Podatność transportowa biopaliw stałych

Transkrypt

1 FRĄCZEK Jarosław 1 CIEŚLIKOWSKI Bogusław 2 FRANCIK Sławomir 3 PEDRYC Norbert 4 ŚLIPEK Zbigniew 5 Podatność transportowa biopaliw stałych WSTĘP Udział OZE w ogólnym bilansie energetycznym rośnie z roku na rok. Przewiduje się, że w 2019 r. osiągnie poziom 14,6% - w ciepłownictwie i chłodnictwie, elektroenergetyce oraz transporcie. Wykorzystanie biomasy do celów energetycznych będzie w Polsce stanowić podstawowy kierunek rozwoju OZE do roku 2030 (rysunek 1). Rys. 1. Zapotrzebowanie na energię finalną do roku 2030: struktura produkcji z OZE [17]. Zgodnie z wieloma dokumentami strategicznymi, polityka energetyczna Polski oprócz zwiększenia udziału OZE w bilansie energetycznym, zmierza również do ograniczenia wykorzystania zasobów biomasy leśnej na cele energetyczne. W przypadku współspalania biomasy w jednostkach o mocy powyżej 5MW, w latach nastąpi całkowite wyeliminowanie tego rodzaju biopaliwa (rysunek 2). Natomiast dla układów hybrydowych o łącznej mocy powyżej 20 MW, wymogi te są mniej rygorystyczne - w roku 2017 udział biomasy typu A powinien osiągnąć 60%. W związku z tym zdecydowanie zwiększy się popyt na biomasę typu A, w tym na bioodpady pochodzące między innymi z produkcji żywności. Wykorzystanie biomasy pochodzenia rolniczego w znaczącym stopniu może przyczynić się do pobudzenia rozwoju gospodarczego na terenach wiejskich, poprzez zróżnicowanie działalności (nowe rynki zbytu surowców rolnych, nowe rodzaje działalności gospodarczej) i powinno stanowić istotny element polityki rolnej. Zarówno nieprzetworzona jak i przetworzona biomasa stwarza określone trudności logistyczne. W głównej mierze wynikają one z rozmaitej podatności transportowej ładunku. Pogonowska- Szuszkiewicz [9] określa podatność transportu ładunków jako "właściwości ładunków kształtujące ich odporność na warunki, czas trwania i wyników transportu na wszystkich etapach". 1 Uniwersytet Rolniczy im.hugona Kołłątaja w Krakowie. Wydział Energetyki i Inżynierii Produkcji Kraków ul. Balicka 106 mail. jarosław.fraczek@ur.krakow.pl 2 Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie, Wydział Zarządzania i Inżynierii Produkcji; Kraków; ul. Balicka 120; , cibogdan@poczta.onet.pl 3 Uniwersytet Rolniczy im.hugona Kołłątaja w Krakowie. Wydział Energetyki i Inżynierii Produkcji Kraków ul. Balicka 106 mail. sławomir.francik@ur.krakow.pl 4 Uniwersytet Rolniczy im.hugona Kołłątaja w Krakowie. Wydział Energetyki i Inżynierii Produkcji Kraków ul. Balicka 106 mail. norbert.pedryc@ur.krakow.pl 5 Uniwersytet Rolniczy im.hugona Kołłątaja w Krakowie. Wydział Energetyki i Inżynierii Produkcji Kraków ul. Balicka 106 mail. zbigniew.slipek@ur.krakow.pl 3240

2 Biomasa A pochodząca z upraw energetycznych lub odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz przemysłu przetwarzającego jego produkty, a także części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji Biomasy B pozostałe rodzaje biomasy Rys. 2. Wymogi dotyczące biomasy współspalanej w jednostkach powyżej o mocy 5MW [13]. 1. CEL I ZAKRES PRACY Podatność transportową ładunków można podzielić na trzy grupy związane z etapami procesu transportu: podatność przewozu, podatność czynności ładunkowych, podatność okresowego składowania. Dodatkowo wyróżnia się podatność (rysunek 3): naturalną - która wynika z cech fizyczno-chemicznych i biologicznych ładunku. Duże znaczenie mają w tym przypadku podstawowe parametry transportu: czas, temperatura, światło oraz częstotliwość drgań. techniczną - która decyduje o technice oraz sposobie wykonywania poszczególnych zabiegów w transporcie i wynika z wymiarów zewnętrznych, kształtu, stanu skupienia oraz gęstości ładunku ekonomiczną - która jest funkcją wartości przewożonych ładunków. Im wyższa wartość jednostkowa, tym mniejsza ekonomiczna podatność przewozowa. Neider [11] wymienia dodatkowo czwarty stopień wrażliwości - podatność wyjątkową, która charakteryzuje grupy unikalnych ładunków. Rys. 3. Podatność transportowa ładunku [3]. 3241

