Evaluation of the biomethane production potential from municipal sources and its use in urban bus the example of Warsaw

Transkrypt

1 Wojciech GIS Edward MENES Jerzy WAŚKIEWICZ Andrzej ŻÓŁTOWSKI PTNSS-2012-SS1-128 Evaluation of the biomethane production potential from municipal sources and its use in urban bus the example of Warsaw According to estimates, the waste received by the largest establishments engaged in the storage and disposal of municipal waste in Warsaw, and from sewage sludge treatment plant, it is possibile to obtain about 35 mln Nm 3 of biomethane every year. Only part of the resulting biogas is used in process technology and the needs of heating and electricity production. The rest of the biogas is burned in flares or evaporates into the air. Potential production of biomethane from these sources in 2020, e.g. for use as motor fuel such as city buses, was estimated at about 25 mln Nm 3, which would let to operate around 520 buses in Warsaw MZA (37% of the park). Given current pricing, the asset of biomethane utilization in urban public bus is not economic reason, but environmental issue. Key words: biogas, biomethane Ocena potencjału produkcji biometanu z gospodarki komunalnej i jego wykorzystania w miejskim transporcie autobusowym na przykładzie Warszawy Według szacunków z odpadów odbieranych przez największe zakłady zajmujące się składowaniem i utylizacją odpadów komunalnych Warszawy oraz z osadów ściekowych oczyszczalni ścieków można pozyskać rocznie około 35 mln Nm 3 biometanu. Tylko część powstającego biogazu jest wykorzystywana w procesie technologicznym i na potrzeby grzewcze oraz do produkcji energii elektrycznej. Reszta biogazu spalana jest w pochodniach lub ulatnia się w powietrze. Potencjał produkcji biometanu z tych źródeł w 2020 r., do wykorzystania np. jako paliwo silnikowe autobusów miejskich, ocenia się na około 25 mln Nm 3, co pozwoliłoby na eksploatację około 520 autobusów MZA Warszawa (37% parku). Przy obecnych uwarunkowaniach cenowych atutem wykorzystania biometanu w miejskim publicznym transporcie autobusowym nie są względy ekonomiczne, ale względy ekologiczne. Słowa kluczowe: biogaz, biometan 1. Wstęp Rosnąca wraz z rozwojem materialnym polskiego społeczeństwa świadomość ekologiczna oraz poziom wykształcenia polskich specjalistów z różnych dziedzin sprzyjają rozwojowi przedsięwzięć, mających na celu zmniejszenie zagrożenia środowiska, zarówno naturalnego, jak i cywilizacyjnego, w związku z aktywnością ludzi. Te korzystne czynniki umożliwiają minimalizację braku skutecznych działań w tym zakresie władz. W Polsce, podobnie jak w większości liberalnych państw rozwiniętych cywilizacyjnie, m.in. w Unii Europejskiej, działania proekologiczne władz mają charakter głównie propagandowy i są stosunkowo ubogo poparte wiedzą specjalistów. Z tych właśnie powodów nie doczekaliśmy się do tej pory w Unii Europejskiej skutecznych metod wspierania rozwoju wykorzystania paliw odnawialnych, co więcej systemy prawne Unii uniemożliwiają preferencyjne wspieranie biopaliw. Jeden z nielicznych wyjątków w dziedzinie paliw odnawialnych, który bez względu na brak zewnętrznych stymulacji rozwija się, może stanowić paliwo biogazowe. Wynika to praktycznie tylko z jednego powodu, mianowicie ze stosunkowo niskiej ceny tego paliwa. Obawiać się tylko trzeba, że w ramach niezdrowo pojmowanej wolności rynkowej podwyżka cen paliwa biogazowego w wyniku obłożenia go wysokimi powinnościami podatkowymi może skutecznie pogrążyć i