IX EKO- URO-ENERGIA. Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii. Adam Mroziński IX EKO- URO-ENERGIA Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii

Transkrypt

1 ISBN: Adam Mroziński IX EKO- URO-ENERGIA Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii IX EKO- URO-ENERGIA Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii Monografia pod redakcją Adama MrozińskIEGO Wydawnictwo współfinansowane ze środków funduszy norweskich oraz środków krajowych

2 IX EKO- URO-ENERGIA Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii Wydawnictwo współfinansowane ze środków funduszy norweskich oraz środków krajowych 1

3 2

4 IX EKO- URO-ENERGIA Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii Monografia pod redakcją Adama MrozińskIEGO Wydawnictwo współfinansowane ze środków funduszy norweskich oraz środków krajowych 3

5 Autorzy: Henryk BIERNAT Sylwester BOROWSKI Robert KASNER Ewa KASZKOWIAK Jerzy KASZKOWIAK Weronika KRUSZELNICKA Ola MADEJ Adam MROZIŃSKI Bogdan NOGA Izabela PIASECKA Zbigniew PODKÓWKA Wojciech PRATKOWSKI Andrzej TOMPOROWSKI - rozdział II - rozdział VI - rozdział IV - rozdział VI - rozdział VI - rozdział I, V - rozdział III - rozdział I, III - rozdział II - rozdział IV, V - rozdział VI - rozdział II - rozdział V Recenzent - Prof. dr hab. inż. Piotr Doerffer Redaktor - Adam Mroziński ISBN: Projekt i opracowanie graficzne, skład, łamanie, druk i oprawa: Grafpol Agnieszka Blicharz-Krupińska ul. Czarnieckiego Wrocław tel fax Wydawnictwo współfinansowane ze środków funduszy norweskich oraz środków krajowych Bydgoszcz

6 Spis treści ROZDZIAŁ I - WPROWADZENIE... 7 INŻYNIERIA ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII NA UNIWERSYTECIE TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZYM W BYDGOSCZY... 9 ROZDZIAŁ II - INŻYNIERIA INSTALACJI GEOTERMALNYCh możliwości wykorzystania wód termalnych udostępnionych w rejonie miejscowości celejów ROZDZIAŁ IiI - INŻYNIERIA INSTALACJI SOLARNYCH I FOTOWLTAICZNYCh instalacja FOTOWLTAICZNA Z MAGAZYNEM ENERGII ELEKTRYCZNEJ badanie sprawności kolektorów solarnych różnego typu ROZDZIAŁ Iv - ANALIZA CYKLU ŻYCIA INSTALACJI oze Badanie i ocena wpływu elektrowni wiatrowych dużej mocy na jakość środowiska przyrodniczego Możliwości zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów instalacji energetyki wiatrowej ROZDZIAŁ v - INSTALACJE HYBRYDOWE oze Analiza efektywności hybrydowych systemów energii odnawialnej Możliwości wykorzystania hybrydowych źródeł energii elektrycznej na terenie województwa kujawsko-pomorskiego ROZDZIAŁ vi - INŻYNIERIA BIOMASY BIOGAZ z gnojowicy TECHNOLOGIA PRODUKCJI BRYKIETU I PELETU ZE SŁOMY MożliwośCi pozyskania materiału pochodzenia roślinnego do produkcji pelletu i brykietów

7 6

8 ROZDZIAŁ I - WPROWADZENIE 7

9 8

10 IX EKO- URO-ENERGIA Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii Adam MROZIŃSKI 1 INŻYNIERIA ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII NA UNIWERSYTECIE TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZYM W BYDGOSZCZY Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy jest uczelnią o 62-letniej tradycji. Jego początki związane są z powstaniem w 1951 roku, pierwszej w Bydgoszczy wyższej uczelni akademickiej - Wieczorowej Szkoły Inżynierskiej. Obecnie Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy jest wieloprofilową uczelnią kształcącą inżynierów, jedyną w regionie kujawsko-pomorskim integrującą nauki rolnicze i techniczne. W ciągu 60 lat mury uczelni opuściło ponad absolwentów. Obecnie na siedmiu wydziałach, w jednostkach międzywydziałowych oraz w administracji zatrudnionych jest 1300 pracowników, z czego 680 stanowią nauczyciele akademiccy, wśród nich 134 profesorów i doktorów habilitowanych. Na studiach stacjonarnych i niestacjonarnych oraz doktoranckich i podyplomowych kształci się około studentów. Konsekwentnie realizowany jest proces kształcenia nowoczesnych kadr inżynieryjno-technicznych poprzez uruchamianie nowych potrzebnych regionowi kierunków studiów. Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy konsekwentnie tworzy ośrodek naukowo-dydaktyczny i rozwojowy w obszarze Odnawialnych Źródeł Energii (OZE). Jako jedna z pierwszych uczelni w Polsce w 2012 r. uruchomiła dzienne studia inżynierskie pn. Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii (IOZE). Od 6 lat kształci również słuchaczy na studiach podyplomowych w tym zakresie (np. specjalności: Budowa i Eksploatacja Instalacji Odnawialnych Źródeł Energii, Budowa i Eksploatacja Siłowni Turbowiatrowych, Instalacje OZE w Przedsiębiorstwie). W 2013 roku powstało także na UTP w Bydgoszczy Interdyscyplinarne Centrum OZE, które ma na celu inicjowanie, organizowanie i koordynowanie różnych form aktywności naukowo-badawczej, rozwojowej, wdrożeniowej, dydaktycznej i usługowej w zakresie OZE. Dalszy rozwój uczelni w tym zakresie będzie możliwy poprzez poznanie i zastosowanie najbardziej zaawansowanych rozwiązań w obszarze, w którym Norwegia należy do światowych liderów. Szansę taką daje norweski partner Tel-Tek, dla którego udział w projekcie jest możliwość rozszerzenia swej działalności na Polskę i rozpoczęcie współpracy z polskimi firmami. Projekt nr FSS/2014/HEI/W/ pt.: Zintegrowane kształcenie z zakresu Inżynierii Odnawialnych Źródeł Energii na Uniwersytecie Technologiczno-Przyrodniczym (UTP) w Bydgoszczy jest odpowiedzią na zapotrzebowanie polskiego rynku branży OZE na wykwalifikowaną kadrę specjalistów. Projekt został opracowany pod względem merytorycznym na Wydziale Inżynierii Mechanicznej jest finansowany w ramach VI-tego naboru wniosków Fundacji Rozwoju Systemu Edukacji, która jest Operatorem europejskiego programu Funduszu Stypendialnego 1 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, ul. Ks. Kordeckiego nr 20, Bydgoszcz, Polska, tel.: , adammroz@utp.edu.pl 9

11 Adam MROZIŃSKI i Szkoleniowego. Kierownikiem Projektu jest dr inż. Adam Mroziński. Przewodniczy on Zespołowi Personelu Projektu. Obsługę administracyjno-organizacyjną zapewniają wydzieleni pracownicy administracyjni UTP w Bydgoszczy. Cel główny realizowanego Projektu: Zwiększenie potencjału naukowego UTP, dzięki rozwojowi jako interdyscyplinarnego ośrodka naukowo-badawczego w obszarze OZE oraz rozwojowi kształcenia w tym zakresie, z wykorzystaniem doświadczeń norweskich. Celem jest też budowa trwałej platformy współpracy Partnerów służąca wzajemnej wymianie wiedzy i doświadczeń. Cele szczegółowe Projektu: - absorpcja doświadczeń edukacyjnych Norwegii w zakresie OZE, - rozwój programu studiów i rozszerzenie oferty dydaktycznej UTP odpowiadającej wyzwaniom związanym ze zmianami klimatycznymi i ochroną środowiska, - zwiększenie powiązania UTP z otoczeniem gospodarczym i włączenie przedsiębiorstw z obszaru OZE w kreowanie i realizację kształcenia. Norweski Partner Projektu: Tel-Tek ( jest instytutem badawczym zajmującym się przede wszystkim aspektami zwiększenia energooszczędności oraz procesami niskiej emisji. Realizuje projekty dla i we współpracy z przemysłem i instytucjami publicznymi. Zajmuje się projektowaniem urządzeń i rozwiązań technologicznych oraz analizami technicznymi i gospodarczymi. Oferuje usługi w zakresie pośrednictwa usług badawczych, realizacji prac rozwojowych, transferu technologii i doradztwa. Prowadzi także działalność dydaktyczną. Szczególnie istotne z punktu widzenia Projektu jest doświadczenie aplikacyjne Partnera norweskiego i know-how związane z transferem wiedzy pomiędzy jednostką badawczą a biznesem na rynku europejskim. Główne zadania w Projekcie: 1. Analiza zmian w programie studiów inżynierskich pn. Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii (IOZE) oraz możliwości zastosowania innowacyjnych narzędzi i metod dydaktycznych. 2. Opracowanie i wdrożenie zmian w programie studiów inżynierskich IOZE: - modyfikacja tematyki przedmiotów, - opracowanie i wdrożenie studenckich warsztatów twórczych, - opracowanie i wdrożenie studenckich grup doświadczalnych, - opracowanie i wdrożenie rozszerzonej pracy przejściowej dla studentów, - wprowadzenie obligatoryjnego udziału specjalistów branży OZE w realizacji procesów kształcenia, - wprowadzenie certyfikowanych szkoleń dla studentów kierunku, - kształcenie w formie distance learning. 3. Organizacja dwóch konferencji z zakresu inżynierii OZE: Eko-Euro-Energia 2015 i Organizacja dwóch seminariów z zakresu inżynierii OZE. 5. Organizacja wizyty studyjnej w Norwegii. 6. Opracowanie i wydanie 7 podręczników z zakresu inżynierii OZE. 10

12 INŻYNIERIA ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII NA UNIWERSYTECUE TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZYM W BYDGOSZCZY 7. Opracowanie zbioru dobrych praktyk Interdyscyplinarnego Centrum OZE (ICO- ZE) Zakup wyposażenia szkoleniowego z zakresu OZE. Celem powołanego 2013 roku ICOZE - Interdyscyplinarnego Centrum Odnawialnych Źródeł Energii (Zarządzenie Nr Z Rektora Uniwersytetu Technologiczno- Przyrodniczego im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich, z dnia 27 maja 2013 r.) jest inicjowanie, organizowanie i koordynowanie różnych form aktywności naukowo-badawczej, rozwojowej, wdrożeniowej, dydaktycznej i usługowej w zakresie OZE. Jest pierwszą taką instytucją powołaną w UTP. Specjaliści skupieni wokół ICOZE posiadają bogatą wiedzę jednak niezbędne jest zdobycie praktycznej wiedzy dotyczącej jak najbardziej efektywnego działania. Zakłada się opracowanie we współpracy z Tel-Tek, posiadającym bogate doświadczenie pozyskiwania grantów, kontakty międzynarodowe oraz szeroko współpracującym z gospodarką dobrych praktyk dot.: współpracy pomiędzy wieloma podmiotami, integracji i stymulacji-inicjowania, i realizacji krajowych i międzynarodowych interdyscyplinarnych projektów badawczych, rozwojowych i wdrożeniowych pozyskiwania i realizacji zleceń dla biznesu-inicjowania i prowadzenie szkoleń i kursów. COZE będzie promowane, przez m. in. stronę Zgodnie z Zarządzeniem Rektora Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich, z dnia 27 maja 2013 roku zadaniem Interdyscyplinarnego Centrum Odnawialnych Źródeł Energii jest inicjowanie, organizowanie i koordynowanie różnorakich form aktywności naukowo-badawczej, rozwojowej, wdrożeniowej, dydaktycznej i usługowej w zakresie odnawialnych źródeł energii. Do szczegółowych zadań ICOŹE należy przede wszystkim: - Integracja i stymulacja działań z zakresu odnawialnych źródeł energii prowadzonych przez podstawowe jednostki UTP. - Reprezentowanie UTP w zewnętrznych krajowych i międzynarodowych środowiskach związanych z działalnością na rzecz odnawialnych źródeł energii. - Nawiązywanie współpracy z krajowymi i zagranicznymi ośrodkami naukowo-badawczymi i dydaktycznymi z zakresu odnawialnych źródeł energii. - Inicjowanie, pozyskiwanie i realizacja krajowych i międzynarodowych interdyscyplinarnych projektów badawczych, rozwojowych i wdrożeniowych z zakresu odnawialnych źródeł energii, finansowanych ze środków budżetowych i pozabudżetowych, w tym ze środków Unii Europejskiej. - Pozyskiwanie i realizacja prac usługowych z zakresu odnawialnych źródeł energii. - Inicjowanie i realizacja interdyscyplinarnych form dydaktycznych z zakresu odnawialnych źródeł energii. - Inicjowanie i prowadzenie szkoleń i kursów z zakresu odnawialnych źródeł energii. Przygotowanie i realizacja nowych studiów podyplomowych z zakresu Pomp Ciepła i Magazynowania Energii Ciepła: Zadanie to w Projekcie obejmie realizację jednej edycji dwusemestralnych specjalistycznych studiów podyplomowych pn. POMPY CIE- PŁA I MAGAZYNOWANIE ENERGII CIEPŁA, w której weźmie udział minimum 20 osób. Branża pomp ciepła w Polsce jest wyróżniającym sie działem instalacji OZE. W 2014 roku polski rynek pomp ciepła wzrósł o 7 % w stosunku do wyników z roku poprzedniego. Potwierdziło to ubiegłoroczne prognozy, co do harmonijnego rozwoju tej branży w Polsce. 11

13 Adam MROZIŃSKI Prawie wszystkie typy urządzeń pomp ciepła odnotowały wzrost. Bardzo ważnym staje się więc zapewnienie wykwalifikowanej kadry instalatorów pomp ciepła i specjalistów z zakresu magazynowania energii ciepła. Program studiów obejmuje 200 godzin zajęć dydaktycznych w formie wykładów, ćwiczeń projektów i laboratoriów oraz przygotowanie pracy końcowej, polegającej na samodzielnym opracowaniu, pod kierunkiem promotora, wybranego tematu praktycznego z zakresu pomp ciepła. Zajęcia odbywać się będą w ramach zjazdów weekendowych. Wykładowcami na studiach podyplomowych będą nauczyciele akademiccy UTP Bydgoszcz oraz specjaliści z firm i stowarzyszeń w branży pompy ciepła i magazynowania energii ciepła. Absolwenci otrzymają świadectwo ukończenia studiów podyplomowych, wydane przez Rektora UTP Bydgoszcz. Uzasadnienie utworzenia nowych studiów podyplomowych z zakresu pomp ciepła i magazynowania energii ciepła Jednym z problemów w zasadzie każdej branży OZE jest potrzeba kształcenia wysoko wykwalifikowanych instalatorów. Uzasadnienie ciągłego kształcenia instalatorów z zakresu pomp ciepła na poziomie studiów podyplomowych wynika z następujących aspektów: - W Polsce jest niewystarczająca wiedza o pompach ciepła (PC) jako urządzeniach korzystających z OŹE wśród potencjalnych inwestorów i firm instalacyjnych; - Zmiany technologiczne w PC następują bardzo szybko. Wg Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła (PORT PC - niezbędne jest realizowanie polskich programów badawczych nt. realnej efektywności PC (współczynnik SPF). Zwiększy się dzięki temu transfer technologii między przemysłem a uczelniami; - Potencjał ekologiczny PC stale wzrasta, jest to związane z ulepszaniem technologii PC, powodującym wzrost efektywności systemów z PC. Wzrost udziału energii odnawialnej oraz sprawności w produkcji energii elektrycznej zwiększa atrakcyjność tej technologii; - W Polsce będą musiały zachodzić podobne zmiany jak w całej UE, gdzie branża PC rozwija się bardzo dynamicznie. Dyrektywa EPBD 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków zapewniła możliwość szerokiego stosowania systemów grzewczych z wykorzystaniem różnych typów PC w Europie; - Połączenie PC z innych technologiami OZE (np. energetyka wiatrowa, energetyka słoneczna, kogeneracja ciepła i prądu) pozwala na dalsze zwiększenie efektów ekologicznych PC; - Realizacja badań rozwojowych związanych ze zwiększeniem efektywności energetycznej nowych-prototypowych PC lub istniejących konstrukcji na rynku pozwoli określić realną efektywność PC; - Wg danych EHPA zastosowanie wysokosprawnych PC, w tym również w układach hybrydowych (PC+PV, PC+Solar, PC+MEW itp.) może obniżyć zużycie energii pierwotnej (nawet o ponad 50%) w stosunku do innych systemów grzewczych oraz obniżyć emisję CO 2, które będzie postępować dalej wraz z rozwojem zielonej energetyki i wzrostem efektywności energetycznej (kogeneracja, wzrost efektywności bloków energetycznych i sieci przesyłowych). 12

14 INŻYNIERIA ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII NA UNIWERSYTECUE TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZYM W BYDGOSZCZY Zauważalnym problemem branży pomp ciepła jest również brak wspólnej, kompleksowej platformy wymiany wiedzy/doświadczeń/umiejętności w branży instalacyjnej zajmującej się PC, a rynkiem OZE oraz sferą nauki i badań w Polsce. Skutkiem czego zauważalne na polskim rynku pomp ciepła jest: - Niedostateczne wykorzystanie PC jako urządzeń OŹE wśród potencjalnych inwestorów i firm instalacyjnych (szczególnie w zakresie tzw. hybryd PC+PV, PC+Solar, PC+MEW itp.), a tym samym znaczące ograniczenie ich potencjalnego wpływu na zwiększanie efektywnosci energetycznej i ekologicznej; - Brak programów badawczych i rozwojowych zajmujących się realną efektywnością PC oraz doświadczalnych prac naukowych nad jej stałym podnoszeniem i optymalizacją technologiczną, w dalszej perspektywie: mała liczba generowanych prototypów i ulepszeń dla polskich przedsiębiorstw - potrzeba ich importowania (opóźnienia technologiczne); - Utrwalanie stereotypów i mitów związanych z PC w branży energetycznej i wśród potencjalnych konsumentów (m.in. jako urządzeń małoopłacalnych i drogich; Wskutek opóźnionego i nienadążającego za trendami postępu technologicznego (m.in. hybrydy, magazyny ciepła w gruncie) obserwuje się słaby system kształcenia instalatorów PC w Polsce. W efekcie zauważyć można: - Brak certyfikowanych ośrodków naukowych i profesjonalnych programów kształcących w zakresie PC - gwarancja kompetencji kadr; - Znaczną liczbę garażowych firm, importerów PC instalujących i serwisujących urządzenia w sposób nieprawidłowy - straty dla konsumentów wpływając na postrzeganie PC. Inwestycje w pompy ciepła są coraz bardziej modne. Jak podaje raport EPHA, tylko w 2013 roku w Polsce sprzedano ich aż , podczas gdy sprzedaż tych urządzeń w całej Europie to sztuk. Przyczyniły się łącznie do uniknięcia emisji do atmosfery 20 Mt gazów cieplarnianych. Polska jako jedyny kraj w Europie odnotował aż dwucyfrowy wzrost w sprzedaży pomp ciepła, podczas gdy sprzedaż w Europie podniosła się zaledwie o 3 punkty procentowe. Dobra sytuacja Polski w branży pomp ciepła nie przychodzi łatwo. Zmagamy się z wieloma barierami swobodnego rozwoju tego rynku. Ograniczają go przede wszystkim ciągle jeszcze za wysokie koszty inwestycyjne, wysokie ceny energii elektrycznej i ograniczone systemy wsparcia technologii ze strony Państwa. Sam postęp technologiczny w branży tych urządzeń jest jednak bardzo duży. By za nim nadążyć instalatorzy odczuwają konieczność szkoleń, czy kursów. Inwestorzy równocześnie stają przed trudnymi wyborami producentów urządzeń, czy wykonawców instalacji. Zapotrzebowanie na kształcenie i badania z zakresu efektywności energetycznej PC będzie rosło wraz z rozwojem tej technologii. Dodatkowo firmy instalacyjne coraz częściej uwzględniają możliwość łączenia pomp ciepła z innymi urządzeniami OŹE. Program PRO- SUMENT ewidentnie wskazuje na taki trend. Są to często rozwiązania innowacyjne, nowe, wymagające weryfikacji w polskich warunkach klimatycznych. Wg danych PORTPC i PSPC obecnie na polskim rynku jest około firm producentów lub bezp. przedstawicieli producentów PC różnych systemów. Dynamika rozwoju rynku i technologii jest widoczna w ekspansji dużych koncernów jak i średnich firm. Należy pamiętać, że PC to nie samo urzą- 13

15 Adam MROZIŃSKI dzenie, lecz skomplikowany system grzewczy oparty na wiedzy inż. i praktycznej, której brakuje wielu instalatorom i dlatego rozwój tego segmentu rynku uzależniony jest od liczby profesjonalnej kadry. Współpraca z firmami instalacyjnymi WIM UTP i własne badania rynkowe realizowane np. podczas otwierania nowego kierunku studiów Inżynieria OŹE oraz studiów podyplomowych z zakresu OZE wskazują na duże zapotrzebowanie profesjonalnej wiedzy w tym zakresie. Cechą szczególną polskiej branży instalacyjnej jest duże rozdrobnienie. W Polsce funkcjonuje ponad 2 tysiące małych kilkuosobowych firm. Obecny projekt ustawy o odnawialnych źródłach energii będzie regulował działanie instalatorów OZE. Każdy z instalatorów będzie podlegał obowiązkowemu szkoleniu i certyfikacji. Rys. 1. Instalacje pomp ciepła w Laboratorium Inżynierii OZE na Wydziale inżynierii Mechanicznej UTP w Bydgoszczy Wydział Inżynierii Mechanicznej, który uruchomił nowe studia podyplomowe z zakresu POMPY CIEPŁA I MAGAZYNOWANIE ENERGII CIEPŁA jest przodującym wydziałem UTP posiada pełne prawa akademickie i jest wysoko klasyfikowanym w ocenie MNiSzW. Pracownicy naukowi prowadzą projekty badawcze finansowanych przez 14

16 INŻYNIERIA ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII NA UNIWERSYTECUE TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZYM W BYDGOSZCZY MNiSzW i UE. Wydział realizuje prace naukowo-badawcze, będące efektem współpracy z przemysłem. Na wydziale działają laboratoria z akredytacją PCA i certyfikatem Systemu ISO 9001:2008. Samo przedsięwzięcie realizacji studiów podyplomowych będzie realizowane w szczególności w Zakładzie Systemów Technicznych i Ochrony Środowiska. Zakład ten zajmuje się zagadnieniami instalacji OŹE w zakresie dydaktycznym (studia podyplomowe, kierunek studiów inż. - badawczym (Laboratorium Inżynierii OŹE) i promocyjnym (konferencja Eko-Euro-Energia - W Zakładzie tym zrealizowano bądź realizuje się projekty unijne oraz badawcze i rozwojowe związane z badaniami instalacji OŹE oraz szczególnie z tematyką Przedsięwzięcia. Zakład posiada podstawowe wyposażenie w zakresie opomiarowanych instalacji OZE. Posiada również proste instalacje pomp ciepła oraz opomiarowane instalacje OŹE innego rodzaju (PV, solarne itp.). W zakładzie zrealizowano kilka edycji studiów podyplomowych z zakresu OZE. Obecnie realizowany jest projekt POKL /13 - Efektywność energetyczna dla proekologicznego rozwoju MŚP - studia podyplomowe i doradztwo dla firm: r. oraz FSS/2014/HEI/W/0078 pt. ZINTEGROWANIE KSZTAŁCENIE Z ZAKRESU INŻYNIE- RII ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII NA UNIWERSYTECIE TECHNOLOGICZ- NO-PRZYRODNICZYM (UTP) W BYDGOSZCZY: WIM UTP ściśle współpracuje z PSPC oraz PORTPC wiodącymi polskimi stowarzyszeniami branży PC. Rys. 2. Absolwenci II edycji studiów podyplomowych pn. nstalacje OZE w Przedsiębiorstwie realizowanych na WIM UTP w Bydgoszczy W odpowiedzi na zapotrzebowanie gospodarki, ożywienie rynku zasobów techniki, miejsc pracy, nośników energii i sterowania, Wydział Inżynierii Mechanicznej UTP w Bydgoszczy utworzył i oferuje studia podyplomowe w zakresie POMPY CIEPŁA I MAGA- ZYNOWANIE ENERGII CIEPŁA. Są one oparte na wynikach badań własnych oraz doświadczeniach dydaktycznych - realizowany na stacjonarnych studiach pierwszego stopnia kierunek Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii. 15