3 W przypadku biopaliw stałych brak jest danych dotyczących podatności transportowej. Z tych względów w artykule podjęto próbę oceny tej podatności dla różnych rodzajów biopaliw stałych. Jej prawidłowe określenie jest koniecznym warunkiem przy planowaniu przewozu w aspekcie wyboru środka transportu, określenie warunków i dopuszczalnego czasu składowania, ustalenia warunków bezpieczeństwa oraz oszacowania kosztów transportu (wraz z kosztami ubezpieczenia). Wysoka podatność transportowa, czyli duża odporność ładunków na zmianę jego właściwości w czasie wszystkich etapów procesu transportowego, ułatwia i upraszcza sprawną i bezpieczną realizację tych etapów przy równoczesnym zachowaniu wysokiej jakość ładunków i małego społecznego nakładu pracy. 2. METODY OCENY PODATNOŚCI TRANSPORTOWEJ Ocenę podatności transportowej (W tr ) można przeprowadzić dwojako. Po pierwsze można wykorzystać metody parametryczne lub wskaźnikowe - należy przyjąć wówczas wymierne kryterium, którego wartość można oszacować poprzez odpowiednie pomiary lub obliczenia. Po drugie można zastosować metody szacunkowe, wykorzystujące najczęściej metody rangowe (indeksacji parametrów), które umożliwiają utworzenie list rankingowych. Wybór metody zależny jest od możliwości pozyskania danych oraz od rodzaju podatności, która ma być oceniana. Oznacza to, że nie jest możliwe opracowanie uniwersalnej metody oceny podatności transportowej. W zależności tego, z jakiego punktu widzenia oceniana jest ta podatność, mogą być stosowane określone, specyficzne dla danego obszaru metody. Przy ocenie podatności transportowej zazwyczaj wykorzystywany jest stopień podatności wyrażony ilościowo (masa, gęstość trwałość...) lub wartościowo (koszt, cena). Jednoznaczne określenie podatności transportowej W tr jest więc trudne, tym bardziej, że przytoczone definicje wyraźnie wskazują na konieczność uwzględnienia trzech różnych obszarów (właściwości fizyczne, parametry ładunku oraz koszty transportu). Jedynie w nielicznych przypadkach ustalone są uproszczone metody oceny tej podatności. Przykładem mogą być drobnoziarniste sortymenty węgla. W angielskim zagłębiu Durham [10], w celu zwiększenia podatności transportowej do węgla dodawano niewielkie ilości olejów napędowych. W tr określano wówczas poprzez pomiar czasu opróżniania wagonów kolejowych, uzupełniając go uwagami dotyczącymi dokładności tego opróżnienia. Podjęto również próby oceny W tr poprzez pomiar właściwości fizycznych istotnych z punktu widzenia transportu, do których zaliczono kąt tarcia wewnętrznego i zewnętrznego, kohezję oraz adhezję ziaren węglowych [9]. Uzyskane wyniki nie pozwoliły jednak na szersze wykorzystanie tych metod - wystąpiły niewielkie różnice mierzonych wielkości dla poszczególnych materiałów. W Polsce obowiązuje norma PN-82/G [16] pozwalająca na określenie wskaźnika podatności transportowej sortymentów miałowych poprzez pomiar wytrzymałości na rozciąganie odpowiednio przygotowanych słupków węglowych o różnych wysokościach [19]. Przytoczone metody mają jednak bardzo ograniczone zastosowanie - nie można ich stosować dla innych typów ładunku. Ekonomiczna podatność transportu zależy od relacji wartości transportu przeniesionej na ładunek do jego wartości, która może zostać określone przez koszty produkcji lub cenę sprzedaży. Powszechnie wiadomo, że ma ona wpływ na stopień niezbędności gospodarczego i społecznego transportu. Bogdanowicz [1] proponuje aby obliczać ilościowy stopień ekonomicznej podatności transportowej (Spw), przy nowym koszcie transportu mniejszym od dotychczasowego na podstawie zależności: (1) gdzie: Ktd r dotychczasowy koszt transportu środkami r-tego rodzaju w zł, Ktn i nowy koszt transportu środkami i-tego rodzaju w zł, 3242