tę inicjatywę. Pomysł zasilania autobusów miejskich paliwem biogazowym nie jest nowy. Racjonalne uzasadnienie tej idei wynika ze względów ekologicznych i ekonomicznych, a można również dołączyć do tego sprawy bezpieczeństwa energetycznego państw i ich systemów. Spalanie paliw gazowych w silnikach spalinowych wykorzystanych w transporcie, w tym paliw biogazowych, charakteryzuje się znacznie mniejszą emisją zanieczyszczeń powietrza w porównaniu ze spalaniem oleju napędowego, przede wszystkim cząstek stałych i tlenków azotu. Dodatkową korzyścią zastosowania paliwa biogazowego jest fakt, że jest to paliwo odnawialne, a więc emisja dwutlenku węgla kopalnego jest praktycznie równa zeru. Silniki pojazdów samochodowych, co nie jest bez znaczenia zwłaszcza w dużych skupiskach mieszkańców, zasilane paliwami gazowymi są ponadto źródłem mniejszego natężenia hałasu w porównaniu z silnikami zasilanymi olejem napędowym. Te zalety paliwa gazowego stanowią przesłanki podejmowanych prób w wielu krajach europejskich, w tym także w Polsce w zakresie wykorzystania tego rodzaju nośnika energii, a zwłaszcza wykorzystania metanu z biogazowni 96

2 komunalnych, w transporcie samochodowym. Nie są obojętne przy tym kwestie ekonomiczne eksploatacji samochodów zasilanych gazem. Paliwo biogazowe jest obecnie tańszym paliwem niż olej napędowy, co ma znaczenie zwłaszcza, że koszty paliwa stanowią dominującą pozycję w strukturze kosztów eksploatacji taboru samochodowego. Natomiast w aspekcie politycznym kwestą istotną z punktu widzenia bezpieczeństwa energetycznego państwa jest dywersyfikacja nośników energii wykorzystywanych w gospodarce. Wykorzystanie biometanu w transporcie samochodowym jest w Polsce znane od wielu lat, jednak od niedawna zagadnieniu temu poświęca się szczególną uwagę, zwłaszcza, że zasoby lokalnych źródeł biogazu, jak się szacuje, są niebagatelne. Tematyce wykorzystania paliwa biogazowego do zasilania silników autobusów miejskich poświęcony jest m.in. projekt badawczy Baltic Biogas Bus realizowany w ramach wspólnotowych funduszy badawczych przez międzynarodowe konsorcjum, w skład którego wszedł Instytut Transportu Samochodowego z Warszawy. W ramach tego projektu, m.in. możliwości wykorzystania metanu w miejskim transporcie autobusowym badane są w aspekcie wykorzystania tego paliwa w MZA Warszawa. Należy dodatkowo podkreślić, że kwestie ograniczenia emisji zanieczyszczeń z transportu miejskiego są aktualnie uwzględnione w dokumentach poświęconych rozwoju systemu transportowego Warszawy [1]. Przy tym należy stwierdzić, że dotychczasowe doświadczenia ITS w zakresie proekologicznych inicjatyw w komunikacji autobusowej w Polsce nie są najlepsze, mimo niewątpliwych sukcesów technicznych. Tak się dzieje do tej pory m.in. w sprawie jednego z najbardziej ekologicznych rozwiązań w autobusowej komunikacji miejskiej autobusów zasilanych paliwem bioetanolowym E95. Mimo bezdyskusyjnych ekologicznych zalet takiego rozwiązania, a także wydźwięku propagandowego, związanego z Mistrzostwami Europy w Piłce Nożnej w 2012 r., nie udało się do tej pory skłonić władz polskich miast, w tym niestety również władz Warszawy, do jednoznacznego skutecznego wsparcia tej proekologicznej inicjatywy w obszarze autobusowej komunikacji miejskiej. Można mieć jedynie nadzieję, że inicjatywa zasilania autobusów komunikacji miejskiej paliwem biogazowym nie podzieli losu inicjatywy autobusów bioetanolowych. Zasadniczym celem wymienionego projektu badawczego była ocena potencjalnej