17 Adam MROZIŃSKI Bibliografia [1] ZAWADZKI M.: Kolektory słoneczne, pompy ciepła - na tak. Wydawnictwo Zawadzki, Polska Ekologia, Warszawa [2] ZALEWSKI W.: Pompy ciepła sprężarkowe, sorpcyjne i termoelektryczne, Podstawy teoretyczne. Przykłady obliczeniowe, Wydawnictwo IPPU MASTA, Gdańsk [3] RUBIK M.: Pompy ciepła. Wyd III, Wydawnictwo Ośrodek Informacji Technika Instalacyjna w Budownictwie, Warszawa [4] OSZCZAK W.: Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa [5] LEWANDOWSKI W. M.: Proekologiczne odnawialne źródła Energii, Wydanie IV, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa [6] LIGUS M.: Efektywność inwestycji w odnawialne źródła energii. Wydawnictwo CeDeWu, Warszawa [7] Praca zbiorowa: Odnawialne i niekonwencjonalne źródła energii. Poradnik, TARBONUS [8] KRAWIEC F.: Odnawialne źródła energii w świetle globalnego kryzysu energetycznego, Wybrane problemy, Wydawnictwo Difin. Warszawa [9] PORT PC 16

18 ROZDZIAŁ II - INŻYNIERIA INSTALACJI GEOTERMALNYCh 17

19 18

20 IX EKO- URO-ENERGIA Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii Wojciech PRATKOWSKI 2, Henryk BIERNAT 3, Bogdan NOGA 4 możliwości wykorzystania wód termalnych udostępnionych w rejonie miejscowości celejów Streszczenie: W rozdziale przedstawiono wyniki badań geologicznych, geofizycznych, laboratoryjnych oraz hydrogeologicznych w rejonie miejscowości Celejów. Badania przeprowadzono dwoma otworami wiertniczymi Celejów GT-1 i Celejów GT-2. W oparciu o uzyskane parametry wody termalnej oceniono możliwości jej wykorzystania do celów energetycznych, leczniczych i rekreacyjnych. Słowa kluczowe: niecka lubelska, woda termalna, geotermia, otwór geotermalny, ciepłownictwo, balneologia, rekreacja Wprowadzenie Wody termalne w miejscowości Celejów zostały rozpoznane dwoma otworami badawczymi Celejów GT-1 i Celejów GT-2. Odległość pomiędzy otworami wiertniczymi wynosi 80 m. Prace badawcze były realizowane w okresie od grudnia 2013 roku do lutego 2015 roku. Administracyjnie teren przeprowadzonych badań zlokalizowany został w środkowo-południowej części miejscowości Celejów, w północno - zachodniej części gminy Wąwolnica. Gmina Wąwolnica leży w środkowo-zachodniej części województwa lubelskiego, między Nałęczowem i Kazimierzem Dolnym, przy drodze wojewódzkiej nr 830 Lublin - Kazimierz - Puławy. Teren badań położony jest po zachodniej stronie asfaltowanej drogi Celejów Rąblów i na północnym zboczu doliny rzeki Bystrej. Celem prowadzonych badań było rozpoznanie występowania i wykształcenia utworów wodonośnych, określenie parametrów hydrogeologicznych, perspektywicznych horyzontów wodonośnych oraz rozpoznanie pionowej zmienności mineralizacji i temperatury wód w utworach kredy dolnej, jury, karbonu i stropowej warstwy dewonu. W ramach zrealizowanego projektu badawczego przewidywano ustalenie zasobów eksploatacyjnych możliwych do ujęcia z wyżej wymienionych horyzontów wodonośnych i podjęcie decyzji o ich zagospodarowaniu celem realizacji na ich bazie kompleksu o charakterze leczniczo-rekreacyjnym w miejscowości Celejów. Zgodnie z projektem badania związane z rozpoznaniem zasobów wód termalnych prowadzone były w dwóch etapach: 2 Termy Celejów Sp. z o.o., ul. Biskupa Fulmana nr 7, Lublin, Polska, tel.: , wojciech@pratkowski.eu 3 Przedsiębiorstwo Geologiczne POLGEOL S.A., ul. Berezyńska nr 39, Warszawa, Polska, tel.: , henryk.biernat@polgeol.pl 4 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. K. Pułaskiego, ul. Krasickiego nr 54, Radom, Polska, tel.: , b.noga@uthrad.pl 19

21 Wojciech PRATKOWSKI, Henryk BIERNAT, Bogdan NOGA Etap I - wykonanie otworu Celejów GT-1 i rozpoznanie możliwości pozyskiwania wody termalnej z utworów karbonu i dewonu [10], Etap II - wykonanie otworu Celejów GT-2 i rozpoznanie możliwości pozyskiwania wód termalnych z utworów kredy dolnej, jury górnej i jury środkowej [3]. W ramach prowadzonych badań zmierzających do rozpoznania i udokumentowania zasobów wód termalnych w miejscowości Celejów wykonano następujące badania [1, 2, 5]: geologiczne, w ramach których: odwiercono otwór Celejów GT-1 (głębokość m) otwór Celejów GT-2 (głębokość m), pobrano i przebadano próby okruchowe (612 prób w otworze Celejów GT-1 i 156 prób w otworze Celejów GT-2), pobrano i przebadano rdzenie wiertnicze (231,2 mb w otworze Celejów GT-1 i 68 mb w otworze Celejów GT-2), geofizyki otworowej, w ramach których wykonano: oznaczenie litologii, profilowanie średnicy otworu, pomiar stanu zacementowania rur, pomiar kąta odchylenia od pionu, pomiar temperatury w otworze. laboratoryjne, w ramach których wykonano badania: zawartości węglanu wapnia i dolomitu, występowania węglowodorów, porowatości i przepuszczalności (32 próby w otworze Celejów GT-1 i 16 prób w otworze Celejów GT-2), stratygraficzne (12 prób w otworze Celejów GT-1 i 6 prób w otworze Celejów GT-2), petrograficzne (5 próby w otworze Celejów GT-1 i 6 prób w otworze Celejów GT-2), analizy fizykochemiczne wody złożowej - otwór Celejów GT-2, badania hydrogeologiczne, w ramach których wykonano: zapięcie próbnika złoża otwór Celejów GT- 1 i Celejów GT-2, łyżkowanie - otwór Celejów GT-1, pompowanie oczyszczające - otwór Celejów GT-2, pompowanie pomiarowe otwór Celejów GT Wyniki badań przeprowadzonych otworami wiertniczymi Celejów GT-1 i Celejów GT Wyniki badań geologicznych Na podstawie badań geologicznych przeprowadzonych otworami Celejów GT-1 i Celejów GT-2 z dużym prawdopodobieństwem można określić budowę geologiczną rejonu miejscowości Celejów. Utwory famenu (dewon górny) na obszarze badań nawiercono otworem Celejów GT-1 w interwale m p.p.t. (tabela 1), gdzie wiercenie zakończono. W rejonie miej- 20

22 możliwości wykorzystania wód termalnych udostępnionych w rejonie miejscowości celejów scowości Celejów utworu famenu wykształcone są w postaci margli z wkładkami iłowców. W rdzeniach występują drobne spękania. Tabela 1. Skrócony profil geologiczny w rejonie miejscowości Celejów [1, 2, 5]. Stratygrafia Litologia Otwór Celejów GT-1 [m p.p.t.] Otwór Celejów GT-2 [m p.p.t.] Czwartorzęd lessy, piaski gliniaste 0,0 6,0 0,0 6,0 Kreda górna margle, wapienie margliste i kredopodobne 6,0 914,0 6,0 912,9 Kreda dolna piaskowce glaukonitowe 914,0 916,5 912,9 914,0 Jura górna dolomity, wapienie dolomityczne, wapienie 916,5 1201,0 914,0 1171,0 Jura środkowa wapienie organodetrytyczne 1201,0 1230,0 1171,0 1234,0 Karbon górny iłowce, mułowce, łupki węgliste 1230,0 2962,0 - Karbon dolny iłowce, mułowce 2962,0 3063,0 - Dewon górny wapienie 3063,0 3504,0 - W otworze Celejów GT-1 utwory karbonu dolnego - wizenu przewiercono w interwale m p.p.t. Tutaj utwory wizenu wykształcone są w postaci wapieni, iłowców i mułowców. Występują również wkładki margliste. W interwale ,5 p.p.t. występują wkładki piaskowców o miąższości od 0,5 do 1,2 m. Utwory namuru (karbon górny) przewiercono Otworem Celejów GT-1 w interwale 2512, m p.p.t. Osady te kontynuują się warstwami bużańskimi z westfalu i przechodzą w formację z Terebina. W rejonie Celejowa warstwy bużańskie charakteryzują się wykształceniem w postaci iłowców szarych i ciemnoszarych z wkładkami mułowców. W rdzeniu rzadko są widoczne wkładki piaskowców o miąższości do kilkunastu centymetrów. W spągu w interwale 2623,4 2660,0 m p.p.t. warstwy bużańskie kończą się serią piaskowcową, drobnoziarnistą, słabo zwięzłą o spoiwie ilastym. Formacja z Terebina w całej miąższości wykształcona jest głównie w postaci iłowców. W spągowej części westfalu występują osady określone jako warstwy kumowskie. W sąsiedztwie prowadzonych robót geologicznych zasadnicza część profilu jest zbudowana ze skał drobnoklastycznych, takich jak mułowce i iłowce. Stwierdzono również występowanie skał magmowych. Udział piaskowców stanowi tutaj poniżej 20%. Warstwy ogniwa kumowskiego w otworze Celejów GT-1 nawiercono w interwale 2046,0-2512,0 m p.p.t. Warstwy te wykształcone są głównie w postaci iłowców. W interwałach 2127,0-2135,0 i 2240,0-2242,0 nawiercono piaskowce drobnoziarniste, zwięzłe o spoiwie ilastym. Stwierdzono również występowanie wkładek węgla. Formację z Lublina nawiercono w interwale 1 230, ,0 m p.p.t. Warstwy te wykształcone są głównie w postaci iłowców z wkładkami mułowców. W profilu sporadycznie występują również cienkie warstwy piaskowców. W próbach okruchowych i rdzeniach zauważono występowanie niezbyt licznych, cienkich wkładek węgla kamiennego. 21

23 Wojciech PRATKOWSKI, Henryk BIERNAT, Bogdan NOGA Utwory jury środkowej nawiercone otworem Celejów GT-1 o miąższości około 29 m zalegają bezpośrednio na utworach karbonu w interwale 1201,0-1230,0 m p.p.t.. W stropie jury środkowej występują wapienie krynoidowe szare i jasnoszare z nieregularnymi przerostami skrzemionkowanych czertów ciemnoszarych i drobnymi laminami ilastymi lub ilasto-piaszczystymi. Spąg jury środkowej stanowią skały wykształcone w postaci wapieni organodetrytycznych z krynoidami, jasnoszare, niewarstwowane, nieregularne, grudkowato skrzemionkowane i skalcytyzowane, z nieregularnymi laminami iłowca ciemnoszarego, przerosty mułowca szarego o spoiwie dolomitycznym. W otworze Celejów GT-2 jurę środkową nawiercono na głębokości m p.p.t. Występują tutaj utwory wapieni organodetrytycznych z dużymi przerostami czertów. Profil ten niewiele się zmienia, aż do głębokości m p.p.t., gdzie występują mułowce szarozielone. W otworze Celejów GT-1 i Celejów GT-2 jura górna jest reprezentowana przez utwory kimerydu i oksfordu. Utwory kimerydu w otworze Celejów GT-1 znajdują się w interwale 916,5-991,0 m (miąższość 74,5 m), natomiast w otworze Celejów GT-2 występują w interwale 914,0-991,0 m (miąższość 77 m). Wykształcone są one w postaci dolomitów wapiennych szarych z przewarstwieniami wapieni detrytycznych z fosforytami oraz wapieni detrytyczno - dolomitycznych z przewarstwieniami wapieni detrytycznych jasnoszarych. Spąg kimerydu stanowią margle szare przeławicone wapieniami perlitycznymi beżowoszarymi i wapieniami drobnodetrytycznymi jasnoszarymi. Znajdują sie tutaj również wkładki mułowców dolomitycznych szarych z brekcją dolomityczną z glaukonitem i pirytem. Utwory oksfordu w otworze Celejów GT-1 zalegają w interwale 991,0-1201,0 m, natomiast w otworze Celejów GT-2 w interwale 991,0 1171,0 m. Różnica ta wynika stąd, że w otworze Celejów GT-2 wykonano więcej profilowań geofizycznych oraz rdzeniowania w stosunku do otworu Celejów GT-1, co umożliwiło dokładniejsze ustalenie granicy stratygraficznej. Miąższość utworów oksfordu wynosi 180 m. Są to skały wykształcone w postaci wapieni drobnodetrycznych, dolomitycznych, pelitowych, oolitowych, detrytycznych, mikrytowych, onkoidowych oraz karolowcowo - gąbkowych. Przewarstwień piaskowcowych w horyzoncie jury górnej nie stwierdzono. Utwory kredy dolnej występują w rejonie miejscowości Celejów w formie szczątkowej. W otworze Celejów GT-1 wyłącznie alb górny o miąższości 2,5 m, którego strop znajduje się na głębokości 914,0 m. Wykształcony jest on w postaci piaskowców drobnoziarnistych szarych o spoiwie krzemionkowo - węglanowym, z pojedynczymi okruchami glaukonitu i fosforytami. W otworze Celejów GT-2 kredę dolną stanowi brekcja wapienno-syderytowa oraz piaskowiec drobnoziarnisty silnie zailony, dolomityczny o barwie jasnozielono-szarej. Generalnie należy stwierdzić, że kredę górną tworzą utwory węglanowo - krzemionkowe. Stanowią one monotonny profil skał wykształconych jako wapienie, wapienie margliste, margle i wapienie kredopodobne. Miąższość utworów kredy górnej w rejonie miejscowości Celejów wynosi około 906,9 m. Utwory górnej partii stropowej kredy górnej projektowanego ujęcia wód termalnych wykształcone są jako piaski gliniaste ze żwirem i kamieniami, mocno zwietrzelinowe, szaro-żółte. Natomiast kolejno są to margle ciemnoszare i wapienie margliste ciemnoszare z laminami opok kremowoszarych. W partii stropowej są one silnie zwietrzałe i bardzo spękane. W rejonie prowadzonych badań utwory czwartorzędowe (plejstoceńskie) zalegają na skałach węglanowych kredy górnej i wykształcone są jako piaski różnoziarniste, pyły (lessy), gliny deluwialne oraz zwietrzeliny gliniasto pylaste. Strefa doliny rzeki Bystrej jest wykształcona jako U kształtne wcięcie w górotwór węglanowo krzemionkowy i wypełniona 22

24 możliwości wykorzystania wód termalnych udostępnionych w rejonie miejscowości celejów holoceńskimi osadami piaszczysto - pylastymi oraz torfami i namułami. Miąższość utworów czwartorzędowych jest uzależniona od morfologii stropu skał kredowych i w bezpośrednim sąsiedztwie otworów Celejów GT-1 i Celejów GT-2 wynosi około 6,0 m Wyniki badań geofizyki otworowej Badania geofizyki otworowej przeprowadzone w otworach Celejów GT-1 i Celejów GT-2 pozwoliły na wyinterpretowanie właściwości zbiornikowych [5]. Współczynnik porowatości utworów kredy górnej w otworze Celejów GT-1 w interwale 54,0-914,0 m wynosi średnio 17,5% z przedziału 5,0-27,5%. Współczynnik porowatości utworów kredy górnej w interwale 158,0-912,0 m p.p.t. w otworze Celejów GT-2 wynosi 20,2% z przedziału 6,2-27,5%. Dla profilu kredy dolnej (914,0-916,5 m p.p.t.) średnia wartość współczynnika porowatości wynosi 19,5% z przedziału 5,0-25% - otwór Celejów GT-1. W przypadku otworu Celejów GT-2 pomiaru dokonano w interwale 912,0-914 m p.p.t. gdzie średni współczynnik porowatości wynosi 17,5% z przedziału 5,0-27,5%. Dość mocno zróżnicowane właściwości zbiornikowe zarejestrowano w utworach jury górnej w interwale 914, ,0 m. Średnie wartości współczynnika porowatości wahają się od 7,5% do 20,6%. Jak wynika z badań geofizycznych przeprowadzonych w otworze Celejów GT-1 najwyższym współczynnikiem porowatości charakteryzuje się interwał 1013,5-1060,5 m, gdzie średni współczynnik porowatości wynosi 20,0%. W tym interwale współczynnik porowatości zmienia się w przedziale od 5,7 do 30,6%. W otworze Celejów GT-2 najwyższy średni współczynnik porowatości na poziomie 20,6% występuje w interwale 914,0-921,0 m p.p.t. W tym interwale współczynnik porowatości zmienia się w przedziale od 11,07 do 27,0%. Wysoka wartość współczynnika porowatości podczas badań geofizycznych została zarejestrowana również w utworach jury środkowej. W interwale 1201,0-1230,0 m wartość współczynnika porowatości zmieniała się od 10,0 do 21,3% by osiągnąć wartość średnią na poziomie 16,3% - otwór Celejów GT-1. W tym przypadku współczynnik porowatości został potwierdzony również badaniami laboratoryjnym rdzenia. W próbie z głębokości 1226,8 m stwierdzono współczynnik porowatości na poziomie 19,16%. W otworze Celejów GT-2 w interwale 1171,0-1226,0 współczynnik porowatości osiąga wartość średnią 12,7% wyliczoną z przedziału 2,6-21,1%. Poziom karbonu górnego wykształcony jest w postaci utworów ilasto-mułowcowych z wkładkami piaskowców, piaskowców mułowcowych i piaskowców zailonych, charakteryzujących się zwiększonymi wartościami porowatości efektywnej. Na podstawie analiz profilowania pełnego obszaru falowego oraz pomiarów wykonanych na rdzeniach stwierdzono, że większość warstw piaskowcowych ma znikomą przepuszczalność lub nie posiada jej wcale. Mimo dobrej wyliczonej porowatości może to świadczyć o niekorzystnych właściwościach kolektorskich wydzielonych warstw, potencjalnie złożowych. Lokalnie głównie w piaskowcach zaznacza się niewielka obecność węglowodorów. Węglowodory są w dużej mierze nieruchome (rezydualne). Górną część karbonu dolnego stanowia warstwy wapieni o zróżnicowanym zaileniu przedzielone warstwami iłowców i iłowców wapnistych, sporadycznie występują niewielkie przewarstwienia piaszczysto-mułowcowe. Dolna część zbudowana jest z przewarstwień mułowców, iłowców i piaskowców, lokalnie z udziałem substancji węglanowej. W dużej części profilu utwory karbonu dolnego nie posiadają właściwości zbiornikowych. Według 23

25 Wojciech PRATKOWSKI, Henryk BIERNAT, Bogdan NOGA badań geofizyki otworowej w górnej i środkowej części profilu (2962,0-3023,0 m p.p.t.) niewielkie porowatości dochodzące maksymalnie do 5% wyinterpretowano w poziomach wapieni. Lokalnie w obrębie interwału 2988,5-2992,5 m p.p.t. wyliczono porowatości efektywne większe od 10% wraz z występowaniem węglowodorów, ale wartości te mogą być znacznie zawyżone z uwagi na bardzo duże, nieregularne skawernowanie ścian otworu. W dolnej części profilu (3023,0-3055,0 m p.p.t.) na wynikach interpretacji zaznacza się wyraźna porowatość (0,3-17%) z udziałem węglowodorów, jednak z uwagi na bardzo duże, nieregularne skawernowanie ścian otworu wyniki interpretacji należy traktować jedynie jako przybliżenie stanu faktycznego. Ślady gazu w tym interwale zostały potwierdzone w profilowaniu gazowym. Utwory dewonu wykształcone są w postaci margli, podrzędnie iłowców i wapieni marglistych z udziałem substancji dolomitycznej. Poziom charakteryzuje się bardzo słabymi właściwościami zbiornikowymi. Dla analizowanych utworów porowatość zawiera się w przedziale 0,0-12,0%. W interpretowanej powierzchni porowej występuje niewielka ilość węglowodorów, w części nieruchomych z udziałem śladów gazu Wyniki badań laboratoryjnych skał W ramach badań laboratoryjnych 32 próbki skał z otworu Celejów GT-1 poddano analizie porozymetrycznej w zakresie [1, 2]: - gęstości materiału, - porowatości całkowitej, - gęstości szkieletowej, - gęstości objętościowej, - porowatości otwartej, - średniej kapilary, - histerezy, - przepuszczalności równoległej, - przepuszczalności prostopadłej. Próbki walcowe do pomiarów przepuszczalności wycięto w kierunkach prostopadłym i równoległym do rdzenia wiertniczego. W całym profilu karbonu i dewonu porowatość jest zmienna i zawiera się w przedziale 0,3-12%. Pakiet potencjalnych utworów wodonośnych znajduje się w interwale na głębokości 2131,4-2134,2 m. Porowatość wynosi tutaj od 10,68% do 11,62% przy przepuszczalności równoległej 1,197 md i przepuszczalności prostopadłej 1,254 md. Próbki z pozostałych karbońskich oraz dewońskich poziomów wodonośnych wykazują porowatość poniżej 5% i przepuszczalność 0,1 md. W efekcie oznacza to bardzo ograniczoną migrację medium złożowego. Dodatkowo w rdzeniach obserwuje się występowanie śladów węglowodorów. Próbka z głębokości 1226,8 m (spąg jury środkowej - otwór Celejów GT-1) posiada porowatość 22,5% przy przepuszczalności równoległej 1,808 md i przepuszczalności prostopadłej 4,426 md. W ramach badań porozymetrycznych wykonano 16 analiz próbek rdzeni pobranych z otworu Celejów GT-2 z interwału 910,4-1233,0 m. W badanym interwale porowatość całkowita zawiera się w przedziale 4,45 27,10% (efektywna 4,19 26,25%), przy czym w dobrze rozwiniętej przestrzeni porowej, znajdują się warstwy o niższej porowatości (porowatość całkowita i efektywna poniżej 10,00%) zalegające na głębokościach: 910,40, 1038,50, 24

26 możliwości wykorzystania wód termalnych udostępnionych w rejonie miejscowości celejów 1203,20 i 1220,00 m. Podobnie rozkładają się przepuszczalności w profilu. Maksymalna przepuszczalność wynosi 28,438 md a najniższa 0,012 md, przy czy da się wyróżnić dwa dobrze przepuszczalne interwały z głębokości 1047, ,10 m i 1207,90 m rozdzielone warstwami o niskiej przepuszczalności poniżej 1mD. Interwały dobrze przepuszczające korelują z interwałami bardzo porowatymi stanowiąc materiał skalny dobrze przewodzący jak i magazynujący płyny złożowe. Są to warstwy 915,40 918,50 m, 1047, ,10 m i 1207,90 m Wyniki badań hydrogeologicznych W trakcie wiercenia otworu Celejów GT-1 wykonano 7 badań rurowym próbnikiem złoża w utworach karbonu i dewonu [1, 5]. Zastosowany próbnik złoża posiadał automatyczną rejestrację ciśnienia i temperatury. Zespół obsługujący próbnik złoża posiadał oprogramowanie do odczytu i pełnej interpretacji wyników. Podczas prowadzonych badań nie uzyskano przypływu wód złożowych. Przypływu nie uzyskano również w wyniku zastosowania zabiegu kwasowania w interwale 3214,0-3504,0 m p.p.t. W wyniku braku przypływu wody termalnej do próbnika złoża podjęto decyzję o zastosowaniu innej metody badań hydrogeologicznej polegającej na wydobyciu wody z otworu (łyżkowanie). W miarę opadania zwierciadła wody w otworze powinien następować przypływ wody ze złoża. Podobnie jak i poprzednio nie uzyskano dopływu wody złożowej do otworu. Za pomocą otworu Celejów GT-2 opróbowano utwory kredy dolnej, jury górnej i jury środkowej [2]. Interwał m (kreda dolna) został opróbowany poprzez zapięcie próbnika na kotwicy w rurach 9 5 / 8. Podczas opróbowania nie stwierdzono dopływu wód podziemnych. Do próbnika dopłynęło tylko ok. 60 litrów płuczki powstałej z odprężenia strefy podpakerowej próbnika. Temperatura zarejestrowana w głębokości 879 m p.p.t. wynosiła 22,9 o C. Ciśnienie hydrostatyczne w otworze wynosiło 92,2 bar. Analizując wyniki opróbowania złoża oraz litologię skał w tym interwale, należy stwierdzić, że w rejonie miejscowości Celejów poziom wodonośny kredy dolnej nie występuje. Interwał jury górnej został opróbowany poprzez zapięcie próbnika na kotwicy w rurach 9 5 / 8 w głębokości 975 m. Podczas opróbowania stwierdzono dopływ płynu złożowego do zestawu wiertniczego w ilości 6960 litrów. Zwierciadło wody w zestawie wiertniczym ustabilizowało się w głębokości około 81 m p.p.t.. Zarejestrowana temperatura w głębokości 981 m wynosiła 25,6 o C. Ciśnienie hydrostatyczne w otworze wynosiło 93,5 bar. Wapienie organodetrytyczne barwy beżowoszarej posiadały w tym interwale liczne spękania pionowe, którymi najprawdopodobniej migrują wody termalne. Ponadto, skały te posiadały teksturę porowatą, co potwierdziły analizy porozymetryczne- porowatość efektywna ponad 25%. Na tej podstawie należy zatem stwierdzić, że wapienie te stanowią poziom wodonośny jury górnej w rejonie miejscowości Celejów. Interwał jury środkowej został opróbowany poprzez zapięcie próbnika na nodze w głębokości 1204 m (otwór Celejów GT-1). Podczas opróbowania stwierdzono dopływ płynu złożowego do zestawu wiertniczego w ilości 7750 litrów. Można było zaobserwować intensywny wypływ powietrza z głowicy. Zwierciadło wody w zestawie wiertniczym ustabilizowało się w głębokości ok. 86 m p.p.t. Zarejestrowana temperatura w głębokości 1211 m wynosiła 32,5 o C. Ciśnienie hydrostatyczne w otworze wynosiło 128,4 bar. Na podstawie uzyskanych wyników z tego opróbowania, interwał ten został wytypowany do zafiltrowania i ujęcia wód termalnych. 25