4 c d dotychczasowa wartość (cena) dobra w zł, m, n r liczba środków transportowych odpowiednio dotychczasowych r-tego rodzaju i nowych i-tego rodzaju w szt. W przypadku zwiększenia kosztów transportu Autor proponuje zamianę kolejności wyrazów w mianowniku wzoru 1. W świetle danych literaturowych, naturalna podatność przewozowa obejmuje m.in.: odporność na czas i uszkodzenia w czasie transportu, wrażliwość na wilgotność, temperaturę i światło, szkodliwość dla zdrowia ludzkiego, możliwość uszkodzenia lub zniszczenia innych przedmiotów, podatność na wchłanianie i wydzielanie zapachów, podatność na rozsypywanie, rozlewanie i ulatnianie, podatność na samozapalanie, wybuch oraz łatwopalność. Czynniki te są często określane pośrednio. Znajomość naturalnej, technicznej i ekonomicznej podatność transportu pozwala na: wybór właściwego opakowania, sposobu podziału na jednostki, określenie rodzaju i ilości niezbędnego taboru, wybór sposobu zabezpieczenia pakowanego ładunku w jednostce ładunkowej, określenie sposobu i częstotliwości kontroli jakości i warunków przewozu, określenie maksymalnego zasięgu i czasu przewozu, ustalenie technologii za- i rozładunku, przeładunku, dobór odpowiednich urządzeń i organizację obsługi, wybór sposobu i technologii magazynowania (z uwzględnieniem warunków mikroklimatycznych, spiętrzenia itp.). 3. OCENA PODATNOŚCI TRANSPORTOWEJ BIOPALIW STAŁYCH Istniejące metody oceny podatności transportowej nie pozwalają na jednoznaczne przydzielenie poszczególnych wskaźników do konkretnego, jednego rodzaju podatności transportowej. Zdaniem autorów, w przypadku biopaliw stałych problem podatności transportowej należy rozpatrywać głównie w dwóch obszarach: ekonomicznym oraz fizycznym. Obszar fizyczny obejmuje zarówno podatność naturalną jak i techniczną. Bowiem zgodnie z rysunkiem 3, tzw. gabaryty przestrzenne zawierają w sobie typowe wielkości fizyczne: masa, wymiary (objętość) - a zatem również i gęstość (nasypową i właściwą). Analizując obowiązujące normy dotyczące biopaliw stałych, należy uznać, iż wiele parametrów fizycznych, decyduje o jakości materiału i wpływa bezpośrednio na jego podatność transportową. W tabeli 1 pokazano te z parametrów, które należy uznać za najważniejsze w tej kwestii. Waga poszczególnych czynników jest oczywiście różna i może być określana konkretnie jedynie dla danego ładunku (biopaliwa stałego) czy też grupy ładunków. Należy jednak uznać, że najważniejsze właściwości materiału decydujące o jego podatności przewozowej to wilgotność, trwałość, skład granulometryczny oraz gęstość nasypowa. Tab. 1. Podstawowe fizyczne parametry jakościowe biopaliw stałych Parametr Wilgotność Wartość opałowa Zawartość popiołu Efekt Wzrost powoduje: spadek zdolności do przechowywania, obniżenie wartości opałowej, straty, samozapłon. Wysoka wilgotność sprzyja rozwojowi grzybów, stymuluje procesy gnilne. Decyduje o sposobie wykorzystania paliwa, determinuje prace projektowe. Wzrost powoduje zwiększenie emisję cząstek stałych i kosztów usuwania popiołu. 3243