podaży biometanu z biogazowni komunalnych rejonu Warszawy, jako paliwa do stosowania przez Miejskie Zakłady Autobusowe w Warszawie oraz oszacowanie hipotetycznej liczby autobusów zasilanych biometanem w obsłudze potrzeb przewozowych ludności miasta w perspektywie 2020 r. 2. Biogaz ze źródeł komunalnych Biogaz będący mieszaniną głównie metanu i dwutlenku węgla wydziela się w wyniku rozkładu odpadów organicznych będącego beztlenową fermentacją substancji organicznych. Biogaz powstaje na składowiskach odpadów i w oczyszczalniach ścieków komunalnych oraz w procesie fermentacji z innych źródeł biologicznych. Instalacjami służącymi do celowej produkcji biogazu z biomasy i do uzdatniania biogazu do parametrów gazu opałowego są biogazownie. Biogaz jest paliwem odnawialnym i może być wykorzystywany na bardzo wiele sposobów, podobnie jak gaz ziemny. Energia zawarta jednym metrze sześciennym biogazu oczyszczonego z dwutlenku węgla odpowiada energii zawartej w: 0,93 m 3 gazu ziemnego, 1,0 dm 3 oleju napędowego, 1,25 kg węgla kamiennego [2]. Odpady komunalne są to odpady powstające w gospodarstwach domowych, a także odpady niezawierające odpadów niebezpiecznych, pochodzące od innych wytwórców odpadów, które ze względu na swój charakter lub skład są podobne do odpadów powstających w gospodarstwach domowych [3]. W roku 2008 z obszaru Warszawy zebrano i zdeponowano przeszło 670 Gg odpadów komunalnych. Średnio na jednego statystycznego mieszkańca Warszawy przypadało prawie 400 kg odpadów komunalnych. Należy oczekiwać, że pomimo postępu technologicznego i wysiłków w kierunku ekologizacji gospodarki, rozwój cywilizacyjny w najbliższych latach generować będzie zwiększanie się wartości statystycznych wskaźników jednostkowej odpadochłonności. Wśród odpadów komunalnych, frakcja biodegradowalna stanowi około 50 %. Roczna masa wytworzonych w na terenie m.st. Warszawy odpadów komunalnych ulegających biodegradacji szacowana jest na około Gg a w 2011 r. [4]. Przyjmując średnią roczną wydajność potencjalnego wytworzenia biometanu z 1 Mg odpadów wysypiskowych biodegradowalnych rzędu 130 Nm 3 oraz przyjmując założenie dotyczące gospodarczego wykorzystania biogazu jedynie z największych wysypisk, potencjalna ilość wytworzonego biometanu z odpadów komunalnych wywiezionych w 2020 r. z Warszawy szacowana jest na około 32,8 mln Nm 3. Uwzględniając zużycie biogazu na wsad przemian i zużycie końcowe, potencjał produkcji biometanu z największych wysypisk odpadów komunalnych rejonu Warszawy teoretycznie możliwy do wykorzystania np. jako paliwo silnikowe do środków transportu szacuje się w 2020 r. na około 23,3 mln Nm 3. Ściekami komunalnymi są ścieki bytowe lub mieszanina ścieków bytowych ze ściekami przemysłowymi albo wodami opadowymi lub roztopowymi odprowadzone siecią gminnej kanalizacji. W oczyszczalni ścieków, oprócz produktu, który stanowią oczyszczone ścieki, powstają również odpady osady ściekowe. Wyodrębnione ze ścieków osady to złożona organiczno-mineralna substancja, w której skład wchodzą przede wszystkim: węgiel, wodór, tlen, azot, siarka oraz chlor i popiół. Jako odpad z oczyszczalni ścieków traktuje się biogaz powstający w wyniku fermentacji osadów ściekowych. W Polsce biogaz ten (jak dotychczas) najczęściej jest utyli- 97