27 Wojciech PRATKOWSKI, Henryk BIERNAT, Bogdan NOGA Pompowanie pomiarowe w otworze Celejów GT-2 przeprowadzono przy użyciu pompy głębinowej zapuszczonej na głębokość 190 m p.p.t. Wszystkie parametry z tego zabiegu były rejestrowane elektronicznie. Wydajność pompowania była ustawiana przy użyciu zasuwy na głowicy eksploatacyjnej, natomiast jej pomiar odbywał się poprzez zapuszczoną do otworu elektroniczną sondę oraz kontrolnie na normatywnej skrzyni przelewowej. Pomiary temperatury były wykonywane przy użyciu termometrów wbudowanych na powierzchni terenu w rurociąg odprowadzający wodę oraz na skrzyni przelewowej na wypływie [2] Wyniki badań laboratoryjnych wody złożowej W ramach prac badawczych przeprowadzono pełną analizę fizyko-chemiczną wody złożowej ujętej otworem Celejów GT-2. Pobrana w połowie stycznia 2015 r. próba pochodziła z połączonych interwałów jury górnej w interwale 1023, ,34 m p.p.t. i jury środkowej w interwale 1166, ,94 m p.p.t. W wodzie z otworu Celejów GT-2 oznaczono 39750,87 mg/dm 3 rozpuszczonych składników mineralnych w tym głównie chlorki (21727 mg/dm 3 ), siarczany (2536 mg/dm 3 ), sód (12258 mg/dm 3 ) wapń (2004 mg/dm 3 ) i magnez. Spośród składników określonych jako swoiste lecznicze, w znaczącym stężeniu stwierdzono jodki w ilości 6,24 mg/dm 3. Zawartość związków siarki nie przekracza wymaganego limitu 1 mg/dm 3 - określonego dla wód siarczkowych. Stężenie składników promieniotwórczych w analizowanej wodzie nie stanowi zagrożenia dla zdrowia. Nie stwierdzono również wskaźników zanieczyszczenia wody pod względem mikrobiologicznym [4]. 2. Parametry udostępnionych wód termalnych Obecnie na terenie miejscowości Celejów znajdują się dwa otwory geotermalne: Celejów GT-1 o głębokości 3504 m, zakończony w utworach dewonu górnego, zafiltrowany stalowymi (N-80) rurami sznicowanymi (5 ) w interwale 3214,0-3501,0, Celejów GT-2 o głębokości 1234 m, zakończony w jury środkowej, zafiltrowany w utworach jury górnej w interwale 1023, ,34 oraz w utworach jury środkowej w interwale 1166, ,94 m p.p.t. rurami stalowymi N-80 o średnicy 7. Za pomocą otworu Celejów GT-1 opróbowano utwory karbonu i dewonu górnego w interwale m. Po wykonaniu szeregu opróbowań za pomocą próbnika złoża okazało się, że nie ma żadnych dopływów wody złożowej. Brak dopływu wody złożowej został również potwierdzony podczas badań hydrogeologicznych polegających na szczerpywaniu płynu złożowego za pomocą łyżki wiertniczej. Parametry otworu Celejów GT-1: wydajności: brak dopływu wody, temperaturze w złożu: 99,8 o C. Celem otworu Celejów GT-2 było rozpoznanie możliwości pozyskiwania wody termalnej z utworów jury środkowej. Do przyszłej eksploatacji ujęto dwa poziomy wodonośne tj.: jury górnej w interwale 1023, ,34 m p.p.t. i jury środkowej w interwale 1166, ,94 m p.p.t. W wyniku przeprowadzonych badań hydrogeologicznych w otworze Celejów GT-2 udokumentowano wodę termalną o: wydajności: 28 m 3 /h, temperaturze na wypływie: 29,2 o C (31 o C w złożu), mineralizacji ogólnej: 45,5 g/dm 3. 26

28 możliwości wykorzystania wód termalnych udostępnionych w rejonie miejscowości celejów Wodę udokumentowaną w otworze Celejów GT-2 można scharakteryzować jako wodę mineralną chlorkowo-sodową (solankę), jodkową, hipotermalną (czyli o temperaturze w zakresie o C). 3. Możliwości energetycznego wykorzystania wód termalnych udostępnionych otworami Celejów GT-1 i Celejów GT Otwór Celejów GT-1 W związku z brakiem dopływu wód termalnych z utworów karbonu i dewonu oraz występowaniem w utworach karbonu śladów węglowodorów Inwestor podjął decyzję o zafiltrowaniu interwału 3214, m p.p.t. oraz o zagłowiczeniu otworu Celejów GT-1. Na podjęcie decyzji o zafiltrowaniu dołu otworu Celejów GT-1 (czyli utworów dewonu górnego) w głównej mierze maiło wpływ profilowanie temperatury podczas którego okazało się, że temperatura w stropie filtrowanego interwału wynosi 90 o C, natomiast w spągu temperatura osiąga wartość 99,8 o C [1, 5]. Na obecnym stanie wiedzy nie ma możliwości wiarygodnego oszacowania mocy cieplnej jaką można będzie pozyskiwać od suchych gorących skał za pośrednictwem otworu Celejów GT-1. W przyszłości otwór Celejów GT-1 mógłby być wykorzystany do celów energetycznych poprzez zapuszczenie do utworów dewonu głębinowego wymiennika ciepła. Jest to rozwiązanie innowacyjne w skali świata i wymaga wykonania dodatkowych badań, które mogą być realizowane w ramach różnorodnych prac badawczych i grantów Otwór Celejów GT-2 Eksploatowana otworem wydobywczym woda termalna z połączonych poziomów jury górnej i jury dolnej ma zbyt niską temperaturę (29,2 o C na wypływie), aby można ją było bezpośrednio zastosować do celów grzewczych [6]. Jedyną możliwością energetycznego wykorzystania wody termalnej z horyzontów wodonośnych jury będzie ich pośrednie wykorzystanie poprzez zastosowanie pomp ciepła. Oprócz temperatury dość istotnym ograniczeniem będzie tutaj również prognozowana niska wydajność eksploatacyjna wody termalnej (28 m 3 /h). W związku z powyższym, w analizowanym przypadku istnieje możliwość zastosowania sprężarkowych pomp ciepła przy założeniu niskotemperaturowej sieci ciepłowniczej 60/40 o C. Przy systemie niskotemperaturowym sieci ciepłowniczej 60/40 o C można utrzymywać stałą temperaturę zasilania na poziomie 60 o C, a temperatura powrotu z sieci w granicach o C będzie wynikać z ilości przekazanego ciepła i będzie uzależniona głównie od pory roku i temperatury zewnętrznej. W przypadku wody termalnej z horyzontów wodonośnych jury prognozowana temperatura jest niższa od temperatury wody sieciowej powracającej z systemu ciepłowniczego. Aby odebrać ciepło z wody termalnej w proponowanym rozwiązaniu należy ustanowić wodę termalną dolnym źródłem ciepła dla sprężarkowych pomp ciepła. Woda termalna wydobywana za pomocą otworu wydobywczego o temperaturze w złożu 31 o C kierowana będzie bezpośrednio na wymiennik niskotemperaturowy WC-1 celem przekazania energii cieplnej wodzie sieciowej krążącej w układzie zamkniętym (rys. 1). Wymiennik ten będzie współpracował z kaskadą sprężarkowych pomp ciepła stanowiąc ich dolne źródło ciepła. Za pomocą pomp ciepła woda termalna może zostać schłodzona do temperatury około 16 o C. Kaskada sprężarkowych pomp ciepła będzie napędzana energią elektryczną. 27

29 Wojciech PRATKOWSKI, Henryk BIERNAT, Bogdan NOGA W górnym źródle ciepła kaskady sprężarkowych pomp ciepła woda sieciowa będzie mogła być podgrzewana do temperatury około 60 o C. Rys. 1. Uproszczony sposób odbioru ciepła geotermalnego od wody termalnej [6] Schłodzona do około 16 o C na wymienniku ciepła WC-1 woda termalna z poziomu jury będzie ponowne zatłoczona do warstwy wodonośnej z której została wydobyta. Do tego celu konieczne będzie wykonanie otworu chłonnego. Uwzględniając straty ciepła podczas wydobywania wody termalnej oraz sprawność wymienników ciepła do dalszych analiz przyjęto temperaturę wody termalnej z utworów jury wynoszącą 27 o C. Za pomocą dubletu geotermalnego nie uda się zatłoczyć całej możliwej do wydobycia wody termalnej. Aby oszacować ilość możliwego do pozyskania ciepła geotermalnego do dalszych analiz przyjęto, że do warstw wodonośnych jury górnej i środkowej można będzie zatłoczyć około 18 m 3 /h schłodzonej wody termalnej. Przy założeniu schłodzenia wody do 16 o C można będzie pozyskać maksymalnie około 230 kw ciepła geotermalnego (rys. 2), które może następnie stanowić dolne źródło ciepła dla kaskady sprężarkowych pompy ciepła. Oszacowany strumień ciepła jest tylko ciepłem pochodzącym od wody termalnej. Aby jednak był on możliwy do pozyskania konieczne jest zainstalowanie pomp ciepła, które muszą być napędzane energią dostarczaną z zewnątrz. Wykorzystanie wody termalnej z otworu Celejów GT-2 do celów energetycznych wiąże się również z wykonaniem kolejnego otworu, który będzie pełnił rolę otworu chłonnego. W tym przypadku nie ma możliwości eksploatacji wody termalnej w systemie jednootworowym ze względu na wysoką zawartość chlorków. 28

30 możliwości wykorzystania wód termalnych udostępnionych w rejonie miejscowości celejów Rys. 2. Potencjalny strumień ciepła geotermalnego możliwy do uzyskania z zafiltrowanych interwałów [6] W związku z powyższym nie ma ekonomicznego uzasadnienia wykorzystanie wód termalnych pochodzących z otworu Celejów GT-2 do celów zasilania lokalnej sieci ciepłowniczej. Głównymi powodami jest wysoki koszt budowy otworu chłonnego przy niskiej wydajności otworu wydobywczego (28 m 3 /h). 4. Możliwości leczniczego wykorzystania udostępnionych wód termalnych otworem Celejów GT Kuracje pitne Jednym ze sposobów leczniczego wykorzystania wód podziemnych jest przeznaczenie jej do kuracji pitnych. Muszą one jednak spełniać wymagania podyktowane Rozporządzeniem Ministra Zdrowia z dnia 13 kwietnia 2006 r. w sprawie zakresu badań niezbędnych do ustalenia właściwości leczniczych naturalnych surowców leczniczych i właściwości leczniczych klimatu, kryteriów ich oceny wody pobranej ze złoża ujętego otworem Celejów GT-2 z wartościami dopuszczalnymi można stwierdzić, że woda ta nie będzie mogła być wykorzystywana do celów leczniczych poprzez kuracje pitne [7]. Jak wynika z tabeli 2 przekroczony jest jeden parametr związany z wymaganiami organoleptycznymi i fizykochemicznymi. Wymagania związane z mętnością wody muszą być dotrzymane na stanowisku zabiegowym. W tym przypadku konieczne będą dodatkowe zabiegi związane z usunięciem mętności. Tabela 2. Wymagania organoleptyczne i fizykochemiczne wody przeznaczonej do kuracji pitnych [2, 9] L.p. Zawartość składnika Nazwa Jednostka składnika stężenia zmierzona w otworze dopuszczalna [9] Celejów GT-2 [2] 1 barwa mg/dm 3 poniżej mętność mg/dm 3 poniżej zapach - naturalny swoisty, zależny od składników naturalnych swoisty 29

31 Wojciech PRATKOWSKI, Henryk BIERNAT, Bogdan NOGA Dyskwalifikacja wody jako surowca do kuracji pitnych następuje głównie poprzez przekroczenie zawartości boru (tabela 3). Oznaczenie zawartości azotanów w ilości 28,0 mg/dm 3 nie są uzasadnione pochodzeniem analizowanej wody i aktualnymi danymi o jej właściwościach. Konieczne jest zatem wykonanie kontrolnych oznaczeń tych zanieczyszczeń [4]. Tabela 3. Najwyższe dopuszczalne stężenie składników niepożądanych w nadmiernych stężeniach oraz toksycznych wody przeznaczonej do kuracji pitnych [2, 9] L.p. Zawartość składnika Nazwa Jednostka składnika stężenia zmierzona w otworze dopuszczalna [9] Celejów GT-2 [2] 1 antymon mg/dm 3 0,01 < 0,02 2 azotany mg/dm ,0 3 arsen mg/dm 3 0,05 < 0,01 4 bar mg/dm 3 1,0 0, bor mg/dm 3 5,0 7,78 6 cyjanki mg/dm 3 0,01 0,005 7 chrom (ogólny) mg/dm 3 0,01 0, glin mg/dm 3 0,1 0,010 9 kadm mg/dm 3 0,003 < 0, nikiel mg/dm 3 0,03 < 0, ołów mg/dm 3 0,01 < 0, rtęć mg/dm 3 0,001 < 0, fenole mg/dm 3 0,002 < 0, WWA (suma) ng/dm < benzo(a)piren ng/dm 3 10 < Inhalacje Wody lecznicze mogą być również wykorzystywane w postaci inhalacji. W tym przypadku woda również musi spełniać wymagania opisane w Rozporządzeniu Ministra Zdrowia z dnia 13 kwietnia 2006 r. w sprawie zakresu badań niezbędnych do ustalenia właściwości leczniczych naturalnych surowców leczniczych i właściwości leczniczych klimatu, kryteriów ich oceny oraz wzoru świadectwa potwierdzającego te właściwości. Jak wynika z analizy tabeli 4 i tabeli 5 woda z otworu Celejów GT-2 może być stosowana w inhalacjach zarówno indywidualnych i zbiorowych po rozcieńczeniu jej do stężenia około 1,5% [4]. Wymagania związane z mętnością wody muszą być dotrzymane na stanowisku zabiegowym. W tym przypadku konieczne będą dodatkowe zabiegi związane z usunięciem mętności (tabela 4). 30

32 4.3. Kąpiele lecznicze Właściwości wody leczniczej, która może być wykorzystywana w postaci kąpieli określone są w Rozporządzeniu Ministra Zdrowia z dnia 13 kwietnia 2006 r. w sprawie zakresu badań niezbędnych do ustalenia właściwości leczniczych naturalnych surowców leczniczych i właściwości leczniczych klimatu, kryteriów ich oceny oraz wzoru świadectwa potwierdzamożliwości wykorzystania wód termalnych udostępnionych w rejonie miejscowości celejów Tabela 4. Wymagania organoleptyczne i fizykochemiczne [2, 9] L.p. Nazwa składnika Jednostka stężenia dopuszczalna [9] Zawartość składnika Zmierzona w otworze Celejów GT-2 [2] 1 barwa mg/dm 3 poniżej mętność mg/dm zapach naturalny swoisty, zależny od składników naturalnych swoisty Oznaczenie zawartości azotanów w ilości 28,0 mg/dm 3 nie są uzasadnione pochodzeniem analizowanej wody i aktualnymi danymi o jej właściwościach (tabela 5). Konieczne jest zatem wykonanie kontrolnych oznaczeń tych zanieczyszczeń [4]. Tabela 5. Najwyższe dopuszczalne stężenie składników niepożądanych w nadmiernych stężeniach oraz toksycznych [2, 9] L.p. Zawartość składnika Nazwa Jednostka składnika stężenia Zmierzona w otworze dopuszczalna [9] Celejów GT-2 [2] 1 antymon mg/dm 3 0,01 < 0,02 2 azotany mg/dm 3 10,0 28,0 3 arsen mg/dm 3 0,1 < 0,01 4 bar mg/dm 3 10,0 0, bor mg/dm 3 30,0 7,78 6 cyjanki mg/dm 3 0,01 0,005 7 chrom (ogólny) mg/dm 3 0,01 0, glin mg/dm 3 0,1 0,010 9 kadm mg/dm 3 0,003 < 0, nikiel mg/dm 3 0,03 < 0, ołów mg/dm 3 0,01 < 0, rtęć mg/dm 3 0,001 < 0, fenole mg/dm 3 0,002 < 0, WWA (suma) ng/dm < benzo(a)piren ng/dm 3 10 < 5 31

33 Wojciech PRATKOWSKI, Henryk BIERNAT, Bogdan NOGA jącego te właściwości. Analiza porównawcza właściwości wody pobranej ze złoża za pomocą otworu Celejów GT-2 z wartościami dopuszczalnymi została przedstawiona w tabeli 6 i tabeli 7. Woda ujmowana otworem Celejów GT-2 będzie mogła być stosowana w kąpieli leczniczej. Wymagania związane z mętnością wody muszą być dotrzymane na stanowisku zabiegowym. W tym przypadku konieczne będą dodatkowe zabiegi związane z usunięciem mętności (tabela 6). Oznaczenie zawartości azotanów w ilości 28,0 mg/dm 3 nie są uzasadnione pochodzeniem analizowanej wody i aktualnymi danymi o jej właściwościach. Konieczne jest zatem wykonanie kontrolnych oznaczeń tych zanieczyszczeń [4]. Tabela 6. Wymagania organoleptyczne i fizykochemiczne [2, 9] L.p. Zawartość składnika Nazwa Jednostka składnika stężenia zmierzona w otworze dopuszczalna [9] Celejów GT-2 [2] 1 barwa mg/dm mętność mg/dm 3 poniżej zapach naturalny swoisty, zależny od składników naturalnych swoisty Tabela 7. Najwyższe dopuszczalne stężenie składników niepożądanych w nadmiernych stężeniach oraz toksycznych [2, 9] L.p. Zawartość składnika Nazwa Jednostka składnika stężenia zmierzona w otworze dopuszczalna [9] Celejów GT-2 [2] 1 antymon mg/dm 3 - < 0,02 2 azotany mg/dm 3 20,0 28,0 3 cyjanki mg/dm 3 0,01 0,005 4 fenole mg/dm 3 0,002 < 0,005 5 WWA (suma) ng/dm < 55 6 benzo(a)piren ng/dm 3 10 < 5 Wskazaniem do kąpieli w solance jodkowej są głównie [4]: - przewlekłe choroby dróg oddechowych, - przewlekłe choroby reumatyczne, - rehabilitacja w stanach pourazowych narządu ruchu, - stany wymagające zwiększenia odporności organizmu na zakażenie, - rekonwalescencja. 32

34 możliwości wykorzystania wód termalnych udostępnionych w rejonie miejscowości celejów 5. Możliwości rekreacyjnego wykorzystania wód termalnych udostępnionych otworem Celejów GT-2 Wody pobrane do analizy ze złoża udokumentowanego otworem Celejów GT-2 zostały również poddane analizie ich wykorzystania w ogólnodostępnych basenach rekreacyjnych [7]. Wody te mają wysoką mineralizację, która wynosi ponad 45 g/dm 3 i dużą zawartość jonów chloru i sodu, która w analizowanej wodzie wynosi ponad 33 g/dm 3. W basenach rekreacyjnych można stosować wody o mineralizacji poniżej 35 g/dm 3. Wyższa mineralizacja solanki może być stosowana jedynie pod opieką lekarza uzdrowiskowego. Dodatkowo woda przeznaczona do napełniania ogólnodostępnych basenów rekreacyjnych musi spełniać wymogi Rozporządzenia Ministra Zdrowia z dnia 16 października 2002 r. w sprawie wymagań, jakim powinna odpowiadać woda w kąpieliskach. Analiza porównawcza wyników badań laboratoryjnych z dopuszczalnymi wartościami została przedstawiona w tabeli 8. Jak wynika z przeprowadzonej analizy woda wydobywana otworem Celejów GT-2 może być wykorzystywana w rekreacji. Tabela 8. Wymagania, jakim powinna odpowiadać woda w kąpieliskach [2, 8] L.p. Wartość Nazwa Jednostka składnika stężenia zmierzona w otworze dopuszczalna [8] Celejów GT-2 [2] 1 odczyn ph 6-9 6,7 2 zapach akceptowalny swoisty 3 substancje powierzchniowo czynne mg/dm 3 0,5 0,238 0,005 4 fenol mg/dm 3 (bez zapachu) < 0,005 5 fosforany mg/dm 3 0,6 < 0,15 6 arsen mg/dm 3 0,05 0,010 7 chrom mg/dm 3 0,1 0, kadm mg/dm 3 0,03 < 0, ołów mg/dm 3 0,05 < 0, rtęć mg/dm 3 0,005 < 0, cyjanki mg/dm 3 0,01 < 0,005 Zakończenie Celem wykonania otworów wiertniczych Celejów GT-1 i Celejów GT-2 było rozpoznanie występowania i wykształcenia warstw wodonośnych, określenie parametrów hydrogeologicznych w utworach kredy dolnej, jury, karbonu i stropowej warstwy dewonu. Otwór Celejów GT-1 został wykonany do głębokości 3504 m i został zakończony w utworach dewonu górnego. Wykonano w nim opróbowanie hydrogeologiczne w utworach karbonu i dewonu górnego tj. 7 razy przy użyciu rurowego próbnika złoża oraz pop rzez wykorzystanie łyżki wiertniczej nie uzyskując dopływu wód podziemnych. 33