5 Zarodniki grzybów Gęstość nasypowa Gęstość właściwa Skład granulometryczny Udział pyłu Trwałość Temperatura zapłonu Stwarzają zagrożenie dla zdrowia ludzkiego (poprzez kontakt z paliwem). Wzrost obniża koszty transportu oraz przechowywania. Wpływ na dynamikę procesu spalania. Decyduje o: sypkości paliwa, przebiegu procesu suszenia, łatwości za- i rozładunku oraz zapyleniu. Wzrost zwiększa gęstość usypową oraz straty podczas transportu, powoduje pylenie materiału. Decyduje o: zmianach jakości paliwa podczas za- i rozładunku, składowania oraz transportu oraz o wielkości strat. Niska temperatura zapłonu stwarza duże trudności związane z prawidłowym przechowywaniem biopaliw stałych. Dla uzyskania odpowiedniej wartości tych parametrów niezbędne jest odpowiednie przygotowanie materiału do przewozu na większe odległości, tak aby został on zabezpieczony przed wpływem egzoi endogennych czynników oraz czasu. Wymaga to również systematycznego monitorowania zmian wartości tych parametrów. Wzrost przewozu ładunków oraz podatności składowania uzyskuje się dzięki zwiększeniu ich naturalnej podatności transportowej przez wstępne przygotowanie w celu przewozu oraz składowania, polegające na zwiększeniu ich trwałości (odporności na przewóz i magazynowanie). Podstawowym sposobem zwiększenia podatności biopaliw stałych jest ciśnieniowa aglomeracja, w wyniku której powstają oraz pelety. Przykładowo gęstość usypowa sprasowanej słomy wzrasta wówczas do kg m -3 [18], a brykietów z drewna do kg m -3. Pomiar wymienionych wcześniej parametrów takich biopaliw stałych powinien odbywać się zgodnie z normami: PN-EN 14774:2010E: Biopaliwa stałe -- Oznaczanie zawartości wilgoci -- Metoda suszarkowa. PN-EN 15103:2010E: Biopaliwa stałe -- Oznaczanie gęstości nasypowej. PN-EN 15150:2012E: Biopaliwa stałe -- Oznaczanie gęstości cząstek. PN-EN :2010E: Biopaliwa stałe -- Oznaczanie wytrzymałości mechanicznej brykietów i peletów -- Część 1: Pelety. PN-EN :2011E: Biopaliwa stałe -- Oznaczanie wytrzymałości mechanicznej brykietów i peletów -- Część 2: Brykiety. PN-EN :2011E: Biopaliwa stałe -- Oznaczanie rozkładu wielkości ziaren - Cześć 1: Metoda przesiewania oscylacyjnego przy użyciu sit o szczelinie 1 mm lub większej. PN-EN :2011E: Biopaliwa stałe -- Oznaczanie rozkładu wielkości ziaren -- Cześć 2: Metoda przesiewania wibracyjnego przy użyciu sit o szczelinie 3,15 mm lub mniejszej. PN-EN :2011E: Biopaliwa stałe -- Oznaczanie rozkładu wielkości ziaren -- Cześć 3: Metoda sit obrotowych. Jak wykazały badania przeprowadzone przez autorów dla uzyskania odpowiedniej trwałości niezbędne jest przeprowadzenie zabiegu aglomeracji powyżej ściśle określonego minimalnego ciśnienia. Przy prasowaniu rozdrobnionych pędów wierzby energetycznej należy stosować ciśnienie zagęszczania powyżej 85 MPa (rysunki 4 i 5). Można dzięki temu uzyskać trwałość powyżej 90% oraz gęstość powyżej 850 kg m -3 co w efekcie powoduje spadek kosztów transportu. 3244

6 Gęstość [g/cm3] Trwałość [%] wykonane z trocin Ø 4mm wykonane z trocin Ø 10mm Ciśnienie [MPa] Rys. 4. Trwałość brykietów wykonanych z rozdrobnionych pędów wierzby energetycznej. wykonane z trocin Ø 15mm 1 0,9 wykonane z trocin Ø 4mm 0,8 0,7 wykonane z trocin Ø 10mm 0,6 0, Ciśnienie [Mpa] wykonane z trocin Ø 15mm Rys. 5. Gęstość brykietów wykonanych z rozdrobnionych pędów wierzby energetycznej. Wspomniane koszty transportu biopaliw stałych - szczególnie nieprzetworzonych - są stosunkowo wysokie. Przykładowo, jak stwierdza Piotrowski [15], kryterium opłacalności transportu samochodowego zrębków wierzby wynosi poniżej 250 km energia tracona na transport zrównuje się wówczas z energią zgromadzoną w