3 zowany przez spalanie w pochodni. Stosuje się również energetyczne wykorzystanie osadów z oczyszczalni ścieków poprzez ich spalanie lub współspalanie po wcześniejszym wysuszeniu. Osady ściekowe mogą być także wykorzystywane do produkcji paliwa biogazowego [5]. Szacuje się, że wielkość produkcji suchej masy organicznej osadów z oczyszczalni ścieków komunalnych MPWiK m.st. Warszawy w 2020 r. wyniesie około 25 Gg. Przyjmując, że z 1 Mg suchej masy organicznej osadów komunalnych oczyszczalni ścieków otrzymuje się średnio 260 Nm 3 biometanu [6], skalkulowana potencjalna produkcja biometanu w oczyszczalniach ścieków komunalnych MPWiK m.st. Warszawy wyniosłaby około 6,4 mln Nm 3. Uwzględniając zużycie własne biogazu przez oczyszczalnie ścieków potencjał produkcji biometanu z oczyszczalni ścieków MPWiK rejonu Warszawy możliwy do wykorzystania np. jako paliwo silnikowe środków transportu szacuje się na około 1,5 mln Nm 3 w 2020 r nowych autobusów będzie stanowić blisko 50 % parku w przedsiębiorstwie. Z rozpoznania MZA Warszawa dotyczącego eksploatacyjnego zużycia gazu ziemnego przez autobusy zasilane tym paliwem wynika, że średnio jeden autobus o wysokiej pojemności (w rozumieniu liczby pasażerów) zużywa około 78,3 Nm 3 /100 km. Średni roczny przebieg takiego autobusu wynosi około 65 tys. km. Odpowiednio autobus krótki zużywa średnio około 58 Nm 3 /100 km i jego średni przebieg w ciągu roku wynosi 50 tys. km. Obliczone średnie zapotrzebowanie gazu ziemnego (lub biogazu) w roku przez jeden autobus o wysokiej pojemności szacuje się na około 51 tys. Nm 3, autobusu 12 m około 41 tys. Nm 3, a autobusu krótkiego około 29 tys. Nm 3. Uwzględniając: potencjalną ilość biometanu do pozyskania w 2020 r. ze źródeł komunalnych Warszawy z celu zasilania autobusów MZA Warszawa, Tablica 1. Potencjał produkcji biometanu ze źródeł komunalnych w Warszawie do wykorzystania np. jako paliwo silnikowe autobusów i prognoza na 2020 r. (mln Nm 3 ) Potencjał produkcji biometanu jako paliwa silnikowego 2008 r r. Biometan z organicznych odpadów komunalnych 21,0 23,3 Biometan z organicznych osadów ściekowych 1,2 1,5 Razem 22,2 24,8 Oszacowany łączny potencjał produkcji biometanu ze źródeł komunalnych w Warszawie do wykorzystania np. jako paliwo silnikowe autobusów w 2020 r. szacuje się na około 24,8 mln Nm 3 (tabl. 1). 3. Hipotetyczne możliwości wykorzystania biometanu ze źródeł komunalnych do zasilania autobusów MZA Warszawa Miejskie Zakłady Autobusowe sp. z o.o. (MZA) w Warszawie są jednym z czterech przewoźników autobusowych realizujących usługi przewozowe zlecone przez Zarząd Transportu Miejskiego w Warszawie. Stan parku autobusowego MZA Warszawa na początku 2010 wynosił 1385 autobusy. Łącznie z taborem trzech pozostałych przewoźników, Warszawę obsługuje 1817 autobusów miejskich [7]. Uwzględniając planowaną odnowę parku autobusów MZA Warszawa przewiduje się, że udział zakupionych do wykorzystując tendencję planowanych zakupów nowych autobusów, oraz uwzględniając hipotetyczne zapotrzebowanie paliwa biometanowego dla autobusów miejskich oszacowano hipotetyczne liczby autobusów MZA Warszawa, które mogłyby wykorzystywać biometan w perspektywie 2020 r. (tabl. 2). Szacuje się, że spośród autobusów zaplanowanych do zakupu dla MZA Warszawa do 2017 i oszacowanych ilości do zakupienia w latach r. (łącznie około 840 autobusów) niespełna 62 % tj. 520 autobusów, mogłoby być zasilanych biometanem pozyskiwanym ze źródeł komunalnych (w biogazowniach na wysypiskach odpadów komunalnych i w biogazowniach MPWiK m.st. Warszawy). Park autobusów zasilanych biometanem stanowiłby w 2020 r. około 37% całego parku autobusowego MZA Warszawa. Tablica 2. Szacunki hipotetycznej liczby autobusów MZA Warszawa w 2020 r., które mogłyby być przystosowanych do zasilania biometanem pozyskiwanym ze źródeł gospodarki komunalnej Warszawy Hipotetyczna liczba eksploatowanych autobusów zasilanych biometanem (szt.) Hipotetyczne zapotrzebowanie biometanu do zasilania parku autobusów MZA [mln Nm3] Razem, w tym: 18 m 12 m 10 m Razem, w tym: 18 m 12 m 10 m ,74 19,89 3,69 1,16 98

