Budzianowski W.M.: Thermal integration of combustion-based energy generators by heat recirculation. Rynek Energii 91 (6) (2010) [6] Budzianowski W.M., Miller R.: Effect of energy release and detailed surface mechanisms on multicomponent catalytic combustion. Environment Protection Engineering 34 (4) (2008) [7] Śliwiński W., Poprawski L., Budzianowski W.M.: Analiza wykorzystania naturalnych bogactw regionu w kontekście rozwoju społeczno-gospodarczego z uwzględnieniem przekrojów przestrzennych, w związku z perspektywą wyczerpania się złóż naturalnych bogactw. Analiza współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach projektu Analizy, badania i prognozy na rzecz Strategii Rozwoju Województwa Dolnośląskiego [POKL /08]. (2011). [8] Budzianowski W.M., Miller R.: Towards improvements in thermal efficiency and reduced harmful emissions of combustion processes by using recirculation of heat and mass: A review. Recent Patents on Mechanical Engineering 2 (3) (2009) [9] Budzianowski W.M.: Role of catalytic technologies in combustion of gaseous fuels. Rynek Energii 82 (3) (2009) [10]Budzianowski W.M., Miller R.: Superadiabatic lean catalytic combustion in a high-pressure reactor. International Journal of Chemical Reaction Engineering 7 (2009) A20. [11] Budzianowski W.M.: Engineering benefits of mass recirculation in novel energy technologies with CO 2 capture. Rynek Energii 88 (3) (2010) [12]Budzianowski W.M., Miller R.: The effect of process factors on the reaction rate of catalytic combustion: Determination by a new method and a new reactor configuration. Chemical and Process Engineering 30 (1) (2009) [13]Budzianowski W., Kozioł A.: Determination of parameters of a catalyst particle in non-stationary conditions, Chemical and Process Engineering 25 (3) (2004) [14]Budzianowski W.M.: Mass-recirculating systems in CO 2 capture technologies: A review. Recent Patents on Engineering 4 (1) (2010) [15]Budzianowski W.M.: A comparative framework for recirculating combustion of gases. Archivum Combustionis 30 (1-2) (2010) [16]Budzianowski W.M., Miller R.: Catalytic converters and processes in selected energy technologies: I. gas turbines and II. radiant burners in drying. Recent Patents on Chemical Engineering 2 (3) (2009) [17]Budzianowski W.M., Miller R.: Design of dynamics of a recuperative catalytic combustor: enhancement in operation and control. Chemical Product and Process Modeling 4 (2) (2009) A11. [18]Budzianowski W., Kozioł A.: Process model of ammonia desorption from aqueous solutions containing carbon dioxide. Chemical and Process Engineering 20 (4) (1999) [19]Budzianowski W., Kozioł A.: Ammonia removal from aqueous solutions containing carbon dioxide by stripping with air. Process model verification. Chemical and Process Engineering 21 (4) (2000) [20]Budzianowski W., Kozioł A.: Parametric analysis of ammonia and carbon dioxide simultaneous desorption process. Chemical and Process Engineering 22 (3B) (2001) [21]Budzianowski W., Koziol A.: Stripping of ammonia from aqueous solutions in the presence of carbon dioxide. Effect of negative enhancement of mass transfer. Chemical Engineering Research and Design 83 (A2) (2005) [22]Budzianowski W.M., Miller R.: Auto-thermal combustion of lean gaseous fuels utilizing a recuperative annular double-layer catalytic converter. Canadian Journal of Chemical Engineering 86 (4) (2008) [23]Budzianowski W.M.: A rate-based method for design of reactive gas-liquid systems. Rynek Energii 83 (4) (2009) I. Chasiak, W. M. Budzianowski Wpływ polityki energetycznej na tempo rozwoju elektrowni biogazowych w Niemczech 4

6 Influence of energy policy on the rate of implementation of biogas power plants in Germany during the decade Abstract Current article describes energy policy tools, which caused intensive development of biogas-based power generation in Germany during the decade. The German system of financial support to biogas power plants is presented in details. It is shown that in Germany, i.e. in a country characterised by similar climate and potentials to renewable energy to Poland, biogas power plants cover 10,7% of electricity demands in 2010, while all renewable energy sources cover only 5,4% of electricity demands. It is emphasised that under favourable Polish energy policy, the development of biogas energy can be very rapid. Keywords: biogas, energy policy, Germany, I. Chasiak, W. M. Budzianowski Wpływ polityki energetycznej na tempo rozwoju elektrowni biogazowych w Niemczech 5