paliwie. Przy biomasie nieprzetworzonej opłacalna odległość transportu do zakładu przetwórczego dużej skali wynosi około 30 km. Badania przeprowadzone przez Juliszewskiego, Kwaśniewskiego i Kubonia [12] wykazały, iż koszt transportu jednostki energii zawartej w słomie prasowanej jest 9,3 razy większy niż koszt transportu węgla kamiennego. Przyczyną tak dużej różnicy jest niska wartość opałowa oraz niska gęstość nasypowa biomasy. Jak wykazują liczne badania, transport nieprzetworzonej lub jedynie wstępnie rozdrobnionej biomasy, jest więc nieopłacalny na duże odległości [12]. Przykładowo koszt transportu 1 tony 3245

7 zrębków o wilgotności 38% samochodem ciężarowym o ładowności 10 t, na odległość 40 km wynosił 32 PLN, co stanowiło 11% w ogólnej strukturze kosztów pozyskania zrębków drzewnych [8]. Przetwarzanie biomasy do postaci peletów i brykietów, dzięki konieczności dosuszania materiału do poziomu wilgotności poniżej 15% (brykiet) lub 12% (pelet) wpływa korzystnie na możliwość jej dłuższego przechowywania. Obniżenie zawartości wody w biomasie zwalnia procesy biochemiczne, poprzez co zmniejsza się ryzyko samozagrzewania, zaparzania, gnicia oraz samozapłonu ładunku [4, 5, 6, 7]. Pelety i są jednak paliwem o szczególnych wymaganiach co do warunków przechowywania [14]. Należy odizolować miejsce składowania od wilgoci (zwłaszcza deszczu, śniegu oraz skraplającej się pary wodnej), a ciągi transportowe muszą być przykryte [2]. WNIOSKI 1. Jednoznaczne określenie podatności transportowej jest trudne, ze względu na konieczność uwzględnienia trzech różnych obszarów (właściwości fizyczne, parametry ładunku oraz koszty transportu). 2. Do najważniejszych właściwości biopaliw stałych, decydujących o ich podatności przewozowej należy zaliczyć wilgotność, trwałość, skład granulometryczny oraz gęstość nasypową. 3. Dzięki aglomeracji biomasy zwiększa się znacznie jej podatność transportowa. Należy jednak zachować odpowiednie wartości ciśnienia zagęszczania. 4. Podatności transportowa powinna być określana oddzielnie dla różnych grup biopaliw stałych. Streszczenie Biomasa zarówno nieprzetworzona jak i przetworzona stwarza określone trudności logistyczne. W głównej mierze wynikają one z rozmaitej podatności transportowej ładunku. W literaturze brak szerszej analizy dotycej tej podatności. Z tych względów w artykule podjęto próbę jej oceny tej podatności dla różnych rodzajów biopaliw stałych. Wiedza na ten temat jest niezbędna przy planowaniu przewozu w aspekcie wyboru środka transportu, określenia warunków i dopuszczalnego czasu składowania, ustalenia warunków bezpieczeństwa oraz oszacowania kosztów transportu (wraz z kosztami ubezpieczenia). Przy ocenie podatności zazwyczaj wykorzystywany jest stopień podatności wyrażony ilościowo (masa, gęstość, trwałość) lub wartościowo (koszt, cena). Jednoznaczne określenie podatności transportowej jest jednak trudne, tym bardziej, że jej definicje wyraźnie wskazują na konieczność uwzględnienia trzech różnych obszarów (właściwości fizyczne, parametry ładunku oraz koszty). W artykule podjęto więc próbę kompleksowej oceny podatności transportowej biopaliw stałych ze szczególnym naciskiem na metodyczne jej aspekty. Słowa kluczowe: transport biomasy, podatność transportowa, biopaliwa stałe Transport vulnerability of solid biomass fuels Abstract The transportation of solid biomass both processed and unprocessed leads to several difficulties, mostly connected to transport vulnerability of such fuels. Vestigial information in the literature about this problem could be found. This paper attempts of asses the transport vulnerability