35 Wojciech PRATKOWSKI, Henryk BIERNAT, Bogdan NOGA W utworach karbonu występują niewielkiej grubości do około 4 m warstwy piaskowców o dobrej porowatości efektywnej, sięgającej do 19%, ale o bardzo niskiej przepuszczalności, gdzie największa wartość osiągnęła 3 md. Pozostały profil warstw karbonu wykształcony jest w formie ilasto-mułowcowej. Utwory dewonu wykszatłcone są w postaci węglanowej, jednak wszystkie mikrospękania i szczeliny są zabliźnione materiałem ilastym tworząc nieprzepuszczalny masyw skalny. W otworze Celejów GT-1 ujęto warstwy dewonu górnego tj m, jako te które posiadają najwyższą temperaturę i mogą w przyszłości zostać wykorzystane np. w ciepłownictwie. Otwór Celejów GT2 odwiercony został do głębokości 1234 m. Podczas pompowania pomiarowego uzyskano wydajność 28 m 3 /h, przy 92,1 m i temperaturze na wypływie 29,2 C. Udostępniony do eksploatacji wód termalnych poziom górno- i środkowo jurajski występuje w interwałach 1023,1 1101,34 oraz 1166, ,94 m. Łączna długość części roboczej filtra wyniosła 62,0 m Utwory budujące ten poziom to głównie wapienie organodetrytyczne, które w jurze górnej wykazują kolektor porowaty natomiast w środkowej szczelinowy. Ujęte wody są wodami termalnymi typu chlorkowo-sodowego. Ich mineralizacja wynosi 45,5 g/dm 3. Udostępnione otworem Celejów GT-2 wody termalne będą mogły być w przyszłości wykorzystywane do inhalacji i kąpieli leczniczych oraz do celów rekreacyjnych. Bibliografia [1] BIERNAT H., MARTYKA P., NOGA B., ZWIERZYŃSKI M.: Dokumentacja geologiczna inna z wykonania prac geologicznych niekończących się udokumentowaniem zasobów wód podziemnych w otworze Celejów GT-1. Archiwum PG POLGEOL. Warszawa [2] BIERNAT H., MARTYKA P., KOTKO D., PAJĄK Ł., CZAPLA K., ZWIERZYŃSKI M.: Dokumentacja hydrogeologiczna ustalająca zasoby eksploatacyjne ujęcia wód termalnych z utworów jury górnej i jury środkowej w Celejowie. Archiwum PG POLGEOL. Warszawa [3] BIERNAT H., ZWIERZYŃSKI M., NOGA B., MARTYKA P.: Projekt robót geologicznych otworu badawczego Celejów GT-2 w celu rozpoznania i udokumentowania zasobów wód termalnych o głębokości do 1200,00 m. Archiwum PG POLGEOL. Warszawa [4] LATOUR T.: Ocena właściwości fizykochemicznych i chemicznych oraz stanu mikrobiologicznego wody z otworu Celejów GT-2 w aspekcie możliwości wykorzystania jej do celów leczniczych, rehabilitacyjnych lub rekreacyjnych. Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego Państwowy Zakład Higieny. Poznań [5] NOGA B., BIERNAT H., MARTYKA P., CZAPLA K., ZWIERZYŃSKI M.: Raport końcowy z realizacji projektu robót geologicznych na wykonanie otworu badawczego Celejów GT-1 w celu rozpoznania i udokumentowania zasobów wód termalnych z utworów karbonu i dewonu. Archiwum PG POLGEOL. Warszawa [6] NOGA B., BIERENAT H., MAZUR M.: Raport końcowy Przydatność wód termalnych ujętych otworami Celejów GT-1 i Celejów GT-2 do zasilania lokalnej sieci ciepłowniczej. Archiwum PG POLGEOL. Warszawa [7] NOGA B., BIERENAT H., Pająk Ł.: Raport końcowy Właściwości wód termalnych do celów zdrowotnych ujętych otworami Celejów GT-1 i Celejów GT-2. Archiwum PG POLGEOL. Warszawa [8] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 16 października 2002 r. w sprawie wymagań, jakim powinna odpowiadać woda w kąpieliskach. [9] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 13 kwietnia 2006 r. w sprawie zakresu badań niezbędnych do ustalenia właściwości leczniczych naturalnych surowców leczniczych i właściwości leczniczych klimatu, kryteriów ich oceny oraz wzoru świadectwa potwierdzającego te właściwości. 34

36 możliwości wykorzystania wód termalnych udostępnionych w rejonie miejscowości celejów [10] SZYDEŁ R., ZARĘBSKI K., SIEROŃ W., NIEWĘGŁOWSKI P., GÓRA S., DYBOWSKI K.: Projekt robót geologicznych na wykonanie otworu badawczego Celejów GT-1 w celu rozpoznania i udokumentowania zasobów wód termalnych z utworów karbonu i dewonu /Etap I/. Archiwum Termy Celejów. Lublin POSSIBILITIES OF USE OF THE THERMAL WATER LOCATED IN THE CELE- JÓW AREA Abstract: The paper presents the results of geological, geophysical, hydrogeological and laboratory studies in the area of Celejów. The study was conducted in two wells named Celejów GT-1 and Celejów GT-2. Based on the archived thermal water s parameters, the possibility of its use for energy purposes, medical and recreational activities was estimated. Keywords: Lublin basin, thermal water, geothermal, geothermal wells, heating, thermal spa, recreation Prezentowane w pracy wyniki badań uzyskano w ramach realizacji projektu pn. Przemysłowe badania geologiczne i hydrogeologiczne związane z wydobyciem wód termalnych dofinansowanego ze środków PARP w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka działanie 1.4 Wsparcie projektów celowych działanie 4.1 Wsparcie wdrożeń wyników prac B+R umowa o dofinansowanie UDA-POIG /

37 36

38 ROZDZIAŁ IiI - INŻYNIERIA INSTALACJI SOLARNYCH I FOTOWLTAICZNYCh 37

39 38

40 IX EKO- URO-ENERGIA Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii Adam MROZIŃSKI 5 instalacja FOTOWLTAICZNA Z MAGAZYNEM ENERGII ELEKTRYCZNEJ Abstrakt: A rozdziale przedstawiono zagadnienie magazynowanie energii elektrycznej z instalacji fotowltaicznej. Opisano instalację fotowoltaiczną działającą na Uniwersytecie Technologuczno przyrodniczym w Bydgoszczy Słowa kluczowe: odnawialne źródła energii, instalacja fotowoltaiczna, magazyn energii elektrycznej 1. Wprowadzenie Na rynku instalacji PV zaczyna zauważać się zjawisko powstawania instalacji dedykowanych dla osób, które chcą w całości lub w znacznej mierze zużywać energię produkowaną przez instalacje fotowoltaiczne na własne potrzeby. Do tej pory tego typu instalacje były skomplikowane i wymagały kilku urządzeń, a także bardzo często nie mogły być przyłączone do sieci lokalnego operatora elektroenergetycznego, a co za tym idzie wymagały dedykowanego obwodu, który miały zasilać [3, 4, 6]. Drugą wadą była żywotność akumulatorów, która w zależności od wybranej technologii gwarantowała pracę akumulatorów jedynie od 3 do 7 lat. Trzecim problemem była spadająca pojemność akumulatorów oraz konieczność utrzymania ich stanu naładowania na odpowiednim poziomie. Wszystkie powyższe problemy rozwiązują systemy których przykład stanowi przedstawiony w niniejszym. Instalacja gromadzi nadwyżki energii elektrycznej, która jest produkowana przez instalacje fotowoltaiczną. Zagadnienie to przedstawiono na rysunku 1. Zgromadzone nadwyżki są wykorzystywane w momencie, kiedy wzrasta pobór energii, lub kiedy instalacja fotowoltaiczna nie produkuje energii elektrycznej. W przypadku, kiedy wystąpi awaria sieci elektroenergetycznej, sieć domowa zostaje odłączona poprzez urządzenie sterujące. Dzięki takiemu rozwiązaniu, jeżeli posiadamy naładowaną baterię lub instalacja fotowoltaiczna pracuje, dom może być dalej zasilany przez energię elektryczną. W przypadku instalacji hybrydowej, całą energię, którą wyprodukujemy - zużyjemy. Mimo wyższych nakładów inwestycyjnych niż przy instalacji On Grid, zwrot poniesionych kosztów może być zdecydowanie krótszy, dzięki wykorzystywaniu 100% produkowanej energii na swoje potrzeby. Dla użytkownika takiej instalacji oznacza to, że rachunki za energię elektryczną będą bliskie zeru. Takie rozwiązanie uniezależnia od dostawcy energii elektrycznej oraz daje gwarancję, że nawet w przypadku awarii sieci nasz dom będzie zasilany [6]. 5 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, ul. Ks. Kordeckiego nr 20, Bydgoszcz, Polska, tel.: , adammroz@utp.edu.pl 39

41 Adam MROZIŃSKI Pozostaje sobie postawić pytanie czy przydomowe magazyny energii rozwiążą problem braku korelacji pomiędzy czasem najwyższej produkcji energii z paneli w ciągu dnia a czasem najwyższego zapotrzebowania na energię w domach? Rys. 1. Schemat popytu i podaży prądu w gospodarstwie domowym wyposażonym w system produkcji i magazynowania energii - Źródło: RENEW ECONOMY W Niemczech, co trzecie gospodarstwo domowe z systemem fotowoltaicznym posiada akumulatory. Niemcy uruchomili dopłaty do systemów z magazynami energii z nadzieją, że cena tych komponentów spadnie. Kiedy tylko Tesla przedstawił swój nowy akumulator dla systemów domowych, Powerwall, którego koszt wynosi ok. 350 dolarów/kwh (do 2020 planowany jest spadek tej ceny do 200 dolarów/kwh), temat przechowywania energii w przydomowych akumulatorach stał się znów popularny. Po przedstawieniu przez Teslę możliwości korzystania z energii z paneli fotowoltaicznych w czasie najwyższego zapotrzebowania, zaczęto się zastanawiać, czy do niedawna drogi system magazynowania zastąpi net-metering oraz sprawi, że systemy off-gridowe znacznie zyskają na popularności [3, 4]. 2. Magazynowanie energii elektrycznej W zakresie magazynowanie energii elektrycznej stawce rynkowej przewodzą dziś akumulatory litowo-jonowe, ogniwa oparte o prosty i wydajny mechanizm elektrochemiczny. Nie trzeba ich rozładowywać do końca, co było wadą poprzedniej generacji akumulatorów niklowych, dobrze znoszą szybkie ładowanie, są chwilowo bezkonkurencyjne jeśli chodzi o gęstość gromadzonej energii (2,5-5 razy więcej na jednostkę masy niż akumulator kwasowo-ołowiowy) i wykazują jeszcze pewien potencjał rozwojowy. Przykładem rozwoju rynku niech będzie oferta cenowa firmy Tesla w zakresie domowych magazynów energii. 40

42 instalacja FOTOWLTAICZNA Z MAGAZYNEM ENERGII ELEKTRYCZNEJ Rys. 2. Zdolność gromadzenia energii wybranych technologii baterii [4, 6] Rys. 3. Spadek średniej ceny ogniw Li-ion w USA [4, 6] Systemy mniejsze lub większe, nawet o pojemności rzędu 1 MWh i megawatowej mocy są już komercyjnie dostępne, także z przeznaczeniem dla lokalnych, izolowanych sieci ener- 41

43 Adam MROZIŃSKI getycznych opartych o OZE. Takie układy będą się tworzyć w miarę rozwoju energetyki odnawialnej, ale popyt na magazyny do nich trudno porównywać z sukcesem Tesli. W dodatku większość dostępnych urządzeń jest opartych jeszcze na akumulatorach kwasowo-ołowiowych, których parametry znacznie ustępują ogniwom litowo-jonowym. Baterie te przez ostatnie 20 lat staniały znacząco, ale tempo spadku ostatnio wyhamowało. W miarę szlifowania technologii produkcji decydującą rolę w cenie zacznie grać znaczny udział surowców, a zwłaszcza samego litu. Metal ten jest bardzo rozpowszechniony, ale jednocześnie rozproszony i nadające się do eksploatacji złoża nie są zbyt wielkie. W dodatku ponad połowa zasobów jest skoncentrowanych na dnie wyschniętych słonych jezior na pograniczu Argentyny, Boliwii i Chile. Spadek kosztów wytwarzania może więc zostać zniweczony przez wzrost cen. Zwłaszcza, że potencjalnie znacznie lepsza bateria litowosiarczkowa także będzie oparta na tym pierwiastku. W krajach, w których dozwolony jest pełny net-metering, nie jest jasne, jak mógłby on zostać całkowicie zastąpiony poprzez przydomowe systemy magazynowania. W końcu sam net-metering traktuje sieć elektroenergetyczną jak tymczasowy magazyn energii. Zalety tradycyjnego magazynowania energii są w tym przypadku ograniczone. Nie mniej jednak, w miejscach, gdzie nie obowiązuje net-metering lub gdzie jest on obciażony znacznymi dodatkowymi opłatami (tj. za przesył i dystrybucję), tanie przydomowe magazyny energii mogą stanowić doskonałe rozwiązanie. Możliwe, że będzie to również dotyczyć polskiego rynku. Są kraje, w których rozliczanie w postaci net-meteringu funkcjonuje od wielu lat i gdzie zakłady energetyczne zaczęły z czasem opóźniać przyłączanie nowych instalacji fotowoltaicznych. To spowodowało z kolei konieczność wymiarowania systemów fotowoltaicznych w ten sposób, by produkcja energii z tych systemów pokrywała wyłącznie zapotrzebowanie, nie generując znacznych nadwyżek. Tacy klienci mogliby stanowić w przyszłości potencjalny rynek dla przydomowych magazynów energii. Co więcej, opłacalność systemów fotowoltaicznych, które korzystają z akumulatorów połączeniu z magazynami energii w dużym stopniu zależy od struktur stawek za energię elektryczną. Magazynowanie energii będzie miało sens w momentach, gdy stawki w godzinach szczytowych są znacznie wyższe od stawek za energię w godzinach pozaszczytowych. Nie mniej jednak, zdarza się, że konsumenci energii wcale nie korzystają z taryf strefowych albo sprzedawca energii nie daje im takiej możliwości. Jeśli natomiast fluktuacje taryf dziennych są znaczne w porównaniu z taryfami nocnymi, powoduje to powstanie dylematu pomiędzy wyborem większego systemu fotowoltaicznego a większym magazynem energii. 3. Budowa laboratoryjnej instalacji fotowoltaicznej z magazynem energii Laboratoryjną instalację fotowoltaiczną, funkcjonującą na budynku 3.2 Wydziału Inżynierii Mechanicznej UTP w Bydgoszczy przedstawiono na rysunku 4. W instalacji zastosowano monokrystaliczne moduły fotowoltaiczne o mocy całkowitej 6000W. Zamocowano je na dachu budynku hali technologicznej WIM-UTP pod kątem 20 stopni. 42

44 instalacja FOTOWLTAICZNA Z MAGAZYNEM ENERGII ELEKTRYCZNEJ Rys. 4. Instalacja fotowoltaiczna na dachu budynku 3.2 WIM UTP w Bydgoszczy W instalacji wykorzystano system Fronius Symo Hybrid S. Trójfazowy falownik o mocy 5,0 kw umożliwia gromadzenie w akumulatorze nadmiaru energii wygenerowanej przez instalację fotowoltaiczną. Tego typu układ charakteryzuje się maksymalny udział zużycia energii na potrzeby własne i maksymalna niezależność od dostaw energii. Rys. 5. Fronius Symo Hybrid S S24, Fronius Smart Meter oraz Fronius Solar Battery [6] W ten sposób nadmiar energii solarnej można wykorzystać w okresach, gdy tej energii jest mało lub też, gdy w ogóle nie jest wytwarzana. Dzięki funkcji zasilania awaryjnego 43

45 Adam MROZIŃSKI gospodarstwo domowe może być optymalnie zasilane energią także w przypadku przerw w dostawie energii konfiguracja i wizualizacja instalacji jest możliwa za pośrednictwem zintegrowanego serwera www z interfejsem graficznym, zarówno przez WLAN, jak i Ethernet. Ładowanie akumulatora bezpośrednio od strony DC instalacji PV (ang. DC-coupling) zapewnia także maksymalny współczynnik sprawności całej instalacji. Do akumulowania energii elektrycznej wykorzystywany jest Fronius Solar Battery - to wydajna technologia litowo-żelazowo-fosforanową, która gwarantuje długą żywotność, krótkie czasy ładowania i dużą głębokość rozładowania. Pojemność akumulatora Fronius Solar Battery można dostosować do indywidualnych potrzeb klienta, a także rozszerzać w późniejszym czasie. Zakres pojemności baterii akumulatorów wynosi od 4,5 do 12kWh. Rys. 6. Ideowy schemat instalacji [6] Przy prawidłowo dobranym rozmiarze generatora fotowoltaicznego można uzyskać pełną niezależność energetyczną budynku 1-rodzinnego. Statystycznie jedna osoba w gospodarstwie domowym zużywa 2kWh energii na dobę. Bateria akumulatorów pozwala na pracę bez zasilania z zewnątrz przez 24 godziny/dobę. System uzupełniany jest również o tzw. Fronius Smart Meter czyli dwukierunkowy licznik służący do optymalizacji zużycia własnego i rejestracji krzywej obciążenia gospodarstwa domowego. W połączeniu z portalem online Fronius Solar.web. Fronius Smart Meter umożliwia przejrzystą prezentację własnego zużycia energii elektrycznej. 4. Monitoring parametrów instalacji fotowoltaicznej Systemy monitoringu są obecnie nieodłącznym elementem instalacji fotowoltaicznych. Pomagają utrzymać maksymalną wydajność systemu oraz wskazywać ewentualne usterki już na początkowym etapie działania instalacji. Dzięki temu uniknąć przestojów w produkcji energii elektrycznej. Obecnie dla inwestora nie są istotne tylko sumaryczne dane energetyczne całego systemu, ale również dane chwilowe i bardziej szczegółowe - np. parametry stringów modułów PV. 44

46 instalacja FOTOWLTAICZNA Z MAGAZYNEM ENERGII ELEKTRYCZNEJ Rys. 7. Wykorzystany w instalacji system monitorowania - przykładowe wyniki pomiarów monitoringu Wykorzytywany do badań Fronius Solar.web w wersji premium umożliwia między innymi: - Analizę zużycia energii na potrzeby własne. - Stały podgląd zużycia energii do kontroli kosztów. - Wizualizację i analizę systemów magazynowania energii. - Eksport danych w formacie CSV z informacją o zużyciu na potrzeby własne. - Monitoring na poziomie pojedynczego trakera MPP. - Indywidualne raportowanie. 45

47 Adam MROZIŃSKI Rys. 8. Wykorzystany w instalacji system monitorowania - przykładowe wyniki pomiarów 5. Podsumowanie Producenci inwerterów fotowoltaicznych zaczynają wprowadzać na rynek dedykowane rozwiązania, które pozwolą na optymalizację autokonsumpcji energii z domowych instalacji PV dzięki możliwości przetrzymania niewykorzystanych nadwyżek energii i zużycia jej w momencie, gdy odpowiedniej podaży nie zapewnia instalacja fotowoltaiczna. Jeszcze kilka lat temu rozwój rynku domowych instalacji fotowoltaicznych, napędzany w Europie głównie przez atrakcyjne stawki za sprzedaż energii do sieci, nie tworzył zapotrzebowania na rozwiązania optymalizujące wykorzystanie energii z domowych instalacji PV na użytek własny ich właścicieli. Ta sytuacja jednak bardzo się zmieniła. Najlepszym tego przykładem są Niemcy, gdzie w ostatnich latach znacznie zmniejszono stawki sprzedaży energii z domowych instalacji fotowoltaicznych i gdzie teraz o wiele bardziej opłaca się wykorzystać jej jak najwięcej na własny użytek, oszczędzając na energii niezakupionej od operatora, której koszt jest niemal 3-krotnie wyższy niż stawki sprzedaży energii do sieci. 46

48 instalacja FOTOWLTAICZNA Z MAGAZYNEM ENERGII ELEKTRYCZNEJ Jedną z ważniejszych wiadomości dla globalnej branży fotowoltaicznej w 2015 r. było rozpoczęcie sprzedaży domowych magazynów energii przez Teslę. Obecnie koszt produktu o nazwie Powerwall to 3 tys. dolarów, jednak imponujące plany Tesli dają nadzieję na obniżenie jego ceny. Rozwój domowych magazynów energii tworzy perspektywiczny rynek dla producentów inwerterów, w zakresie rozwiązań, które będą współpracować z systemami magazynowania energii i dzięki którym będzie możliwa optymalizacja wykorzystania energii z PV na własny użytek. Rozwój w kierunku systemów zakładających magazynowanie energii sygnalizują komunikaty czołowych producentów inwerterów. SMA i Fronius, podały, że wprowadzają na rynek nowe inwertery, które mogą współpracować z Powerwall i innymi magazynami energii pracującymi na wysokim napięciu. W przeciwieństwie do większości domowych magazynów energii, które zaczynają pojawiać się na rynku, Powerwall nie ma wmontowanego inwertera DC-AC. Dla odbiorców końcowych wykorzystanie magazynu energii oznacza większą niezależność od zakładów energetycznych. W ciągu ostatniego roku łączna liczba domowych magazynów energii w Niemczech podwoiła się do około 30 tys. To zasługa spadku cen. SMA zapewnia, że inwestycja w Powerwall Tesli i jego nowy inwerter daje możliwość magazynowania energii po kosztach podobnych do tych, które ponoszą niemieckie gospodarstwa domowe w przypadku zakupu energii z sieci. SMA i Fronius zapewniają ponadto, że ich nowe inwertery można zastosować wraz z domowym magazynem energii w już istniejących instalacjach fotowoltaicznych. SMA szacuje wartość globalnego rynku magazynowania energii w średnim okresie na około 0,5 mld euro 1,2 mld euro. Koszt magazynu Powerwall 7 kwh to 3 tysiące dolarów, czyli 429 USD/kWh, natomiast koszt wersji 10 kwh to 3,5 tysiąca dolarów, czyli 350 USD/kWh. Szacuje się, że baterie te pozwolą na magazynowanie energii tańsze od obecnych rozwiązań nawet o ok. 60%. Literatura [1] MROZIŃSKI A.: Poradnik dobrych praktyk wdrażania instalacji odnawialnych źródeł energii. Wydawnictwo 1studio.pl Arkadiusz Bartnik, ISBN , Bydgoszcz [2] KRUSZELNICKA W., KOZŁOWSKA N., MROZIŃSKI A.: Analiza efektywności energetycznej i ekonomicznej podgrzewania wody użytkowej przez instalację zasilaną modułami fotowoltaicznymi. Mechanik nr 10/2015, str [3] MROZIŃSKI A.: Badanie efektywności energetycznej laboratoryjnej instalacji fotowoltaicznej. Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury - JCEEA, t. XXXI, z. 61 (3/II/14), lipiec-wrzesień 2014, s [4] SZYMAŃSKI B.: Instalacje Fotowoltaiczne. Wydanie II. Wydawnictwo Geosystem Burek, Kotyza s.c., Kraków [5] Źródło: EurObserv ER, [6] Materiały techniczne Fronius Symo Hybrid [7] PHOTOVOLTAIC INSTALLATION WITH ELECTRIC ENERGY STORAGE Abstract: In the chaper problem of electric energy storage form photowoltaic installation was presesnted. In the work was desccribe photowoltaic installation working on the University of Science and Technology in Bydgoszcz. Keywords: renewable energy sources, photovoltaic installation, electric nergy storage 47

49 48

50 IX EKO- URO-ENERGIA Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii Ola MADEJ 6 badanie sprawności kolektorów solarnych różnego typu Abstrakt: Opracowanie rozpoczęto krótkim wstępem na temat kończących się paliw kopalnych i możliwości ich zastąpienia przez odnawialne źródła energii. Przedstawiono budowę i zasadę działania wybranych kolektorów solarnych. Opisane urządzenia to kolektory płaskie, heat pipe oraz U-rura. Przybliżono zagadnienie sprawności kolektorów słonecznych. Dla przedstawionych typów przeprowadzono badania symulacyjne, które miały na celu porównanie ich sprawności. Zbadano sprawność kolektorów oraz całych instalacji w ciągu całego roku. W pracy zamieszczono wyniki badań wraz z opisami. Opracowanie zakończono podsumowaniem i wnioskami wynikającymi z przeprowadzonych analiz. Słowa kluczowe: odnawialne źródła energii, sprawność kolektorów solarnych, heat pipe, U-rura, kolektor płaski 1. Wprowadzenie Naukowcy przewidują, że zasoby naturalne paliw kopalnych z biegiem czasu ulegną wyczerpaniu. W oparciu o obecne zużycie paliw naturalnych szacuje się, że światowe zasoby węgla wystarczą do około 2200 roku, ropy naftowej do 2050 roku, gazu ziemnego do 2060 roku natomiast uranu do 2200 roku. Odkrywanie nowych złóż tych paliw może spowodować wydłużenie tego czasu. W 1999 roku Polski Komitet Światowej Rady energetyki przedstawił raport, według którego zasoby węgla w Polsce wystarczą na 470 lat [1]. Na rysunku 1 przedstawiono prognozy Rady Naukowej rządu Niemiec dotyczące światowych źródeł energii pierwotnej w latach Według tych danych kończące się paliwa kopalne zastąpi energia słoneczna. Ze względu na kończące się zasoby oraz ochronę środowiska poszukuje się innych źródeł energii. Nieodnawialne źródła energii mogą zostać zastąpione przez źródła alternatywne. Odnawialnymi źródłami energii nazywamy energię promieniowania słonecznego, przepływającej wody, wiatru, pływów morskich i geotermii. Produkcja energii ze tych źródeł nie powoduje emisji szkodliwych substancji do atmosfery. Pomijając proces produkcji elementów instalacji oraz recykling, produkcja energii ze źródeł odnawialnych nie powoduje wydzielania do otoczenia pyłów, tlenku azotu, dwutlenku siarki, związków siarki i innych szkodliwych substancji jak w przypadku wykorzystania ropy naftowej, węgla i gazu ziemnego. Instalacje odnawialnych źródeł energii przeważnie należą do energetyki rozproszonej. Produkcja energii w systemie rozproszonym pozwala na zmniejszenie strat związanych z produkcją i przesyłaniem oraz zwiększenie efektywności wykorzystania wyprodukowanej energii [1, 4, 5, 6]. 6 Koło Naukowe Inżynierii Odnawialnych Źródeł Energii, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J. i J. Śniadeckich, Al. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz, Polska, tel.: , olamadej17@gmail.com 49