4 Zapotrzebowanie biometanu w 2020 r. przez autobusy MZA Warszawa wyniosłoby około 24,7 mln Nm 3. Zwiększenie udziału autobusów zasilanych biometanem w strukturze parku MZA Warszawa, np. do udziału 50%, wymagałby m.in. dodatkowych dostaw biometanu rzędu 8 9 mln Nm 3 rocznie. Pomimo zarysowanego tu optymistycznego scenariusza stosowania biometanu do zasilania silników autobusów MZA Warszawa, w praktyce należy liczyć się z możliwością występowania trudności związanych z pozyskaniem (pochodzącego ze źródeł komunalnych) biometanu do celów transportowych. Wynikać one mogą z istniejących planów gospodarki komunalnej głównie dotyczących produkcji energii elektrycznej przy wykorzystaniu biogazu i dostarczania jej do sieci energetycznej. W przyszłości zasadne byłoby w tym aspekcie rozważenie perspektywicznych możliwości wykorzystania biometanu jako paliwa silnikowego także Rys. 1. Szacunkowe nakłady inwestycyjne związane z realizacją inicjatywy wykorzystania biometanu przez MZA Warszawa do 2020 [mln zł] z innych potencjalnych źródeł np. z biogazowi rolniczych zlokalizowanych w rejonie Warszawy. 4. Nakłady inwestycyjne związane z wykorzystaniem biometanu w autobusach MZA Warszawa Rozwój wykorzystania biometanu w miejskim transporcie autobusowym jest przedsięwzięciem kapitałochłonnym. Zasadnicze nakłady inwestycyjne dotyczyłyby: budowy przy biogazowniach komunalnych stacji przygotowania biogazu do parametrów paliwa silnikowego, budowy stacji sprężania i tankowania biometanu do zbiorników autobusowych, zakupu autobusów z silnikami przystosowanymi zasilania metanem. Łącznie dodatkowe nakłady inwestycyjne, niezbędne do 2020 w celu umożliwienia wykorzystania biogazu ze źródeł gospodarki komunalnej Warszawy do zasilania biometanem autobusów MZA Warszawa, powinny wynieść około 200 mln zł (rys. 1). Dodatkowe koszty zakupu autobusów z silnikami przystosowanymi do paliwa gazowego stanowiłyby około 67 % wszystkich nakładów inwestycyjnych związanych z przedsięwzięciem. 5. Koszty paliw i koszty amortyzacji autobusów zasilanych ON i zasilanych paliwem biogazowym Zasadniczymi rodzajami kosztów różnicującymi koszty eksploatacyjne autobusów zasilanych olejem napędowym od kosztów eksploatacyjnych autobusów zasilanych gazem ziemnym lub biometanem są koszty zużycia paliw oraz koszty amortyzacji taboru. Koszty zużycia paliw stanowią około połowy kosztów eksploatacyjnych pojazdów samochodowych. Inne koszty eksploatacyjne (ogumienia, ubezpieczenia pojazdów, podatków od środków transportu itp.) są porównywalne w przypadku autobusów zasilanych biogazem i autobusów zasilanych olejem napędowym. Pewne różnice mogą dotyczyć kosztów obsługi technicznej i napraw autobusów w przypadku obydwu rozwiązań zasilania paliwowego. Nieco wyższe mogą być te koszty dla autobusów zasilanych paliwem gazowym W warunkach 2020 r., skalkulowane i porównywane koszty paliw i koszty amortyzacji taboru (łącznie) w przypadku eksploatowania w MZA Warszawa autobusów zasilanych olejem napędowym lub biometanem (przy przyjętych założeniach odnośnie cen nośników energii i cen autobusów) w zasadzie nie różnią się. Niewielka (w granicach błędu) różnica