of different types of solid biomass fuels. Such knowledge tends to be crucial in supply chain management and can be used in several areas like: means of transport selection, defining time and type of storage, establishing safety requirements and transportation cost (including insurance). Estimation of the vulnerability is made usually according to quantity (mass, density, durability) and quality (cost, price) parameters. In fact, accurate determination of the transport vulnerability is quite difficult as the definition clearly points out three different areas (physical, load parameters and costs) which must be taken into account. This paper therefore tries a to present a comprehensive assessment of the transport vulnerability of solid biofuels with special emphasis on methodological aspects. Keywords: biomass transportation, transport vulnerability, solid biomass fuels. 3246

8 BIBLIOGRAFIA 1. Bogdanowicz S., Mierniki oceny podatności w aspekcie realizacji procesu transportowego, Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej 2008, z. 64 Transport 2. Duda-Kękuś A. Uwarunkowania logistyczne wykorzystania biopaliw stałych do produkcji energii elektrycznej w elektrowniach zawodowych. Praca doktorska, maszynopis, AGH Kraków, Ficoń K., Logistyka techniczna Infrastruktura logistyczna., Belstudio, Warszawa Frączek J. i in., Ekonomiczo-organizacyjne aspekty produkcji biopaliw, PTIR Kraków, Frączek J. i in., Produkcja biopaliw - problemy wybrane, PTIR Kraków, 2014; 6. Gigler J.K., Loon W.K.P., van Somiveld C., Experimeni and modeling of parameters influencing natural wind drying of willow chunks, Biomass and Bioenergy 2004, vol. 26 nr 7. s Gigler J.K., Loon W.K.P., van Yissers M.M., Bot G.P.A., Forcedcinreerire drying of willow chips, Biomass and Bioenergy 2000; 4Vol.19 nr 4. s Gradziuk P., Kościk K Analiza możliwości i kosztów pozyskania biomasy na cele energetyczne na potrzeby energetycznego wykorzystania w Gminie Cmolas. Maszynopis. 9. Hall D. A., Cutress J. O., The Effect of Content Moisture and Added Oil on the Handling of Small Coal, Journal Inst. Of Fuel, Hall D. A., Macpherson M., The oiling of coal, Colliery Engineering 1957, Vol.XXXIV nr. 41, VII. 11. Neider J., Transport międzynarodowy, Polskie Wydawnictwo Ekonomiczne, Warszawa 2008, ISBN: (35+12) 12. Juliszewski T., Kwaśniewski D. Kuboń M. Symulacja kosztów transportu tradycyjnych nośników energii i biomasy do celów grzewczych. Inżynieria Rolnicza Nr 3(58). Kraków. 13. Muras Z., Warunki do kwalifikowania energii świadectwami pochodzenia dla biomasy, biopłynów i biogazu. Konferencja Forum technologii w energetyce spalanie biomasy, Bełchatów października Pasyniuk P., Prawne, technologiczne, środowiskowe i ekonomiczne uwarunkowania rozwoju produkcji odnawialnych źródeł energii opartych na biomasie pochodzenia rolniczego, Ekspertyza przygotowana na zlecenie Ministerstwa Rolnictwa i Rozwoju Wsi, Piotrowski K.; Wiltowski T, Mondał M.. Transport biomasy. Czysta Energia 2004, Nr PN-82/G-04544: Oznaczanie wskaźnika podatności transportowej metodą GIG. 17. Polityka energetyczna Polski do 2030 r. 18. Tymiński J Wykorzystanie odnawianych źródeł energii w Polsce do roku IBMER. Warszawa 19. Wierzchowski K., Wawrzynkiewicz W., Metoda wyznaczania podatności transportowej drobnych sortymentów węgla, Przegląd Górniczy 2003, nr Korzeń Z., Logistyczne systemy transportu bliskiego i magazynowania. Tom 1. Infrastruktura, technika, informacja, Instytut Logistyki i Magazynowania, Poznań Publikacja została sfinansowana z dotacji na naukę przyznanej przez MNiSW w ramach tematu nr DS-3600/WIPiE 3247