51 Ola MADEJ Rys. 1. Światowe źródła energii pierwotnej w latach według prognozy Rady Naukowej rządu Niemiec [3] W opracowaniu skupiono się na zagadnieniu przetwarzania energii promieniowania słonecznego na ciepło. Z energii słońca można korzystać dzięki kolektorom słonecznym. Dzięki takiemu rozwiązaniu podgrzewanie wody nie wymaga korzystania z energii elektrycznej, która w Polsce pozyskiwana jest głównie ze spalania węgla kamiennego i brunatnego. 2. Opis kolektorów solarnych Kolektorami wybranymi do analizy są: kolektor płaski, kolektor o pojedynczym przeszkleniu heat pipe oraz kolektor o podwójnym przeszkleniu typu U-rura. Poniżej opisano budowę i zasadę działania poszczególnych kolektorów solarnych. Kolektory płaskie składają się z: przeźroczystego pokrycie, absorbera, izolacji cieplnej, zewnętrznej obudowy oraz rurek doprowadzających i odprowadzających czynnik roboczy. Budowę tego typu kolektora przedstawiono na rysunku 2 [5]. 50

52 badanie sprawności kolektorów solarnych różnego typu Rys. 2. Przekrój kolektora cieczowego [9] Kolektory te umożliwiają absorbowanie promieniowania słonecznego bezpośredniego a także rozproszonego. Podgrzewanie wody odbywa się za pośrednictwem niezamarzającego płyny, który przepływa systemem rurek w kolektorze. Woda jest podgrzewana w zasobniku z wężownicą. Woda użytkowa może też bezpośrednio przepływać kanałami kolektora i odbierać z niego ciepło. Kanały występują w postaci harfy lub meandry. Płaskie kolektory zalicza się do grupy kolektorów niskotemperaturowych, ponieważ temperatura czynnika roboczego nie przekracza 100 C. Pojedynczy kolektor solarny ma powierzchnię około 1,5 2,5 metra kwadratowego. W celu uzyskania większej powierzchni, absorbującej promieniowanie słoneczne łączy się poszczególne moduły szeregowo lub równolegle. Kolektory płaskie pracują najlepiej w okresie o najsilniejszym promieniowaniu słonecznych, czyli od kwietnia do września. Wadą kolektorów płaskich jest mała efektywność zimą. [2, 5]. Kolektory próżniowe typu gorąca rurka (heat-pipe) to kolektory, których głównym elementem jest szklana rura o średnicy 60 mm oraz długości mm. Rury próżniowe wykonane są ze szkła borowo-krzemowego, odpornego na gradobicie, szkło posiada zmniejszoną ilość żelaza w swoim składzie [2, 5]. Kolektory o pojedynczym przeszkleniu typu heat-pipe są wyposażone w pojedynczą rurę próżniową. W przypadku takiego rozwiązania absorber umieszczony jest wzdłuż średnicy pojedynczej rury próżniowej. Płaski absorber pokryty jest powłoką typu Tinox bądź Sol-Titan i jest połączony z rurką cieplną. Zastosowanie takiego rozwiązanie powoduje, że jest to kolektor o dużej sprawności i daje możliwość montażu w dowolnym położeniu. Rury, z których zbudowany jest kolektor posiadają możliwość obrodu wokół własnej osi, dzięki czemu można je ustawiać odpowiednio w stronę padania promieni słonecznych. Kolektory próżniowe heat-pipe są zbudowane z dobrej jakości materiałów takich jak miedź, szkło solarne oraz stal szlachetna, są to materiały odporne na korozję. Wewnątrz rury panuje stan bliski próżni, który osiągnięto szczelnie łącząc szkło z metalem. Parowanie cieczy w rurze rozpoczyna się od temperatury 30 C, ponieważ panuje tam podciśnienie 10 razy niższe od ciśnienia atmosferycznego. Czynnikiem grzewczym znajdującym się w ciepłowodzie jest płyn 51

53 Ola MADEJ na bazie wody i polipropylenu. Kolektory o pojedynczym przeszkleniu uzyskują nawet około 30% więcej energii niż te o podwójnych rurach. Płyn solarny powinien pracować zawsze w dopuszczalnym zakresie w tym celu stosuje się zabezpieczenie przed jego przegrzaniem. Przekazywanie ciepła z absorbera do płynu solarnego przebiega za pośrednictwem bezpiecznika, który w przypadku zbyt wysokiej temperatury w rurze kolektora blokuje dopływ ciepła do płynu solarnego. Mimo wielu zalet kolektory tego typu posiadają też wadę związaną z połączeniem szkła z metalem, które po wielu latach eksploatacji może ulec rozszczelnieniu. Kolektor heat pipe przedstawiono na rysunku 3 [2, 5]. Rys. 3. Kolektor typu heat-pipe [8] Podstawowymi elementami kolektora typu U-rura są podwójne rury próżniowe, zwierciadło CPC (wąsko-refleksyjne zwierciadło paraboliczne), zbieracza z jednostką przenoszącą ciepło i rurą powrotną, czyli U-rurką, komory zbiorczej oraz systemu przenoszenia ciepła. W komorze zbiorczej umieszczone są dwie rury zbiorcze oraz rura powrotna. Zastosowanie takiego rozwiązania pozwala na zasilanie i powrót po jednej stronie kolektora. Rysunek 4 przedstawia zasadę działania U-rury. W każdej z wewnętrznych rurek znajduje się U-rura z przepływającym niezamarzającym płynem [5]. 52

54 badanie sprawności kolektorów solarnych różnego typu Rys.4. Kolektor typu U-rura [10] 3. Sprawność kolektorów solarnych Sprawność kolektorów solarnych zależy od wielu czynników i zmienia się w czasie. Jednym z nich jest różnica temperatur absorbera oraz otoczenia. Zależność sprawności od różnicy temperatur przedstawiono na rysunku 5. Im wyższa różnica temperatur między absorberem a otoczeniem tym większe są straty ciepła do otoczenia i mniejsza sprawności. Straty ciepła związane są z nagrzewaniem kolektora przez co oddaje on ciepło do otoczenia poprzez konwekcję, przenikanie ciepła oraz procesy przewodzenia ciepła. Sprawność kolektora może być obniżana też przez straty optyczne. Straty są powodowane pochłanianiem oraz odbijaniem promieniowania słonecznego przez pokrycie kolektora solarnego. Sprawność kolektora jest tym wyższa im lepsza jest izolacja absorbera od otoczenia. Najlepszym izolatorem jest próżnia stosowana w kolektorach próżniowych dzięki czemu tego typu kolektory mogą osiągać wyższe sprawności przy takiej samej różnicy temperatur niż kolektory płaskie, w których jako izolator stosuje się wełnę mineralną. 53

55 Ola MADEJ Rys. 5. Zależność sprawności kolektora płaskiego i próżniowego jednościennego od różnicy temperatur absorbera i otoczenia [7] Sprawność kolektorów słonecznych definiuje się jako iloraz energii cieplnej pozyskanej przez czynnik roboczy z promieniowania słonecznego na powierzchnię kolektora w danym czasie. Sprawność kolektora słonecznego opisuje się następującą zależnością: (1) gdzie: η sprawność kolektora solarnego [%], Q u strumień energii użytecznej [W], M e moc promieniowania słonecznego [W/m 2 ], S powierzchnia czynna absorpcyjna kolektora solarnego [m 2 ]. Przekształcając powyższy wzór otrzymuje się następującą zależność: (2) gdzie: η sprawność kolektora solarnego [%], m masowe natężenie przepływu czynnika w kolektorze [kg/s], c p ciepło właściwe płynu solarnego [J/kg C], T wy temperatura czynnika grzewczego na wylocie z kolektora [ C] T we temperatura czynnika grzewczego na wylocie z wymiennika [ C] M e moc promieniowania słonecznego [W/m 2 ], S powierzchnia czynna absorpcyjna kolektora solarnego [m 2 ]. 54

56 badanie sprawności kolektorów solarnych różnego typu Najwyższa sprawność jaką może osiągnąć kolektor to sprawność optyczna. Określa ona jaką część padającego promieniowania słonecznego dociera do absorbera i może zostać wykorzystana do produkcji ciepła. Sprawność optyczną wyznacza się jest przy braku strat ciepła do otoczenia. Zależy od cech konstrukcyjnych i użytych materiałów do budowy kolektora. Opisuje się również pojęcie średniej sprawności dziennej oraz w ciągu całego cyklu roboczego, które są uśrednioną wartością sprawności chwilowej w danym czasie. Sprawność chwilową η (rysunek 6) można obliczyć z następującego wzoru: (3) gdzie: η 0 sprawność optyczna, a 1, a 2 współczynniki strat ciepła, ΔT różnica temperatury pomiędzy absorberem i otoczeniem, natężenie promieniowania słonecznego. E g Rys. 6. Sprawność chwilowa kolektora solarnego [7] Wzrost współczynnika strat ciepła powoduje wzrost pochylenia krzywej sprawności. Jeśli temperatura absorbera będzie wyższa niż temperatura otoczenia to kolektor będzie uzyskiwał niższe wydajności. Natomiast im wyższa będzie wartość współczynnika strat ciepła a 2 tym krzywa sprawności będzie bardziej wypukła. Kolektor charakteryzuje się wtedy wysoką sprawnością pracy przy niższych temperaturach absorbera. 4. Metodyka badań W celu porównania sprawności opisywanych rodzajów kolektorów przeprowadzono badania symulacyjne. Badania wykonano w programie komputerowym Kolektorek

57 Ola MADEJ Aplikacja jest przeznaczona do projektowania instalacji solarnych. Kolektorek umożliwia wybranie kolektorów solarnych i innych elementów instalacji. Obliczany jest okres zwrotu inwestycji oraz zmniejszenie emitowanych zanieczyszczeń do środowiska. Projektując instalację do podgrzewania wody użytkowej należy wpisać do programu założenia projektowe, jakie będzie spełniał zaprojektowany system. Po wpisaniu w oknie programu założeń projektowych i kliknięciu przycisku,,oblicz aplikacja generuje raport, w którym znajdują się wyniki w postaci tabel i wykresów. Aplikacja oblicza: zysk energetyczny dla poszczególnych miesięcy oraz roczny, uzysk słoneczny z m 2 kolektora, okres zwrotu inwestycji, średnie roczne oszczędności, roczną redukcję zanieczyszczeń, koszt instalacji, straty ciśnienia w instalacji. Rys. 7. Okno programu kolektorek 2.0 [badania własne, program Kolektorek 2.0] W raporcie znajdują się: wykres zysku solarnego wraz z procentowym pokryciem solarnym oraz wykres sprawności kolektorów i całej instalacji. Na rysunku 7 przedstawiono okno programu Kolektorek 2.0, które podzielono na pięć charakterystycznych obszarów. Pierwszy zaznaczony na niebiesko to obszar wyboru poszczególnych urządzeń takich jak: kolektor, zbiornik, sterownik, armatura, izolacja i moco- 56

58 badanie sprawności kolektorów solarnych różnego typu wanie, naczynie oraz pompa. W polu znajduje się też wybór lokalizacji. Kolejna zaznaczona na czerwono strefa służy do określenia typu instalacji. Możliwy jest wybór instalacji z jednym lub dwoma zasobnikami. Następnym polem jest zaznaczony na zielono obszar założeń projektowych. Znajdują się w nim informacje dotyczące liczby osób, temperatury wody, orientacji kolektora oraz długości przewodów rurowych. Kolejny obszar zaznaczony na żółto zawiera informację o wybranych urządzeniach i lokalizacji. Ostatnim polem jest zaznaczona na fioletowo strefa, w której znajdują się najważniejsze wyniki symulacji takie jak: koszt instalacji, okres zwrotu, redukcja CO 2, nasłonecznienie na m 2, energia słoneczna na c.w.u., zapotrzebowanie oraz pokrycie. W obszarze znajduje się również kalkulator ekonomiczny oraz ekologiczny. 5. Wyniki badań symulacyjnych W wyniku przeprowadzonych badań symulacyjnych wygenerowano wykresy sprawności dla poszczególnych typów kolektorów. Zbadano średnie miesięczne sprawności kolektorów oraz całych instalacji z ich zastosowaniem. Na podstawie otrzymanych wyników można porównać sprawność kolektorów płaskich, próżniowych z pojedynczym przeszkleniem (heat pipe) oraz próżniowych z podwójnym przeszkleniem (U-rura). Badania dla każdego typu kolektora przeprowadzono dla identycznych założeń projektowych jak na rysunku 7. a. Kolektory płaskie Na rysunku 8 przedstawiono wykres sprawności kolektorów płaskich. Z obliczeń wynika, że średnia roczna sprawność kolektorów wynosi 50,1 % natomiast średnia roczna sprawność całej instalacji to 47,2 %. Najwyższa średnia miesięczna sprawność dla tego typu kolektora obserwowana jest w październiku i wynosi 54,0 %. Najniższą miesięczną sprawność kolektory osiągają w czerwcu i wynosi ona 47,5 %. Kształtowanie się sprawności na takim poziomie związane jest z zastosowaniem wełny mineralnej jako izolatora. Mimo tego, że promieniowanie słoneczne musi pokonać tylko jedno przeszklenie aby dobrzeć do absorbera, część ciepła jest tracona do otoczenia. Rys. 8. Wykres sprawności kolektorów płaskich 57

59 Ola MADEJ b. Kolektory typu heat pipe Wykres sprawności dla kolektorów typu heat pipe przedstawiono na rysunku 9. Rys. 9. Wykres sprawność kolektorów heat pipe Obliczenia wskazują, że kolektory o pojedynczym przeszkleniu najwyższą miesięczną sprawność uzyskują w październiku i wynosi ona 63,9 %. Najniższa sprawność występuje w grudniu i wynosi 59,6 %. Średnia roczna sprawność kolektorów tego typu wynosi 62,0 % a całej instalacji 57,1%. Osiąganie tak wysokiej sprawności przez kolektory o pojedynczym przeszkleniu związane jest z zastosowaną izolacją (próżnia) oraz łatwym dostępem promieniowania słonecznego do absorbera dzięki zastosowaniu jednej rury. c. Kolektory typu U-rura Wykres sprawności dla kolektorów z podwójnym przeszkleniem przedstawiono na rysunku 11. Badania wskazują, że średnia roczna sprawność kolektorów kształtuje się na poziomie 48,5 % a całej instalacji 42,3 %. Najwyższą sprawność kolektory osiągają w styczniu oraz październiku i wynosi ona wtedy 49,0 % natomiast najniższą w marcu 48,0 %. Rys. 11. Wykres sprawność kolektorów typu U-rura 58

60 badanie sprawności kolektorów solarnych różnego typu Kolektory typu U-rura posiadają podwójne przeszklenie, co wpływa na ich sprawność. Promieniowanie słoneczne musi pokonać dwie warstwy szkła alby dotrzeć do absorbera. d. Porównanie sprawności badanych kolektorów W tabeli 1 zebrano wynika badań symulacyjnych na podstawie, których można porównać badane typy kolektorów solarnych. Średnia roczna sprawność kolektorów heat pipe jest znacznie wyższa niż kolektorów płaskich i typu U-rura. Tabela 1. Sprawności kolektorów solarnych Średnia roczna sprawność kolektorów [%] Średnia roczna sprawność całej instalacji [%] Najwyższa średnia miesięczna sprawność [%] Najniższa średnia miesięczna sprawność [%] Kolektory płaskie Heat pipe U-rura 50,1 62,0 48,5 47,2 57,1 42,3 54,0 63,9 49,0 47,5 59,6 48,0 Kolektory próżniowe z pojedynczą rurą posiadają wysoką sprawnością optyczną, dzięki czemu uzyskują wysokie sprawności w większym zakresie pracy niż kolektory płaskie. Kolektory o dwuściennych rurach mają niższe sprawności optyczne i mimo zastosowania próżni jako izolatora tylko w niewielkim zakresie pracy osiąga wyższą sprawności niż kolektor płaski. 6. Podsumowanie i wnioski Kolektory próżniowe są uważane za te o najwyższej sprawności. Wyniki badań wykazały, że sprawność kolektorów próżniowych związana jest z ich konstrukcją. Kolektor z pojedynczą rurą szklaną osiąga wysokie sprawności natomiast kolektor z podwójnym przeszkleniem (U-rura) osiąga sprawności niższe od kolektora płaskiego. Okazuje się, że mimo zastosowania próżni jako izolatora kolektor ten nie jest lepszy pod względem sprawności od kolektora płaskiego, w którym jako izolator zastosowano wełnę mineralną. Podwójne przeszklenie wpływa negatywnie na sprawność kolektora, ponieważ promienie słoneczne mają do pokonania podwójną barierę szkła aby dotrzeć do absorbera. Obudowa kolektorów płaskich nie jest całkowicie szczelna ponieważ wymagają one wentylacji w celu usunięcia wilgoci z izolacji cieplnej. Powietrze znajdujące się w kolektorze ogrzewa się od absorbera a następnie unosi się oddając ciepło do otoczenia. Sprawność kolektora płaskiego jest obniżona przez stratę ciepła. Kolektory próżniowe są szczelne dzięki czemu straty ciepła są niższe niż dla kolektorów płaskich. Na podstawie przeprowadzonych analiz można stwierdzić, że w zależności od konstrukcji sprawność kolektora próżniowego może ale nie musi być wyższa od sprawności kolektora płaskiego. 59

61 Ola MADEJ Bibliografia [1] LEWANDOWSKI W. M., Proekologiczne odnawialne źródła energii. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne. Warszawa [2] NOWAK W., STACHEL A. A., BORUSIEWICZ-GOZDUR A., Zastosowania odnawialnych źródeł energii. Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej. Szczecin [3] NOWICKI M., Nadchodzi era słońca. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa [4] PLUTA Z., Słoneczne instalacje energetyczne. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa [5] TYTKO R., Urządzenia i systemy energetyki odnawialnej. Wydawnictwo i Drukarnia Towarzystwa Słowaków w Polsce. Kraków [6] WÓJS K., SZULC P., TIETZE T., Aktualne kierunki rozwoju energetyki. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław [7] [dostęp r.] [8] [dostęp r.] [9] [dostęp r.] [10] [dostęp r.] STUDY EFFICIENCY SOLAR COLLECTORS VARIOUS TYPE Abstract: We started to develop a short introduction about the ending of fossil fuels and the possibility of their replacement by renewable energy sources. Presents the design and operation of selected solar collectors. The described devices is a flat plate collectors, heat pipe and U-pipe. Approximated the issue of efficiency of solar collectors. For the types presented were carried out simulation studies, which aimed at compare their efficiency. We examined the efficiency of solar collectors and whole installations throughout the year. The paper presents the results of studies with descriptions. Development completed the summary and conclusions resulting from the analyzes carried out. Keywords: renewable energy sources, the efficiency of solar collectors, heat pipe, U-pipe, flat plate collector 60

62 ROZDZIAŁ Iv - ANALIZA CYKLU ŻYCIA INSTALACJI oze 61

63 62

64 IX EKO- URO-ENERGIA Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii Izabela PIASECKA 7 Badanie i ocena wpływu elektrowni wiatrowych dużej mocy na jakość środowiska przyrodniczego Abstrakt: Praca zawiera analizę wpływu faz cyklu istnienia wiatrowych procesorów energii na otoczenie. Na jej podstawie, w opracowaniu przedstawiono również badanie i ocenę wpływu przykładowej elektrowni wiatrowej o dużej mocy na jakość środowiska przyrodniczego, z wykorzystaniem oprogramowania SimaPro 7.1, metody LCA i modelowania Ekowskaźnik 99. Słowa kluczowe: Ekowskaźnik 99, elektrownia wiatrowa, ocena cyklu życia (LCA), odnawialne źródła energii, SimaPro Wprowadzenie Energia otrzymywana w procesach spalania paliw kopalnych, stanowi obecnie najczęściej spotykaną i najpowszechniejszą formę energii. Kopaliny energetyczne, jak np. węgiel, gaz ziemny, ropa naftowa, odgrywają decydującą rolę w światowym i europejskim systemie zaopatrzenia w energię. Spalenie ton węgla kamiennego charakteryzującego się średnią jakością, powoduje emisję m.in ton pyłów, ton SO 2, ton NO x oraz ton CO 2, a na wysypiska trafia ton popiołów. Ta ilość węgla zawiera również 1 tonę 238 U oraz 2 tony 232 Th, które dostają się do atmosfery w czasie spalania. Każdego roku w Polsce spala się ponad ton węgla. Z tego powodu każdego roku około 500 ton promieniotwórczego uranu i toru kierowanych jest na wysypiska w postaci popiołów lub emitowanych do atmosfery w pyłach [24]. Energia stanowi jedną z podstawowych sił napędowych cywilizcji ludzkiej, umożliwiającą życie i rozwój. Uznaje się, że odkrycie ognia w okresie prehistorycznym umożliwiło postęp techniczny i cywilizacyjny, dając możliwość utrwalania oraz przetwarzania żywności, metali, szkła, ceramiki itp. Z biegiem czasu ludzie nauczyli się wykorzystywać energię z innych źródeł. Do produkcji żywności powszechnie zaczęto wykorzystywać energię w postaci żywej siły pociągowej. Najpopularniejszym nośnikiem energii była biomasa, początkowo leśna, a w późniejszym okresie również rolnicza. Wraz z postępem technicznym zaczęto wykorzystywać siłę wiatru do napędu statków oraz przemiału zboża. Równocześnie rozwijało się wykorzystanie energii cieków wodnych. Początkowo ludzkość pozyskanie energii w całości opierała na źródłach odnawialnych. Proces ten został zakłócony w momencie odkrycia właściwości węgla. Chińczycy używali go już około 3000 lat temu, a Rzymianie: około r. n.e. W 1298 roku Marco Polo opublikował 7 Koło Naukowe Inżynierii Odnawialnych Źródeł Energii, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Bydgoszcz, Al. Prof. S. Kaliskiego 7, piasecka-izabela@wp.pl 63