kosztów przemawiałaby za eksploatacją autobusów na paliwo biometanowe. Ta relacja kosztowa mogłaby być korzystniejsza w przypadku większej różnicy cen ON i paliwa biometanowego lub w przypadku spadku cen autobusów z silnikami przystosowanymi do biogazu w porównaniu z cenami autobusów zasilanych ON. Przy powyższych porównaniach nie brano pod uwagę np. kosztów amortyzacji urządzeń związanych z magazynowaniem i tankowaniem biogazu do zbiorników pojazdów. W praktyce systemów zasilania autobusów gazem ziemnym w Polsce koszty tych urządzeń ponosiły dotychczas spółki PGNiG. Stwierdza się również, że ewentualne wdrożenie systemu biogazu w MZA Warszawa przy obecnie funkcjonujących stawkach opłat za gospodarcze korzystanie ze środowiska, nie zapewnia dodatkowych korzyści finansowych. Przy przyjętych do obliczeń założeniach dotyczących ilości paliw przewidywanych do zużycia w 2020 r. przez 99

5 hipotetyczne liczby zasilanych biometanem autobusów MZA Warszawa oraz przy obowiązujących jednostkowych stawkach opłat za gazy wprowadzane do powietrza z procesów spalania paliw w silnikach spalinowych nie wynika, że zastosowanie biometanu wpłynie na zdecydowane obniżenie przedmiotowych kosztów. W przypadku zastosowania paliwa biometanowego koszty te będą niewiele niższe w porównaniu z alternatywnym wykorzystaniem oleju napędowego, co w odniesieniu do skali finansowej całego przedsięwzięcia nie ma istotnego znaczenia. 6. Podsumowanie W warunkach 2020 r., skalkulowane i porównane koszty zużycia paliw i koszty amortyzacji taboru (łącznie) w przypadku eksploatowania w MZA Warszawa autobusów zasilanych olejem napędowym lub biometanem (przy przyjętych założeniach odnośnie cen nośników energii 1) i cen autobusów) w zasadzie nie różnią się, W sytuacji powstałych w latach ubiegłych zaległości MZA Warszawa w zakresie odnowy parku autobusowego, przy niewystarczających środkach na radykalną odnowę taboru zarówno w samym MZA, jak i w budżecie Warszawy, finansowanie inwestycji wdrażania na dużą skalę wykorzystania biometanu w miejskim transporcie autobusowym w okresie najbliższych lat, wydaje się być mało realne. Atutem wykorzystania biometanu w miejskim publicznym transporcie autobusowym, przy obecnych uwarunkowaniach cenowych są zatem nie względy ekonomiczne, ale względy ekologiczne. 1) przyjęto średnią cenę CNG (na stacjach PGNiG) i ON w drugim półroczu 2010 r. Literatura [1] Strategia zrównoważonego rozwoju systemu transportowego Warszawy do 2015 roku i na lata kolejne, w tym: Zrównoważony plan rozwoju transportu publicznego Warszawy; Urząd Miasta Stołecznego Warszawy; kwiecień 2009 r. [2] Podstawy procesu fermentacji metanowej ; ; [3] GUS, Ochrona Środowiska 2009 [4] Plan gospodarki odpadami dla miasta stołecznego Warszawy na lata ; Urząd Miasta Stołecznego Warszawy; Warszawa 2005 r. [5] Wilk J., Wolańczyk F. Polityka Energetyczna ; Katedra Termodynamiki, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa; Politechnika Rzeszowska; ( [6] Biernat K. Opracowanie zbiorcze nt. możliwości produkcji i potencjału produkcji biogazu w państwach basenu morza bałtyckiego obecnie i w perspektywie najbliższych lat ; praca wykonana w ramach projektu Balic Biogas Bus; Warszawa, wrzesień 2010 r. [7] Dr inż. Wojciech Gis Instytut Transportu Samochodowego, Warszawa. Dr inż. Jerzy Waśkiewicz Instytut Transportu Samochodowego, Warszawa. Dr inż. Andrzej Żółtowski Instytut Transportu Samochodowego, Warszawa. Dr Edward Menes Instytut Transportu Samochodowego, Warszawa. 100