65 Izabela PIASECKA książkę o swoich podróżach do Chin, w której pisał o dużych czarnych kamieniach które się palą jak węgiel drzewny. Obecnie węgiel stanowi jedno z najważniejszych źródeł energii dla ludzkości [1, 21]. Do XIX wieku znacząca część europejskich lasów była już wycięta, co spowodowało deficyt drzewa. Zwiększyło to znaczenie węgla, wywołując intensywne poszukiwania i eksploatacje nowych złóż. Impulsem zwiększającym jego rolę było wynalezienie silnika parowego w 1712 r. Po raz pierwszy energia cieplna uzyskana dzięki spalaniu paliwa została zamieniona ruch. Wcześniej by uzyskać taką energię należało zbudować wiatrak lub turbinę wodną. Stało to się inspiracją do konstrukcji nowych maszyn. W 1799 roku Alessandro Volta zbudował pierwszą baterię, i tym samym pierwsze źródło energii elektrycznej. W XIX wieku pojedynczy silnik parowy potrafił dostarczyć energii zastępującej pracę 200 ludzi. Po raz pierwszy w historii energia mogła być używana w dowolnym miejscu, czasie i w niemal dowolnej ilości. Wcześniej ludzie byli zależni od energii wiatru czy płynącej wody, co powodowało, że większość maszyn (np. młyny) mogły być usytuowane tylko w określonych miejscach. W 1804 roku zbudowano pierwszą lokomotywę parową, a trzy lata później statek parowy. W podobnym czasie zaczęto wykorzystywać gaz ziemny do oświetlania fabryk. W 1807 roku po raz pierwszy użyto odzyskanej z węgla nafty, jako paliwa dla ulicznych latarni w Londynie. W 1859 roku w Pensylwani zaczęto wydobywać ropę naftową. Odkryto, że spalając ten surowiec można uzyskać zarówno ciepło, jak i światło. Z czasem zaczęto przerabiać ropę tak, by otrzymać z niej olej napędowy, używany jako paliwo dla nowego wynalazku: silnika spalinowego [1, 10, 21]. Wymienione zdarzenia zapoczątkowały dynamiczny rozwój techniczny oraz cywilizacyjny, bazujący na pozyskaniu energii z paliw kopalnych. Kuczowym elementem tej drogi stało się pozyskanie energii z rozszczepienia atomu. Jednak katastrofy ekologiczne i zawirowania geopolityczne, z drugiej połowy XX w., coraz mocniej uświadamiały ludziom, że kończą się możliwości dalszego rozwoju w oparciu wyłącznie o nieodnawialne źródła energii. Wzrosły ich ceny oraz zwiększyły się obawy o bezpieczeństwo energetyczne i uzależnienie państw od zewnętrznych dostaw surowców energetycznych. Przejawem tych niepokoi są rosnące ceny ropy w krajach dostarczających ten surowiec w obliczu ważnych zdarzeń politycznych oraz militarnych [10, 27]. Synonim wyczerpywania nieodnawialnych zasobów paliw stanowi koncepcja określana mianem peak oil, czyli tzw. szczytowy punkt wydobycia ropy naftowej, po którym pozyskanie tego zasobu ulegnie zmniejszeniu, co będzie niosło za sobą wymierne skutki gospodarcze. Powyższa teoria została zaprezentowana przez M. Kinga Huberta w odniesieniu do USA w roku Jednak dopiero w 2002 r. powołane zostało towarzystwo badań nad problemem szczytu wydobycia ropy naftowej i gazu (Association for the Study of Peak Oil and Gas ASPO). Peak oil stanowi w większym stopniu teorię rozwoju aniżeli kryzysu i służy przede wszystkim promowaniu racjonalnego wykorzystania paliw kopalnych, zachowaniu zasobów oraz rozwijaniu wykorzystania odnawialnych źródeł energii [28]. Wykorzystanie paliw kopanych w dotychczasowej skali przestało być akceptowane przez współczesne społeczeństwo, ze względu na negatywny wpływ na środowisko przyrodnicze oraz zwiększanie emisji gazów cieplarnianych, powodujących zmiany klimatu. Nowe spojrzenia na problem znalazło się w ustaleniach Ramowej Konwencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu z 1997 r. (Protokół z Kioto). Wymienione czynniki stanowiły przyczynę intensywnego rozwoju odnawialnych źródeł energii, które obecnie stanowią jedną z nielicznych alternatyw dla paliw kopalnych [24]. 64

66 Badanie i ocena wpływu elektrowni wiatrowych dużej mocy na jakość środowiska przyrodniczego Początek nowego tysiąclecia zaowocował intensywnym powrotem do znanych oraz poszukiwaniem nowych form energii opartej o odnawialne nośniki.efekt widoczny jest przez dążenie do ograniczenia spalania węgla na rzecz biomasy z plantacji roślin energetycznych oraz stanowiącej produkt uboczny produkcji rolniczej. Biomasa rolnicza w postaci nawozów naturalnych i kiszonek z roślin uprawnych oraz produkty uboczne przemysłu rolno-spożywczego są wykorzystywane do produkcji biogazu. Nośnik ten jest spalany w specjalnych silnikach, gdzie wytwarzana zostaje energia elektryczna i cieplna. Również tradycyjne paliwa płynne, w pewnym stopniu zostają zastępowane przez paliwa wytworzone ze zbóż, kukurydzy czy rzepaku.energia odnawialna ze słońca pozyskiwana jest poprzez kolektory słoneczne lub ogniwa fotowoltaiczne. Wykorzystywana jest również energia wody poprzez duże i małe turbiny umieszczone na ciekach wodnych oraz rozwiązania umożliwiające produkcje energii w oparciu o siłę pływów morskich. W coraz większym zakresie wykorzystuje się także energię ziemi zarówno poprzez geotermię, jak i coraz powszechniej stosowane pompy ciepła. W oparciu o nowoczesne rozwiązania, po wielu latach przerwy, powrócono do wykorzystywania siły wiatru. Wyrazem tego są popularne w Zachodniej Europie i coraz częstsze w Polsce, zarówno pojedyncze turbiny, jak i całe farmy wiatrowe [24, 28]. Celem pracy jest przeprowadzenie badania i oceny wpływu elektrowni wiatrowej dużej mocy na jakość środowiska przyrodniczego, zgodnie ze standardami metody LCA. 1. Wpływ faz cyklu istnienia wiatrowych procesorów energii o dużych mocach na środowisko przyrodnicze Produkcja elektrowni wiatrowej niesie ze sobą szereg pozytywnych, jak i negatywnych oddziaływań dla środowiska. Sam proces produkcyjny, dzięki tworzeniu coraz to nowocześniejszych rozwiązań technologicznych, z biegiem lat stanowi coraz mniejsze zagrożenie dla otoczenia. Stosowanie siłowni wiatrowych ma na celu ograniczenie wydobycia surowców kopalnych, które są zużywane w konwencjonalnych procesach uzyskiwania energii elektrycznej. Jednak podczas produkcji tworzyw i materiałów budujących elektrownie wiatrowe, wykorzystuje się znaczące ilości różnych surowców. Proces wytwarzania, wykorzystuje nie tylko same surowce, energię elektryczną, energię pochodzącą z paliw itd., ale i wiele dodatkowych związków (niezbędnych w procesie produkcyjnym), często stanowiących zagrożenie dla środowiska. W trakcie każdego procesu wytwarzania powstaje także wiele odpadów (często niebezpiecznych), które będą musiały być odpowiednio zagospodarowane oraz w różnym stopniu emitowane są zanieczyszczenia do gleby, wody i atmosfery. W dobie zwiększonego zainteresowania problematyką ochrony środowiska, podejmowane zostają działania mające ograniczyć negatywne i zwiększyć pozytywne oddziaływanie wszystkich etapów cyklu życia elektrowni wiatrowych. Nie istnieje energetyka, która byłaby w pełni przyjazna dla środowiska przyrodniczego. Każdy z takich procesów jak pozyskiwanie, przetwarzanie, rozdzielanie i transportowanie nośników energii w różnym stopniu wiąże się z zagrożeniem dla ludzi i innych żywych organizmów. Jednak nie każda energetyka stanowi jednakowe niebezpieczeństwo dla otoczenia [3, 14]. W przypadku elektrowni wiatrowej wyróżnić można bardzo wiele konstruktywnych aspektów związanych z jej eksploatacją. Przede wszystkim nie powoduje ona prawie żadnego zanieczyszczenia środowiska naturalnego w fazie eksploatacji, ponieważ wykorzystuje energię kinetyczną wiejącego wiatru, która stanowi darmowe, odnawialne źródło energii. Podczas jej pracy nie są emitowane do otoczenia gazy cieplarniane oraz inne zanieczyszcze- 65

67 Izabela PIASECKA nia. Zasoby, z których wytwarzana jest energia elektryczna, nie ulegną również wyczerpaniu. Siłownia wiatrowa zapewnia oszczędność paliw konwencjonalnych podczas produkcji energii. Przekłada się to na zmniejszenie smogu, efektu cieplarnianego, mniejsze natężenie występowania kwaśnych deszczy, ograniczenie powiększania się dziury ozonowej. Elektrownie wiatrowe w dużym stopniu przyczyniają się zatem do zmniejszenia degradacji środowiska [6, 22]. W całkowitej strukturze emisji zanieczyszczeń powietrza w Polsce, dominujący udział posiadają emisje pochodzące z energetyki zawodowej i przemysłowej oraz procesów produkcyjnych. Tylko w przypadku emisji tlenku węgla oraz dwutlenku azotu znaczący jest udział źródeł mobilnych, a w odniesieniu do dwutlenku węgla i pyłów palenisk domowych i kotłowni lokalnych. W centralnych dzielnicach dużych miast rejestrowane są niekorzystne stężenia zanieczyszczeń powietrza. Powodem tej sytuacji jest emisja niska, oddziaływanie pojedynczych emitorów oraz zanieczyszczenia komunikacyjne (toluen, benzen, formaldehyd). Stężenia zanieczyszczeń komunikacyjnych wykazują powolną, lecz systematyczną tendencję wzrostową. Z kolei emisja energetyczna (także z palenisk domowych) ma znaczący udział w ogólnej emisji zanieczyszczeń do powietrza w mniejszych ośrodkach miejskich. Zatem koniecznym jest stopniowe wprowadzanie paliw alternatywnych, nie tylko ze względu na wzrost zanieczyszczenia środowiska czy kurczenie się złóż gazu, węgla i ropy naftowej, ale także uniezależnienie się od dostaw zagranicznych kontrahentów [12, 13]. Hałas można uznać za jedną z największych niedogodności życia codziennego. Jednak trudno sobie wyobrazić bez niego współczesną cywilizację. Ma on ujemny wpływ zarówno na organizm ludzki, jak i środowisko. Działanie hałasu można zakwalifikować do dwóch podstawowych grup hałas o działaniu uciążliwym i o działaniu dokuczliwym. Wpływa on niekorzystnie na narząd słuchu i ujemnie oddziałuje na ogólny stan ludzkiego zdrowia [8, 22]. Elektrownie wiatrowe stanowią źródło hałasu o niskim natężeniu, stałego w czasie i monotonnego, tworzą zatem zagrożenie klimatu akustycznego i bardzo niekorzystnie oddziałują na otoczenie. Jest to zjawisko dotyczące przede wszystkim wiatrów o średniej i małej prędkości. Łopaty wirnika podczas wykonywania ruchu obrotowego pokonują aerodynamiczny opór powietrza, przez co stają się głównym źródłem hałasu, który jest emitowany przez siłownię wiatrową. Skrzynia biegów, pomimo tego, że znajduje się wewnątrz gondoli, jest również znaczącym źródłem hałasu. Hałas o mniejszym natężeniu, przejawiający się jako uciążliwy szum, powstaje podczas pracy układu przetwarzającego energię, w skład którego wchodzi wirnik, przekładnia i generator. Natężenie hałasu powstającego podczas pracy turbiny wiatrowej jest tym większe, im większa jest jej moc, im mniej aerodynamiczna jest konstrukcja łopat i im starsza jest technologia wykonania całej elektrowni. W nowoczesnych siłowniach wiatrowych często są wykorzystywane turbiny nisko szumowe [6]. Elektrownie wiatrowe emitują nie tylko słyszalny dla ludzkiego ucha hałas, ale obracające się skrzydła turbiny mogą również emitować dźwięki mające częstotliwości przekraczające zakres czułości ucha człowieka. Szkodliwe są zarówno infradźwięki (o częstotliwości niższej niż 16 Hz) jak i ultradźwięki (o częstotliwości wyższej niż Hz) oraz wibracje drgania mechaniczne o niskiej częstotliwości. Ultradźwięki są jednak w znaczącym stopniu tłumione przez powietrze. W tkankach miękkich energia wibracji jest wytłumiana, dlatego jej przekazywanie odbywa się przez układ kostny. Wibracje utrzymujące się przez długi okres czasu doprowadzają do uszkodzeń szkieletu, szczególnie dysków i stawów. Jeżeli amplituda drgań jest nadmiernie duża może dojść w skrajnych wypadkach nawet do pęk- 66

68 Badanie i ocena wpływu elektrowni wiatrowych dużej mocy na jakość środowiska przyrodniczego nięcia kości. Drgania powodowane przez elektrownie wiatrowe są emitowane do otoczenia w wyniku pracy urządzeń mechanicznych umieszczonych w gondoli. Jednak w nowoczesnych konstrukcjach wielkość poziomu emisji drgań jest zredukowana do minimum [6, 8, 22]. Termin ochrony krajobrazu w powszechnym rozumieniu oznacza ochronę wartości estetycznych i walorów widokowych danego obszaru. Jednak brakuje obiektywnego kryterium oceny wpływu na walory krajobrazowe planowanych elektrowni wiatrowych, ponieważ wartość estetyczna i widokowa oraz ocena takich cech jest w znaczącym stopniu subiektywna. Wieże instalacji wiatrowych osiągają zwykle znaczącą wysokość, zmniejszają walory krajobrazowe danego terenu, przez co możliwym jest spadek jego atrakcyjności turystyczno-rekreacyjnej. Zgodnie z obowiązującym w Polsce prawem, krajobraz jest chroniony wyłącznie w parkach krajobrazowych, narodowych, rezerwatach przyrody oraz obszarach chronionego krajobrazu. Analizując zagadnienia związane z ochroną krajobrazu pod kątem zlokalizowania siłowni wiatrowej, można opierać się na wytycznych mówiących o budowie napowietrznych linii elektroenergetycznych, a przede wszystkim ich słupów nośnych. Linii takich nie wolno przeprowadzać na terenach chronionego krajobrazu, dlatego maszty elektrowni wiatrowych również nie mogą być zlokalizowane na tego typu obszarach. Z kolei na pagórkowatych terenach jest zalecane lokalizowanie słupów nośnych przed i za wierzchołkiem pagórka. Jednak ta wytyczna jest absolutnie sprzeczna z ideą budowy i lokalizacji elektrowni wiatrowych, dla których optymalne wykorzystanie sił wiatru znajduje miejsce właśnie na wierzchołkach wzgórz [6, 22]. Pod wpływem dużych farm wiatrowych może dojść do zmian lokalnego mikroklimatu. Jeżeli na danym terenie występuje znacząca koncentracja siłowni wiatrowych, to średnia prędkość wiatru może tam wzrosnąć nawet o 2 m s -1. Turbiny wiatrowe znajdujące się na takim obszarze mogą również doprowadzić do wzrostu temperatury powietrza w nocy nawet o 2ºC [6]. Turbiny wiatrowe mogą stanowić zagrożenie dla przelatujących nietoperzy i ptaków. Wiąże się to z niebezpieczeństwem zaburzenia lokalnego ekosystemu. W 2001 roku Western Ecosystems opublikował raport, z którego wynika, że w całkowitej liczbie zabitych ptaków, udział infrastruktury wiatrowej nie przekracza (0,01-0,02)%. Stanowi to 2,9 ptaka w ciągu roku na jedną turbinę wiatrową, w przeliczeniu na wszystkie tego typu urządzenia pracujące w USA. American Wind EnergyAssociation podaje, że przeciętny ptak wchodzi w kolizję z turbiną wiatrowa raz na (8-15) lat. O wiele większym zagrożeniem dla ptactwa jest jednak infrastruktura związana z konwencjonalną energetyką. Na skutek zderzeń ptaków z napowietrznymi liniami elektroenergetycznymi w Stanach Zjednoczonych, co roku ginie średnio 175 mln ptaków. Obecnie zalecane jest montowanie podziemnych linii kablowych łączących farmy wiatrowe ze stacjami energetycznymi. Elektrownie wiatrowe w przeciwieństwie do tych konwencjonalnych, nie emitują spalin i pary wodnej, utrudniających widoczność i zasłaniających wysokie przeszkody. Nie tylko kolizje, ale i odpady i zanieczyszczenia środowiska naturalnego, powstające w wyniku produkowania energii elektrycznej z konwencjonalnych źródeł, wpływają na życie ptaków. Gatunki niepotrafiące przystosować się do zmienionych warunków środowiskowych, siłą rzeczy skazane są na wymarcie. Zanieczyszczenia oddziałują na ptaki nie tylko w sposób bezpośredni, ale również pośrednio poprzez degradację runa leśnego, a nawet całościową destrukcję obszarów leśnych, przez co zanieczyszczeniu ulega środowisko życia ptaków i innych zwierząt [6]. Aby zwiększyć bezpieczeństwo ptaków stosowane są specjalne, polepszające widoczność oznaczenia turbin. Ich łopaty malowane są na jaskrawe kolory i umieszcza się na nich 67

69 Izabela PIASECKA mrugające lampy (jako sygnalizację świetlną). Podczas lokalizacji nowych farm wiatrowych przykłada się dużą uwagę do faktu, by były one wybudowane jak najdalej od tras okresowych migracji ptaków oraz miejsc ich rozrodu. Obecnie prowadzi się prace naukowo-badawcze mające na celu wykorzystanie w przyszłości sygnałów radiowych mogących w skuteczny sposób odstraszać przelatujące ptaki [6]. Po zakończeniu cyklu istnienia, wszystkie tworzywa i materiały poużytkowe należy w odpowiedni sposób zagospodarować. Możliwości jest kilka, począwszy od składowania na wysypiskach odpadów, poprzez spalanie, a na recyklingu mechanicznym i termicznym skończywszy. Jednak ich zagospodarowanie daje możliwość uzyskania nowych produktów lub energii. Dzięki ciągłemu rozwojowi technologii, poziomy emisji zanieczyszczeń do atmosfery, gleby i wody są coraz niższe. Zmniejsza się także ilość oraz toksyczność odpadów produkowanych w ich wyniku [2, 25]. 2. Materiał i metody Szczegółowej analizie poddana została elektrownia wiatrowa o elektrycznej mocy nominalnej równej 2,0 MW. Trzyłopatowy wirnik o średnicy 100 m oraz gondola mieszcząca wał główny, generator, przekładnie i hamulce, są umieszczone na szczycie wieży. W kontenerze przy podstawie wieży zainstalowany jest suchy (żywiczny) transformator. Turbina wiatrowa posiada regulowany skok łopat z aktywnym kierunkowaniem. Wirnik może pracować ze zmienną prędkością (obr. min -1 ), pomagając w utrzymaniu mocy oddawanej na poziomie równym lub zbliżonym do mocy znamionowej. Do badań wykorzystano narzędzie komputerowego wspomagania projektowania i symulacji oprogramowanie SimaPro 7.1. Umożliwiło ono ocenę szkodliwego oddziaływania na otoczenie elektrowni wiatrowej o dużej mocy, w ciągu jednego cyklu życia (20 lat) z wykorzystaniem metody LCA (Life Cycle Assessment). LCA kompleksowo podchodzi do problemu oceny cyklu życia, uwzględniając każdą sferę cyklu istnienia elektrowni wiatrowej oraz wszelkie rodzaje destrukcyjnych oddziaływań, które mogą wystąpić w jej cyklu istnienia. Procesy, zjawiska i problemy są w niej ujmowane w sposób systemowy, a efekty środowiskowe i destrukcyjne oddziaływania ujęte są w formie wartości liczbowych. Dzięki temu zabiegowi możliwa jest prosta identyfikacja sfer cyklu istnienia siłowni wiatrowej, które najbardziej dominują. Uzyskane wyniki mogą zostać wykorzystane w procesach podejmowania decyzji. Stosowanie metody LCA poprawia efektywność działań, daje wiarygodne i odtwarzalne wyniki oraz umożliwia sporządzenie pełnej oceny środowiskowej [4, 7, 18]. LCA (Life Cycle Assessment) jest w Polsce stosunkowo nową techniką zarządzania środowiskowego. Niewątpliwą zaletą i głównym założeniem tej techniki jest dążenie do uwzględnienia wszystkich czynników o potencjalnym ujemnym wpływie na środowisko, które związane są z danym zespołem roboczym. Podczas prowadzenia badań tworzona jest struktura, wewnątrz której można zauważyć i ocenić związki pomiędzy odpadami generowanymi w każdej fazie (produkcji, eksploatacji, zagospodarowania poużytkowego), a ich szkodliwym oddziaływaniem na środowisko. Tak przygotowana baza stanowi podstawę do określania negatywnego wpływu analizowanych czynników (pogrupowanych w kategoriach wpływu) na środowisko oraz wskazanie, w której z faz niosą one największe zagrożenia. Szeroki zakres badań pozwala spojrzeć na analizowany obiekt, zarówno w sposób globalny, jak i przyjrzeć się poszczególnym fazom w wymiarze zespołu roboczego, pojedynczego urządzenia, grupy urządzeń lub całego parku maszynowego. W dobie wzrastającego zainte- 68

70 Badanie i ocena wpływu elektrowni wiatrowych dużej mocy na jakość środowiska przyrodniczego resowania ekologią, LCA stanowi cenne narzędzie umożliwiające ochronę środowiska, ponieważ bazuje nie tylko na czysto hipotetycznych przewidywaniach i założeniach, ale głównie na realnych danych wejściowych oraz wyjściowych, przez co możliwym jest ustalenie konkretnych zagrożeń, jakie zespół roboczy lub proces niesie dla środowiska, pozwalając na niwelowanie negatywnego wpływu w jak najefektywniejszy sposób [4, 9, 17]. LCA stanowi kompleksowy sposób oszacowania szkodliwości oddziaływań występujących pomiędzy zespołem roboczym wirnika elektrowni wiatrowej a otoczeniem. Kompleksowość tej techniki wynika z jej interdyscyplinarnego charakteru. W badaniach wyróżniane są trzy strefy o niezwykle zróżnicowanym charakterze: technosfera opisuje systemy techniczne, np. transport, procesy produkcyjne. Poziom niepewności jest tu zazwyczaj niewielki, a większość pomiarów można zweryfikować i powtórzyć; ekosfera definiuje mechanizm ekologiczny, mówiąc o tym, co dzieje się z poszczególnymi emisjami. Przedział niepewności jest tu szacowany na poziomie trzech rzędów wielkości i często jego weryfikacja może być trudna lub niemożliwa, np. niemożliwym jest testowanie zmian klimatu i powtarzanie takiego testu kilkakrotnie, by uzyskać wiarygodne pomiary; sfera ważenia (wartościowania) charakteryzuje się subiektywnymi wyborami, obejmując ważenie kategorii wpływu, procesy wartościowania w procedurach alokacji czy wybór horyzontu czasowego podczas modelowania wpływu na środowisko (np. podejmuje się decyzję, czy potencjalne oddziaływanie metali ciężkich będzie analizowane w horyzoncie 100, 500-letnim lub w nieskończoności) [16, 19, 26]. Każdy etap metodyki Environmental LCA of Products stanowi swoistą całość. Wykorzystywane są w nich osiągnięcia wielu różnych nauk. Na etapie inwentaryzacji stosowana jest analiza systemowa. Podczas klasyfikacji wykorzystywane są badania nauk o środowisku, a w oszacowaniu nauki socjologiczne takie jak np. teorie decyzji. Podczas analizy możliwości poprawy korzysta się ze znajomości procesu technologicznego i matematyki [11, 26]. Model LCA winien stanowić część szerszej oceny, która będzie uwzględniać aspekty bezpieczeństwa konsumenta, środowiska, koszty oraz inne [Bartz, 1988]. Definicja celu to pierwsza część oceny globalnej. Określa ona rolę różnych ocen, będąc jednocześnie komponentem LCA. Ogólna ocena oraz jej składniki, również stanowią część LCA. Jest to etap, na którym nawzajem rozważane są różne aspekty. Jako oddzielną część wyróżniono zastosowanie. Jest ono pomocnym systemem podczas podejmowania decyzji zarówno przez producentów jak i użytkowników [15, 20]. Badania z zastosowaniem metody LCA wykonano przy użyciu modelu Ekowskaźnik 99 i oprogramowania SimaPro 7.1. Program SimaPro umożliwił ocenę szkodliwego oddziaływania na środowisko przyrodnicze elektrowni wiatrowej w ciągu jednego cyklu życia. Cykl życia ocenianej siłowni wiatrowej dzieli się na trzy fazy: produkcji, eksploatacji i zagospodarowania poużytkowego. W każdej fazie modelowo zdefiniowano ilość i rodzaj użytych materiałów, energii i zastosowanych procesów technologicznych. Na podstawie skonstruowanego w ten sposób modelu cyklu życia program, wykorzystując dołączone do niego bazy danych, obliczyłnegatywne oddziaływanie ilościowe na środowisko, w rozbiciu na poszczególne związki chemiczne. Oddziaływanie miało postać emisji substancji lub ich poboru ze środowiska naturalnego. Emisje i pobory pogrupowane były w cztery pola oddziaływania. Wśród emisji pola te stanowiło powietrze, woda i gleba, a wśród poborów surowce. Załą- 69

71 Izabela PIASECKA czone do programu bazy danych opracowały różne instytucje rządowe i naukowe, w takich krajach jak Niemcy, Szwajcaria, Dania, Holandia, Stany Zjednoczone i Kanada. Odnoszą się one do wymagań prawnych, technologii i praktyk gospodarczych stosowanych w krajach wysoko rozwiniętych [15]. Metoda Ekowskaźnik 99 znajduje ona zastosowanie do obliczania maksymalnych szkód środowiskowych, które mogą występować na terytorium Europy. Niektóre z procesów mających tam miejsce, wpływają również na sytuację globalną, dlatego uwzględniono je podczas obliczania strat. Zaliczane są do nich m.in. szkody spowodowane zubożeniem warstwy ozonowej i efektem cieplarnianym, emisje rakotwórczych substancji oraz zmiany, które występują w zasobach naturalnych (w skali globu). Ważne jest, że model cyklu życia sporządzony został w sferze technicznej, a wyniki przedstawione były na tablicy inwentaryzacyjnej. Została ona połączona z trzema kategoriami szkód, modelowanymi w sferze ekologicznej. Strefa wartościowania była wykorzystana do przypisania odpowiednich wag, w celu uzyskania miarodajnego wskaźnika [15, 17]. Kryteria szkodliwych oddziaływań elektrowni wiatrowej w opracowaniu obejmowały: związki wpływające na zmiany klimatu, związki promieniotwórcze, związki wpływające na zubożenie warstwy ozonowej, związki wykazujące ekotoksyczność, związki powodujące zakwaszenie i/lub eutrofizację, czynniki wpływające na użytkowanie gruntów, wydobycie minerałów i paliw kopalnych. Ocena wielkości negatywnych oddziaływań na środowisko w dużym stopniu zależy od poziomu wiedzy na ich temat, jednak duże różnice występują podczas oceny ich umiejscowienia i perspektywy czasowej. Uważa się, iż efekty długoterminowe odgrywają większą rolę aniżeli krótkoterminowe, jednak nie należy przyjmować, że długoterminowe problemy mogą zostać rozwiązane dzięki postępowi naukowo-technicznemu i nie powinny mieć dużego wpływu. Inne podejście zakłada rozważanie tylko tych efektów ekologicznych, które choćby częściowo oparte są na dostępnej bazie naukowej, w przeciwieństwie do poglądu, iż rozważane winny być wszystkie możliwe efekty bez wyjątku. Różnice te są fundamentalne i niezwykle trudne do pogodzenia, jednak problem spróbowano rozwiązać poprzez przyjęcie w metodyce Ekowskaźnika 99 jednego z trzech archetypów perspektywy czasowej: perspektywy egalitarnej (E) najdłuższa perspektywa czasu. Pod uwagę bierze się substancje, co do których istnieje jakakolwiek wskazówka mogąca dotyczyć ich wpływu. Przyjmując tę perspektywę, należy założyć, że szkody nie są możliwe do uniknięcia i prowadzą do katastrof; perspektywy hierarchicznej (H) perspektywa długoterminowa. Pod uwagę brane są substancje, w przypadku których istnieje konsensus odnośnie ich wpływu (perspektywa przyjęta na cele opracowania); perspektywy indywidualnej (I) perspektywa krótkoterminowa (poniżej 100 lat). Uwzględniane są w niej substancje, których wpływ na środowisko jest udokumentowany i udowodniony [17]. Granice systemu uwzględnione w niniejszym opracowaniu zostały zdefiniowane, jako granice w stosunku do natury oraz granice geograficzne. Dla granic w stosunku do natury, w LCA uwzględniany jest cały cykl życia elektrowni wiatrowej, od wydobycia surowców do momentu, w którym całkowicie straci on swoją użyteczność.konserwacja i zagospodarowanie poużytkowe znajdują się zatem w analizie, gdyż fazy te stanowią integralną części cyklu życia siłowni. Faza produkcji materiałów obejmowała wydobycie surowców, jak również 70

72 Badanie i ocena wpływu elektrowni wiatrowych dużej mocy na jakość środowiska przyrodniczego produkcję elementów, na które składa się przetwarzanie surowców w materiały pośrednie. Granicą geograficzną opracowania była Polska.Lokalizacja analizowanej elektrowni wiatrowej w kategoriach: niska, średnia lub wysoka prędkość wiatru wpływa na to, ile energii będzie wyprodukowanej w trakcie cyklu życia.w analizie wybrano lokalizację dla typowych warunków wietrznych w Polsce, co oznacza średnią prędkość. Średnia prędkość wiatru w Polsce została przyjęta na poziomie około 6,5 m/s (na wysokości m) [22]. Podczas analizy wpływów środowiskowych elektrowni wiatrowej uwzględniono warunki krajowe. W głównej mierze tyczy się to określania oddziaływań elektrycznych, dla których została przyjęta polska struktura wytwarzania energii elektrycznej, w której przeważają elektrownie opalane węglem kamiennym (58%) oraz węglem brunatnym (34%). Jednakże powiązania wielkości destrukcyjnych oddziaływań z ich skutkami, zostały osadzone w skali europejskiej. Spowodowane było to makroskopowym ujęciem ewentualnego udziału szkodliwych wpływów. Zaprezentowano wyłącznie wyniki z etapu grupowania i ważenia, którymi są współczynniki środowiskowe wyrażone w punktach środowiskowych [Pt], stanowiące zagregowane jednostki umożliwiające porównywanie wyników ekobilansów. Tysiąc punktów środowiskowych jest równe oddziaływaniu na otoczenie przeciętnego Europejczyka w czasie jednego roku. Poziom odcięcia dla wszystkich analiz wynosił 0,5%. 3. Wyniki i ich analiza Wyniki grupowania i ważenia następstw środowiskowych występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej, z uwzględnieniem kategorii wpływów, przedstawia tablica 1. Uwidoczniony został szczególnie wysoki poziom szkodliwego oddziaływania w kategorii procesów związanych z wydobyciem paliw kopalnych ( Pt), wydobyciem minerałów ( Pt), związków powodujących zmiany klimatu (9.140 Pt) oraz związków ekotoksycznych (6.860 Pt). Tablica 1. Wyniki grupowania i ważenia następstw środowiskowych występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej, z uwzględnieniem kategorii wpływów [badania własne] kategorie wpływów (oddziaływania środowiskowe) wartość [Pt] związki powodujące zmiany klimatu 9140 związki promieniotwórcze 266 związki powodujące zubożenie warstwy ozonowej 17,5 związki ekotoksyczne 6860 związki powodujące zakwaszenie/eutrofizację 2340 użytkowanie gruntów -851 wydobycie minerałów wydobycie minerałów wydobycie paliw kopalnych Na rysunku 1 zestawiono wyniki grupowania i ważenia następstw środowiskowych dla związków powodujących zmiany klimatu, występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej. Wyniki przeprowadzonych analiz uwidaczniają szczególnie wysoki poziom negatywnego oddziaływania na otoczenie obiektu technicznego dwutlenku węgla, kopalnego (4.890 Pt) oraz dwutlenku węgla (3.160 Pt). Niższym, ale także istotnym, poziomem szko- 71

73 Izabela PIASECKA dliwych wpływów charakteryzuje się w tej kategorii również metan, kopalny (399 Pt), metan (342 Pt), tlenek diazotu (259 Pt) i dwutlenek węgla, biogenny (105 Pt) Pt dwutlenek węgla, biogenny tlenek diazotu metan metan, kopalny dwutlenek węgla dwutlenek węgla, kopalny Rys. 1. Wyniki grupowania i ważenia następstw środowiskowych dla związków powodujących zmiany klimatu, występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej [badania własne] Wyniki grupowania i ważenia następstw środowiskowych dla związków promieniotwórczych, występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej przedstawiono na rysunku 2. Najwyższym poziomem szkodliwych oddziaływań wyróżniał się izotop radonu 222 Rn (191 Pt), średnim izotop węgla 14 C (48,1 Pt), a najniższym izotop cezu 137 Cs (7,29 Pt) Pt cez 137 węgiel 14 radon 222 Rys. 2. Wyniki grupowania i ważenia następstw środowiskowych dla związków promieniotwórczych, występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej [badania własne] Na rysunku 3. przedstawiono wyniki grupowania i ważenia następstw środowiskowych dla związków powodujących zubożenie warstwy ozonowej, występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej. Przeprowadzone analizy uwidoczniły istotnie wysoki szkodliwy wpływ tetrachlorometanu (11,1 Pt) oraz bromotrifluorometanu (4,89 Pt) w tej kategorii wpływów środowiskowych badanego obiektu technicznego. Bromochlorodifluorometan (0,669 Pt) i 1,2-dichloro-1,1,2,2-tetrafluoroetan (0,634 Pt) wykazywały znacząco niższe negatywne oddziaływanie na otoczenie. 72

74 Badanie i ocena wpływu elektrowni wiatrowych dużej mocy na jakość środowiska przyrodniczego 1,2-dichloro-1,1,2,2- tetrafluoroetan bromochlorodifluorometan bromotrifluorometan Pt tetrachlorometan Rys. 3. Wyniki grupowania i ważenia następstw środowiskowych dla związków powodujących zubożenie warstwy ozonowej, występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej [badania własne] Wyniki grupowania i ważenia następstw środowiskowych dla związków ekotoksycznych, występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej zostały zestawione na rysunku 4. Wyraźnie widocznym jest najwyższy poziom szkodliwego oddziaływania cynku (2.400 Pt) i niklu (2.240 Pt) oraz zdecydowanie niższy chromu (615 Pt) i ołowiu (607 Pt). Najniższą wielkość negatywnych wpływów na otoczenie w tej kategorii wyróżnia kadm (306 Pt), miedź (186 Pt), jony niklu (143 Pt) oraz jony miedzi (79,5 Pt). jony miedzi jony niklu miedź kadm ołów chrom Pt nikiel cynk Rys. 4. Wyniki grupowania i ważenia następstw środowiskowych dla związków ekotoksycznych, występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej [badania własne] Rysunek 5 przedstawia wyniki grupowania i ważenia następstw środowiskowych dla związków powodujących zakwaszenie/eutrofizację, występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej. Związkiem z tej kategorii wpływów, o największym stopniu negatywnego oddziaływania na otoczenie jest tlenek azotu (1.360 Pt). Niższym, ale również istotnym poziomem szkodliwego wpływu charakteryzuje się dwutlenek siarki (481 Pt), tlenek siarki (254 Pt), amoniak (127 Pt) oraz siarczany (110 Pt). 73

75 Izabela PIASECKA siarczany amoniak tlenek siarki dwutlenek siarki tlenek azotu Pt Rys. 5. Wyniki grupowania i ważenia następstw środowiskowych dla związków powodujących zakwaszenie/eutrofizację, występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej [badania własne] Wyniki grupowania i ważenia następstw środowiskowych dla procesów związanych z użytkowaniem gruntów, występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej, zobrazowano na rysunku 6. Szczególnie widocznym był bardzo wysoki poziom negatywnych wpływów w tej kategorii w postaci przekształcenia gruntów w obszar wydobycia surowców mineralnych ( Pt). Istotnie niższym stopniem szkodliwych oddziaływań charakteryzowało się zajęcie gruntów przez obszar wydobycia surowców mineralnych (800 Pt), użytkowanie gruntów II-III klasy (454 Pt), zajęcie obszarów leśnych (253 Pt) oraz przekształcenie obszarów z roślinnością nienawadnianą (208 Pt) Pt użytkowanie gruntów II-IV zajęcie przez teren zabudowany zajęcie siedlisk zwierzęcych przekształcenie obszarów z roślinnością nienawadnianą zajęcie obszarów leśnych użytkowanie gruntów II-III zajęcie przez obszar wydobycia surowców mineralnych przekszałcenie w obszar wydobycia surowców mineralnych Rys. 6. Wyniki grupowania i ważenia następstw środowiskowych dla procesów związanych z użytkowaniem gruntów, występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej [badania własne] Wyniki grupowania i ważenia następstw środowiskowych dla procesów związanych z wydobyciem minerałów, występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej, zestawiono na rysunku 7. Przeprowadzone badania wykazały niezwykle wysoki szkodliwy wpływ 74

76 Badanie i ocena wpływu elektrowni wiatrowych dużej mocy na jakość środowiska przyrodniczego na otoczenie obiektu technicznego, procesów związanych z wydobyciem miedzi kopalnej (9.980 Pt) oraz mniej istotny procesów związanych z wydobyciem niklu z 1,98% w krzemianach (646 Pt), żelaza kopalnego (479 Pt), miedzi z 2,19% w siarczkach (310 Pt) oraz miedzi w 1,18% w siarczkach (234 Pt). miedź, 1.18% w siarczkach miedź, 2.19% w siarczkach żelazo, kopalne nikiel, 1.98% w krzemianach miedź, kopalna Pt Rys. 7. Wyniki normalizacji następstw środowiskowych dla procesów związanych z wydobyciem minerałów, występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej [badania własne] Na rysunku 8 przedstawiono wyniki grupowania i ważenia następstw środowiskowych dla procesów związanych z wydobyciem paliw kopalnych, występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej Vestas V100. Najwyższy poziom negatywnych wpływów odnotowano wśród procesów związanych z wydobyciem ropy naftowej kopalnej ( Pt) oraz gazu ziemnego kopalnego ( Pt). Niższym szkodliwym oddziaływaniem na otoczenie analizowanego obiektu technicznego wyróżniały się procesy związane z wydobyciem ropy naftowej 42,6 MJ/kg (4.850 Pt), gazu ziemnego 35 MJ/m 3 (1.950 Pt), węgla 18 MJ/kg (1.450 Pt) oraz węgla kopalnego (788 Pt) Pt węgiel, kopalny węgiel, 18 MJ/kg,kopalny gaz ziemny, 35 MJ/m 3, kopalny ropa naftowa, 42.6 MJ/kg, kopalna gaz ziemny, kopalny ropa naftowa, kopalna Rys. 8. Wyniki normalizacji następstw środowiskowych dla procesów związanych z wydobyciem paliw kopalnych, występujących w cyklu istnienia elektrowni wiatrowej [badania własne] 75

77 Izabela PIASECKA 4. Wnioski Cel opracowania został zrealizowany poprzez badanie i ocenę wpływu elektrowni wiatrowej dużej mocy na jakość środowiska przyrodniczego. Wśród związków powodujących zmiany klimatu, widocznym był szczególnie wysoki poziom negatywnego oddziaływania dwutlenku węgla kopalnego oraz dwutlenku węgla. Niższym, ale także istotnym, poziomem szkodliwych wpływów charakteryzował się metan kopalny, metan, tlenek diazotu i dwutlenek węgla biogenny (rys. 1). Najwyższym poziomem szkodliwych oddziaływań dla związków promieniotwórczych cechował się izotop radonu 222 Rn, średnim izotop węgla 14 C, a najniższym izotop cezu 137 Cs (rys. 2). Przeprowadzone analizy uwidoczniły istotnie wysoki szkodliwy wpływ tetrachlorometanu oraz bromotrifluorometanu w kategorii związków powodujących zubożenie warstwy ozonowej (rys. 3). Dla związków ekotoksycznych wyraźnie widocznym był wysoki poziom szkodliwego oddziaływania cynku i niklu oraz dużo niższy chromu i ołowiu. Najniższą wielkość negatywnych wpływów na otoczenie w tej kategorii charakteryzował kadm, miedź, jony niklu oraz jony miedzi (rys. 4). Substancją z kategorii związków powodujących zakwaszenie/eutrofizację, charakteryzującą się największym stopniem negatywnego oddziaływania na otoczenie był tlenek azotu. Niższym, ale również istotnym poziomem szkodliwego wpływu cechował się dwutlenek siarki, tlenek siarki, amoniak oraz siarczany (rys. 5). Podczas analizy procesów związanych z użytkowaniem gruntów szczególnie widocznym był bardzo wysoki poziom negatywnych wpływów w postaci przekształcenia gruntów w obszar wydobycia surowców mineralnych. Znacznie niższym stopniem szkodliwych oddziaływań charakteryzowało się zajęcie gruntów przez obszar wydobycia surowców mineralnych, użytkowanie gruntów II-III klasy, zajęcie obszarów leśnych oraz przekształcenie obszarów z roślinnością nienawadnianą (rys. 6). Przeprowadzone analizy procesów związanych z wydobyciem minerałów wykazały szczególnie wysoki szkodliwy wpływ na otoczenie procesów związanych z wydobyciem miedzi kopalnej oraz istotny procesów związanych z wydobyciem niklu z 1,98% w krzemianach, żelaza kopalnego, miedzi z 2,19% w siarczkach oraz miedzi w 1,18% w siarczkach (rys. 7). Najwyższy poziom szkodliwych oddziaływań dla procesów związanych z wydobyciem paliw kopalnych charakteryzuje procesy związane z wydobyciem ropy naftowej kopalnej oraz gazu ziemnego kopalnego (rys. 8). Zakończenie Do niedawna panowała powszechna opinia, iż zasoby energii są nieograniczone i można z nich swobodnie korzystać. Rewolucja przemysłowa doprowadziła jednak do nagłego wzrostu wykorzystania paliw kopalnych, obfitując w rabunkową eksploatację zasobów naturalnych i stosowanie urządzeń do produkcji energii o wyjątkowo małej sprawności. Kryzys paliwowy uświadomił jednak ludzkości problem wyczerpywania się zasobów źródeł kopalnych. Zapotrzebowanie na surowce energetyczne stale wzrasta, co powoduje stały wzrost kosztów ich uzyskania. Pojawienie się perspektywy deficytu energetycznego wymusza poszukiwanie substytutów surowców kopalnych. Jedyną obecnie alternatywą wydają się być odnawialne źródła energii, których zasoby są praktycznie nieograniczone. Niestety ich potencjał jest w dużej mierze rozproszony, a wykorzystanie związane jest z koniecznością pewnej koncentracji, co powoduje zwiększone nakłady inwestycyjne. Na skutek pojawiających 76

78 Badanie i ocena wpływu elektrowni wiatrowych dużej mocy na jakość środowiska przyrodniczego się problemów środowiskowych i ciągłego wzrostu cen nośników energii, zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii stopniowo wzrasta [23]. LCA (Life Cycle Assessment), czyli ocena cyklu życia, to technika z zakresu procesów zarządczych, która ma na celu ocenę potencjalnych zagrożeń środowiska. Istotą metody jest nastawienie nie tylko na ocenę wyniku końcowego danego procesu/procesów technologicznych, ale również oszacowanie i ocena konsekwencji dla środowiska przyrodniczego. LCA stanowi zatem proces oceny efektów, jaki tworzywa, materiały i elementy elektrowni wiatrowej wywierają na środowisko podczas całego życia, poprzez wzrost efektywnego zużycia zasobów i zmniejszenie obciążeń środowiska. LCA stanowi swoistą analizę od kołyski do grobu. Jej podstawowe elementy stanowi zidentyfikowanie i ocena ilościowa obciążeń wprowadzanych do środowiska (zużyte materiały i energia, emisje i odpady wprowadzane do środowiska), ocena potencjalnych wpływów obciążeń oraz oszacowanie dostępnych opcji w celu minimalizacji szkodliwych wpływów. Prowadzenie analiz i badań z wykorzystaniem techniki LCA stanowi trudne i czasochłonne zadanie, ze względu na złożoność procedur oraz konieczność zebrania niezwykle dużej liczby aktualnych danych. Stosowanie tej techniki jest rekomendowane w dokumentach i najnowszych strategiach Unii Europejskiej mających na celu polepszenie środowiskowej efektywności ekonomicznej produktów i procesów oraz promujących zasady zrównoważonego rozwoju [16]. Bibliografia [1] ACKERMAN T., SÖDER L., 2000: Wind energy technology and current status: a review, Renewable & Sustainable Energy Reviews, no. 4. [2] ALBERTS H., 2009: Recycling of wind turbine rotor blades fact or fiction?, Dewi Magazin, no 34, vol. 2. [3] ANDRZEJ Z., SZORGUT J., 1995: Podstawy gospodarki energetycznej, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice. [4] BAJDUR W.M., MIEDZIŃSKA M., 2005: Ocena cyklu życia (LCA) a ocena oddziaływania na środowisku w zarządzaniu gospodarką odpadami. Instrumenty zarządzania ochroną środowiska, AGH, Kraków. [5] BARBIROLI G, RAGGI A., 2003: A method for evaluating the overall technical and economic performance of environment al innovations in production cycles, Journal of Cleaner Production, vol. 11. [6] BOCZAR T., 2008: Energetyka wiatrowa. Aktualne możliwości wykorzystania, Wydawnictwo Dom Wydawniczy Medium, Warszawa. [7] BRUNNER S., 1998: Panel methods and theirapplication for weighing in LCA. UNS Working Paper for the Project Environmental Prioritising within the Framework of the Swiss Priority Pmgramme Emironment, ETH, Zurich. [8] DOBRZAŃSKA B., DOBRZAŃSKI G., KIEŁCZEWSKI D., 2008: Ochrona środowiska przyrodniczego, Wydawnictwo PWN, Warszawa. [9] DURAIRAJ S.K., 2002: Evoluation of Life Cycle Cost Analysis Methodologies. Corporate Environmental Strategy, Elsevier, vol. 9, no. l. [10] FRY C., 2008: Świat. Największe wyzwania ekologiczne. Największe wyzwania, przed jakimi stoi świat w XXI wieku, Wydawnictwo Elipsa, Poznań. [11] GUINEE J.B., HEIJUNHS R., 1993: Environmentalcycle assessment, a manual. Commissioned by NOH National Reuse of Waste Research Programm witch collaboration with CML, Leiden, The Netherlands. [12] HRYNKIEWICZ A., 2002: Energia. Wyzwanie XXI wieku, Kraków. [13] JABŁOŃSKI W., WNUK J., 2009: Zarządzanie odnawialnymi źródłami energii, Oficyna Wydawnicza Humanitas, Sosnowiec. [14] JONCAS S., 2010: Thermoplastic composite wind turbine blades. An integrated design approach, Ipskamp Drukkers, Amsterdam. [15] KŁOS Z., 1998: Środowiskowa ocena maszyn i urządzeń, Wydawnictwa Politechniki Poznańskiej, Poznań. 77

79 Izabela PIASECKA [16] KOWALSKI Z., KULCZYCKA J., GÓRALCZYK M., 2007: Ekologiczna ocena cyklu życia procesów wytwórczych (LCA), Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. [17] KULCZYCKA J., 2001: Ekologiczna ocena cyklu życia (LCA) nową techniką zarządzania środowiskowego, Wydawnictwo IGSMiE PAN, Kraków. [18] LEWANDOWSKA A., 2006: LCA. Środowiskowa ocena cyklu życia produktu na przykładzie wybranych typów pomp przemysłowych, Wydawnictwo AE, Poznań. [19] LINDEIJER E., 2000: Biodiversity and life support impacts of land use in LCA, Journal of Cleaner Production, vol. 8. [20] PEDERSEN W. B., SUHR W.M., 1996: Data quality management for life cycle inventories an example of using data quality indicators, Joumal of Cleaner Pmduction, vol. 4, no [21] postcarbon.pl (wejście: ) [22] RUDNICKI M.S., 2004: Budowa małych elektrowni wiatrowych, Oficyna Wydawnicza OKP ZCE w Szczecinie, Szczecin. [23] SITARZ S., 2005: Projekt hybrydowej elektrowni słoneczno-wiatrowej, Mechanics, vol. 24, no. 3. [24] TOFFLER A., 2009: Trzecia fala, Wydawnictwo Kurpisz S.A. Poznań. [25] VEERS P.S., ASHWILL T.D., SUTHERLAND H.J., LAIRD D.L., LOBITZ D.W.,. GRIFFIN D.A, MAN- DELL J.F., MUSIAL W.D., JACKSON K., ZUTECK M.D., MIRAVETE A., TSAI S.W., RICHMOND J.L., 2003: Trends in the design, manufacture and evaluation of wind turbineblades, Wind Energy, vol. 6, no. 3. [26] WENZEL H., HAUSCHILD M., ALTING L., 1997: Emironmental Assessment of Products. Vol. l. Methodology, tools and case studies in product development, Chapman and Hali. [27] wtrg.com (wejście: ) [28] ZHAO L., FENG L., HALL CH.A.S., 2009: Is peakoilism coming? Energy Policy, no. 37. TESTING AND ASSESSMENT OF THE IMPACT OF HIGH POWER WIND TURBINES ON THE QUALITY OF THE NATURAL ENVIRONMENT Abstract: The paper contains impact analysis of the phases of the life cycle of wind energy processors on the environment. On this basis, the study also includes research and assess the impact of a exemplary wind power plant with high power on the quality of the natural environment, using the SimaPro 7.1 software, LCA methods and modeling using Eco-indicator 99. Keywords: Eco-indicator 99, wind power plant, Life Cycle Assessment (LCA), renewable sources of energy, SimaPro 78

80 IX EKO- URO-ENERGIA Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii Izabela PIASECKA 8, Weronika KRUSZELNICKA 9, Robert KASNER 10 Możliwości zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów instalacji energetyki wiatrowej Abstrakt: Praca zawiera przegląd najważniejszych możliwości zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów instalacji wiatrowych procesorów energii. Przyjrzano się bliżej problematyce składowania na wysypisku odpadów, spalania, recyklingu mechanicznego i surowcowego, z uwzględnieniem przykładowych procesów dla wybranych tworzyw i materiałów. Słowa kluczowe: elektrownia wiatrowa, recykling, spalanie, zagospodarowanie poużytkowe Wprowadzenie Materiały używane w technice zwykle dzielone są na trzy główne grupy: metale, tworzywa polimerowe i tworzywa ceramiczne. Na początku ery industrialnej nastąpił silny przyrost produkcji we wszystkich tych grupach. Jej wielkość ustabilizowała się dopiero pod koniec ubiegłego wieku. Cel procesu produkcyjnego stanowi zaspokajanie ludzkich potrzeb, jest to zatem proces nieodwracalny, a zasoby naturalne, z których się korzysta, ulegają bezwzględnemu wyczerpywaniu. Wyjście z tej sytuacji upatrywane jest w naśladowaniu przez ludzi zjawisk zachodzących w przyrodzie, ponieważ tam jedna forma materii zostaje przekształcona w inną. Z powyższych powodów, recykling i wszelkie procesy z nim związane zostały uznane za swoiste remedium, zarówno na stopniowe wyczerpywanie się zasobów naturalnych, jak i zwiększające się zanieczyszczenie środowiska [16]. Recykling stanowi działalność człowieka, sprawiającą, iż przedmioty przez niego stworzone (które utraciły swą wartość użytkową), przetwarzane są na materiały użyteczne, w celu wytworzenia (podobnych lub innych) potrzebnych przedmiotów. Działalność ta zmniejsza koszty wytwarzania, zużycie energii, pozwala na uniknięcie lub ograniczenie produkcji odpadów, oszczędzanie naturalnych zasobów Ziemi, czyli swoiste oszczędzanie środowiska. Recykling jest również działalnością mającą na celu utylizację szkodliwych dla ludzi i środowiska odpadów, powstających w procesach wytwórczych [15, 16]. Metalami najczęściej stosowanymi do produkcji elektrowni wiatrowych są: aluminium, miedź, stal, żeliwo oraz metale ziem rzadkich. Wśród tworzyw polimerowych są to z kolei: 8 Koło Naukowe Inżynierii Odnawialnych Źródeł Energii, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Bydgoszcz, Al. Prof. S. Kaliskiego 7, piasecka-izabela@wp.pl 9 Koło Naukowe Inżynierii Odnawialnych Źródeł Energii, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Bydgoszcz, Al. Prof. S. Kaliskiego 7, weronika.kruszelnicka@ gmail.com 10 Arkady sp. z o.o., ul. Świętokrzyska 22, Inowrocław, robert.kasner@gmail.com 79

81 Izabela PIASECKA, Weronika KRUSZELNICKA, Robert KASNER PET, PVC, PET, poliakryl, poliester, nylon, żywica epoksydowa, włókna szklane i węglowe. Jednym z kluczowych czynników wymuszających recykling materiałów, jest wzrastająca liczba ludności na świecie. W roku 1930 na Ziemi żyło około 2 miliardy ludzi. Do roku 1975 liczba ta uległa podwojeniu. Obecnie żyje około 7 miliardów ludzi. Konsumpcja materiałów i energii wzrasta szybciej aniżeli liczba ludności. Dzieje się tak, ze względu na szybki wzrost stopy życiowej w krajach takich jak Chiny, Brazylia czy Indie. Jeżeli nie zostanie zastosowany recykling metali, a ich konsumpcja pozostanie na obecnym poziomie, to zasoby niektórych z nich zostaną wyczerpane w bardzo krótkim czasie (np. miedzi za 55, żelaza za 190, aluminium za 375 lat) [16]. Wiedza o tym, iż niezbędna jest konieczność spowolnienia wyczerpywania się naturalnych zasobów Ziemi oraz większa świadomość ekologiczna społeczeństw, wyraża się przez wprowadzanie odpowiedniego ustawodawstwa i wysiłki mające na celu opracowanie optymalnych technologii przerobu odpadów BAT (Best Available Technology). Coraz większa ilość środków pieniężnych przeznaczana jest na utylizację i przerób odpadów [7]. Zużycie energii rośnie jeszcze szybciej aniżeli zużycie tworzyw i materiałów. Ogólnoświatowe zapotrzebowanie na energię wzrasta w przybliżeniu o 2% w skali roku. Prawdopodobnie jej zużycie ulegnie podwojeniu w ciągu najbliższych lat. Około 90% zużywanej energii pochodzi z procesów spalania węgla oraz produktów wytwarzanych z ropy naftowej. Pogłębia to efekt cieplarniany związany z emisją CO 2 do atmosfery. Obok pozyskiwania miedzi, do najbardziej energochłonnych procesów metalurgicznych zaliczyć można otrzymywanie aluminium, wykazujące bardzo dużą dynamikę wzrostową. Przykładowo, na wyprodukowanie jednej tony potrzeba około 170 GJ energii pierwotnej. Przy założeniu, że cała niezbędna energia pochodzi ze spalania węgla, wiąże się to z emisją do atmosfery około (16-17) ton CO 2, dlatego produkcja aluminium zazwyczaj jest lokowana w miejscach, gdzie istnieje dostęp do energii generowanej w elektrowniach wodnych lub atomowych. Z jego produkcją wiąże się również powstawanie dodatkowych 3 ton czerwonego szlamu przypadającego na każdą tonę aluminium zawartego w Al 2 O 3 oraz 10 ton odpadów skalnych, powstających podczas wydobycia boksytów. Czerwony szlam stanowi źródło wielu cennych metali, jednak istniejące dotychczas metody odzysku nie spełniają kryteriów ekonomicznych. Na etapie elektrolizy Al 2 O 3, podczas produkcji aluminium, powstają również takie odpady, jak szkodliwe fluorki węgla (CF 4 i C 2 F 6 ). Podczas wykorzystania aluminium pochodzącego ze złomów, zużycie energii pierwotnej jest niespełna 13 razy mniejsze (13,1 GJ/t Al). Przy analogicznych założeniach, ilość CO 2 wyemitowanego do atmosfery wynosi tu około 1,3 tony. Recykling aluminium ma zatem nie tylko ekonomiczne uzasadnienie, ale także zmniejsza prawie 13-krotnie emisję dwutlenku węgla [7]. Zgodnie z powyższym, za cel opracowania przyjęto analizę możliwości zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów instalacji wiatrowych procesorów energii. 1. Składowanie na wysypisku odpadów Składowanie tworzyw, materiałów i elementów elektrowni wiatrowych stanowi opcję najtańszą, jednak w większości krajów świata stawia się za cel zmniejszenie ilości składowanych odpadów, a w przyszłości magazynowanie tak dużych ilości materiału będzie wręcz nie do przyjęcia. W ostatnich latach coraz większego znaczenia nabiera problem gromadzenia przez nowoczesne społeczeństwa odpadów stałych. Dzieje się tak dlatego, iż równocześnie ze stale rosnącą ilością odpadów, jednocześnie maleje powierzchnia dostępna do zakopy- 80

82 Możliwości zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów instalacji energetyki wiatrowej wania i składowania śmieci. W związku z tym, czynnikiem decydującym o stopniu rozwoju współczesnych społeczeństw stała się obok ekonomii ekologia. Podczas oddziaływania czynników atmosferycznych na elementy siłowni wiatrowych składowanych na wysypisku odpadów, może dojść do szkodliwych oddziaływań, związanych ze zmianami w strukturze materiałów i tworzyw, z których są zbudowane. Problem stanowią tworzywa sztuczne, które w czasie biodegradacji uwalniają toksyczne substancje, istnieje ryzyko ich przeniknięcia do gleby i wód gruntowych. Nowoczesne składowiska wyposażone są jednak w specjalne folie zapobiegające infiltracji w głąb ziemi. Na rysunku 1. przedstawiono schemat budowy przykładowego składowiska odpadów. Oprócz zanieczyszczeń gleby lotne związki takie jak: estry kwasów karboksylowych, aldehydy, alkohole, siarczki dimetylu, pochodne benzenu i chlorobenzenu a także fenoli, towarzyszące rozkładowi materiałów mogą przedostawać się do atmosfery [1, 5, 15]. [1]. Rys. 1. Schemat budowy składowiska odpadów [26] 2. Spalanie z odzyskiem energii Łopaty siłowni wiatrowej, osłona piasty oraz elementy gondoli są wykonane w dużej mierze z materiałów kompozytowych i mogą być spalane jako źródło energii, ze względu na ich wartość opałową, a ciepło ze spalania wykorzystane w innych procesach technologicznych. Rysunek 2, ilustruje sposoby odzysku energii podczas spalania oraz rodzaje energii możliwej do pozyskania. Spalanie może prowadzić do tworzenia niebezpiecznych produktów ubocznych, a około 60% materiału po spaleniu pozostaje jako złom, który będzie musiał być usuwany na składowisko odpadów lub poddany recyklingowi jako np. wypełniacz w materiałach budowlanych. Większość żywic ma wartość opałową ok kj/kg. Wartość opałowa materiałów kompozytowych zależy głównie od składu polimerów. Wynika to z faktu, że większość materiału włóknistego wypełniacza jest niepalna. Niektóre materiały wypełniające posiadają właściwości pochłaniania energii, takie jak np. trójwodny tlenek glinu, który pochłania 100 kj/kg podczas ogrzewania. Pozostałe resztki po składnikach polimerów, które zostały spalone, mogą być wykorzystane m.in. do produkcji cementu [9, 14, 15, 25]. Palenie się polimerów ma dwuetapowy przebieg. Na początku następuje zapalenie. Źródło ciepła powoduje tak duży wzrost temperatury tworzywa, iż zaczynają pękać w nim wiązania. Powstają wtedy produkty spalania charakteryzujące się małą masą molową. Prze- 81

83 Izabela PIASECKA, Weronika KRUSZELNICKA, Robert KASNER nikają one przez polimer i przechodzą do fazy gazowej. Ulegają tam utlenieniu, czyli spalają się. Utlenianie w fazie gazowej stanowi drugi etap procesu. Ciepło wytworzone w procesie powraca do polimeru, powodując dalszy rozkład jego cząsteczek. Tworzą się wtedy nowe ilości lotnych substancji, stanowiące paliwo spalania. Dla bardzo wielu polimerów cykl ten jest samowystarczalny. Trwa on tak długo, jak długo polimer wytwarza produkty lotne. Podczas ogrzewania, tworzywa termoutwardzalne nie topią się, choć zachodzić w nich może dalsze sieciowanie. Tego typu dodatkowe usieciowanie utrudnia przechodzenie produktów degradacji w postaci lotnej, przez matrycę polimeru. Strefa palenia przestaje być zasilana nowym paliwem, z tego powodu termoutwardzalne tworzywa są dość trudno palne. Z kolei tworzywa termoplastyczne topią się podczas ogrzewania. Sprzyja to przechodzeniu składników lotnych przez tworzywo. Strefa spalania jest z łatwością zasilana przez paliwo, przez co większość tworzyw termoplastycznych, bez odpowiedniej obróbki, jest łatwopalna [18]. [2]. Rys. 2. Sposoby odzysku energii z tworzyw sztucznych podczas spalania [27] Nawet te polimery, które składają się tylko z węgla, wodoru i tlenu, nie ulegają całkowitemu spaleniu. Wydzielają one duże ilości dymu i zostawiają stałą, zwęgloną masę. Ilość dymu oraz zwęglonej masy zmienia się w szerokich granicach i zależna jest od warunków spalania oraz rodzaju tworzywa. Dym stanowi wieloskładnikową mieszaninę stałych i ciekłych węglowodorów, cząstek węgla, substancji organicznych zawierających tlen oraz kropelek wody. Zwęglona masa z kolei jest kruchym ciałem stałym charakteryzującym się zmiennym składem, jednak zawsze o bardzo dużej zawartości węgla. Większość polimerów w trakcie ogrzewania podlega depolimeryzacji. Jednak zupełnie inaczej zachowuje się poli(chlorek winylu). W procesie autokatalitycznym z łatwością jest odczepiany HCl (wzdłuż łańcucha głównego). Powstaje w ten sposób silnie sprzężona struktura. Odczepiony HCl jest niepalny [18]. 82

84 Możliwości zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów instalacji energetyki wiatrowej Samo zanieczyszczenie powietrza, ma wpływ zarówno na zdrowie człowieka (choroby układu oddechowego, związki rakotwórcze, itp.), jakość ekosystemu (związki ekotoksyczne, związki powodujące zakwaszenie lub eutrofizację, itp.) oraz jakość infrastruktury technicznej (niszczenie materiałów budowlanych, korozja, itp.) i przejawia się przede wszystkim poprzez wzrost zawartości HCl, NO x, SO x, CO, CO 2 oraz związków organicznych. Powstają one w wyniku spalania oraz przetwórstwa i mają znaczenie dla zachowania równowagi w przyrodzie. W trakcie spalania tworzyw kompozytowych powstają również inne toksyczne związki nieorganiczne i organiczne, np. F 2, CF 2, H 2 S, HF, HCN. Podczas spalania chlorowanych polimerów i polimerów z dodatkami zawierającymi chlorowce tworzą się furany i dioksyny. Dioksyny stanowią bardzo toksyczne związki o działaniu rakotwórczym. Najnowocześniejsze technologie stosowane podczas spalania odpadów umożliwiły jednak zmniejszenie emisji składników niebezpiecznych do atmosfery szczególną rolę odegrały tu urządzenia oczyszczające. Po spaleniu tworzyw polimerowych powstają jednak toksyczne popioły i żużle, które wymagają bezpiecznego deponowania. W trakcie samego procesu spalania ma się również do czynienia z emisjami hałasu, drgań, wibracji, ciepła i przykrych zapachów, które zwiększają poziom szkodliwości całego procesu [1, 15]. 3. Recykling mechaniczny Metoda mechanicznego recyklingu kompozytów polimerowych elementów wiatrowych procesorów energii nie jest skomplikowana i może zostać opisana w systemie trzech kroków. Rysunek 3 przedstawia schemat postępowania z materiałami w przypadku recyklingu mechanicznego. W pierwszym kroku duże elementy (np. łopaty) są usuwane z obiektu i cięte na miejscu na mniejsze fragmenty, w celu ułatwienia transportu. Krok drugi to kruszenie (rozdrabnianie) zmniejszające wielkość elementów do 10 mm, a nawet do mniej niż 50 µm. Proces ten powoduje wygniatanie żywicy z włókien. Ostatnim krokiem jest metoda klasyfikacji, której używa się do oddzielania większych elementów z recyklingu (włókien) od drobniejszych ziaren, które składają się z wypełniacza i materiału polimerowego. Po recyklingu mechanicznym elementy drobnej wielkości (polimery, materiał wypełniający) mogą być stosowane jako substytut materiału wypełniającego do innego zastosowania. Do korzyści tego rodzaju recyklingu można zaliczyć fakt, iż gęstość powstałych elementów jest znacznie niższa niż większości typowych materiałów wypełniających, a gdy 10% materiału wypełniającego otrzymuje się z recyklingu, jego masa może zmniejszyć się nawet o 5%. Dodanie materiału pochodzącego z recyklingu, jako substytutu materiału wypełniającego powoduje zmniejszenie jego właściwości mechanicznych, ponieważ podczas recyklingu pochłaniane jest więcej żywicy (materiału matrycy) niż większości materiałów dodatkowych, co prowadzi do wzrostu lepkości formy. W przypadku takiego zagospodarowania poużytkowego, główne szkodliwe oddziaływania stanowią emisje pyłów, drgań, wibracji i hałasu [4, 9, 14, 19]. Przed rozpoczęciem recyklingu mechanicznego metali niezbędna jest ich segregacja. Do tego celu używane są m.in. separatory elektromagnetyczne, elektrostatyczne, magnetyczne oraz indukowane, czyli wirowo-prądowe. Recykling mechaniczny, czyli innymi słowy rozdrabnianie materiałów metalowych stanowi pierwszy krok na drodze ich odzysku. Oczywiście prawdą jest, iż odpady nie mogą być ponownie używane w nieskończoność, z zachowaniem ich stałej jakości. Mogą jednak nadal stanowić wartościową bazę dla nowych produktów. W trakcie redukcji objętościowej metali pierwszym, podstawowym krokiem na 83

85 Izabela PIASECKA, Weronika KRUSZELNICKA, Robert KASNER drodze do nowego produktu, jest ich rozdrabnianie. Zredukowane objętościowo materiały są łatwiejsze w przeładunku, zmniejszają się koszty ich transportu i późniejszego składowania. Redukcja objętościowa pozwala na zaoszczędzanie ograniczonej powierzchni składowisk odpadów. Przebieg procesu, jest analogiczny, jak przedstawiony wyżej dla tworzyw polimerowych [17]. Wstępna segregacja Rozdrabnianie Klasyfikacja rozdrobnionego materiału Rys. 3. Schemat działań w recyklingu mechanicznym [opracowanie własne] Wśród metod poużytkowego zagospodarowania elementów betonowych i żelbetowych stosowanych w wieżach i fundamentach elektrowni wiatrowych można wyróżnić składowanie ich na wysypiskach odpadów oraz recykling mechaniczny. Tak jak w przypadku tworzyw polimerowych oraz materiałów metalowych, składowanie betonu na wysypiskach jest szczególnie niekorzystnym zjawiskiem w odniesieniu do środowiska naturalnego, przede wszystkim ze względu na stale zmniejszającą się powierzchnię obszarów nadających się do tego celu. Obecnie rosnącą popularnością cieszy się przetwarzanie i ponowne wykorzystywanie gruzu betonowego oraz żelbetowego do pełnowartościowego materiału budowlanego, określanego mianem kruszywa recyklingowego. Kruszywo, które jest otrzymywane w wyniku recyklingu stanowi dobry substytut surowców naturalnych, takich jak wapień, żwir czy piasek. W przypadku żelbetu, podczas kruszenia separuje się zbrojenie i inne części metalowe. Odpad nadmiernie zanieczyszczony ziemią, przed procesem kruszenia jest wstępnie odsiewany z nadmiaru piasku. Korzystne rozwiązanie stanowi stosowanie mobilnych urządzeń do przeróbki odpadów bezpośrednio na placu budowy. Istnieją przewoźne stacje kruszące, które wyposażone są w kruszarki szczękowe albo kruszarki stożkowe, a także podajnik wibracyjny, przesiewacz, taśmociągi odbierające i separator magnetyczny. Opcjonalny osprzęt może stanowić młot hydrauliczny, którego zadaniem jest rozbijanie nadgabarytów na podawaczu oraz w komorze kruszenia kruszarki. Kruszywo z recyklingu ma zastosowanie podczas wypełniania fundamentów, sypania wałów, wymiany, stabilizacji lub wzmocnienia gruntów pod budynkami, warstw asfaltowych, uszczelniających, przeciwmrozowych, nośnych, utwardzania chodników, placów, parkingów, budowy dróg lokalnych i leśnych oraz do podbudowy infrastruktury drogowej [17]. 84

86 Możliwości zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów instalacji energetyki wiatrowej Jako urządzenia do rozdrabniania stosuje się przede wszystkim kruszarki walcowe, szczękowe i udarowe. W kruszarkach udarowych rozdrabnianie materiału zachodzi w wyniku uderzeń o płyty odbojowe i listwy udarowe usytuowane na szybkoobrotowym wirniku. Ich zaletą jest możliwość stosowania jako urządzeń samodzielnych, w instalacjach przewoźnych oraz stacjonarnych. W przypadku kruszarek szczękowych rozdrabnianie zachodzi w wyniku nacisku pomiędzy ruchomą i stałą szczęką. Kruszarki szczękowe i walcowe używane są jako urządzenia do rozdrabniania wstępnego w instalacjach przetwarzania dwustopniowego. Jako drugi stopień stosuje się kruszarkę udarową. Kruszarki udarowe używa się jako jedyny stopień rozdrabniania w instalacjach przewoźnych. W kruszarkach udarowych z walcem poziomym, odpady do nich dostarczone rozdrabniane są w wyniku uderzania oraz nacisku. Transporter łańcuchowy podaje przerobiony materiał na walce [3]. Do podziału materiału wsadowego na poszczególne grupy uziarnienia i tu służy klasyfikacja. Wyróżnić w niej można przesiewanie wstępne i końcowe. Przesiewacz wstępny powinien posiadać masywną konstrukcję, ponieważ rozdrobniony materiał budowlany często jest na niego podawany wprost z ładowarki. Do segregacji wstępnej stosuje się sita rusztowe, formy rusztowe, sita do materiałów ciężkich lub ruszty rolkowe. Klasyfikacja końcowa prowadzona jest głównie wyłącznie przy użyciu sit wibracyjnych, które składać się mogą nawet z trzech sit o różnych wymiarach oczek. Segregacja w specjalnych urządzeniach do recyklingu obejmuje zarówno najprostsze formy ręcznej segregacji, jak i usuwanie składników obcych przy użyciu separatora magnetycznego. Podwyższeniu jakości produktu służą sposoby oczyszczania i segregacji na sucho (w strumieniu powietrza, z wykorzystaniem klasyfikacji aerodynamicznej) lub na mokro (w zbiorniku wodnym, z wykorzystaniem zasady wyporu cieczy) [13]. 4. Recykling surowcowy Piroliza jest formą recyklingu termicznego koncentrującą się na odzyskiwaniu energii zawartej w polimerze. Przetwarzanie metodą pirolizy zachodzi wtedy, gdy materiał palny jest podgrzewany do temperatury ok. 500 C bez dostępu tlenu, powodując że polimery rozkładają się na lżejsze substancje organiczne, stałe lub ciekłe węglowodory (produkujące np. gaz). Wpływ tego procesu na włókna szklane jest znacznie wyższy niż na włókna węglowe. Mimo, że oba utrzymują sztywność, to włókna szklane tracą 50% wytrzymałości początkowej, a włókna węglowe 5%. W przypadku szkła, pozostałe włókna mogą być wykorzystywane w zastosowaniach takich jak kleje, farby lub beton. Ponieważ wytrzymałość włókien węglowych zmniejsza się w niewielkim stopniu, mogą być one ponownie wprowadzone jako wzmocnienie z niskim ryzykiem, do materiałów kompozytowych. Energia, która jest uzyskiwana z polimerów może być wykorzystana np. do ogrzewania lub wytworzenia energii elektrycznej [1, 4, 21, 25]. Rysunek 4 przedstawia proces recyklingu termicznego metodą Refiber. 85

87 Izabela PIASECKA, Weronika KRUSZELNICKA, Robert KASNER Rys. 4. Metoda recyklingu Refiber. Opracowanie własne na podstawie [21] Na miejscu rozbiórki, elementy elektrowni wiatrowej cięte są nożycami hydraulicznymi (lub innymi narzędziami) na odpowiedniej wielkości kawałki. W zakładzie przeprowadzającym pirolizę, części są rozdrabniane na kawałki wielkości dłoni. Następnie materiał jest podawany w sposób ciągły do beztlenowego pieca obrotowego o temperaturze 500 C tworzywa polimerowe poddawane są pirolizie do gazu syntezowego. Gaz używany jest do produkcji energii elektrycznej, jak również do ogrzewania pieca obrotowego. W drugim piecu obrotowym włókno szklane zostaje poddane procesowi czyszczenia w obecności powietrza atmosferycznego. Z kolei ewentualne metale (np. z łopat) są usuwane przez magnesy i poddawane oddzielnemu recyklingowi. Włókna szklane zostają zmieszane z niewielką ilością włókien polipropylenowych i przechodzą przez piec, w którym topią się i łączą tworząc np. stabilne płyty izolacyjne. Piroliza jest źródłem negatywnych oddziaływań, polegających w głównej mierze na emisji ciepła, hałasu, pyłów, drgań, wibracji oraz uciążliwych zapachów. Przekształcenia termiczne kompozytów polimerowych mogą powodować powstawanie szkodliwych dla zdrowia i środowiska związków chemicznych [1, 4, 9]. Podczas produkcji elementów zespołów roboczych elektrowni wiatrowych wykorzystywane są m.in. żywice epoksydowe, włókna szklane i węglowe, laminaty, poliestry, PET, PVC oraz poliuretany. Ze względu na szereg podobieństw w poużytkowym zagospodarowaniu tworzyw polimerowych, szczegółowo przybliżono jego problematykę tylko dla przykładowych dwóch: poli(chlorku winylu) i poli(tereftalenu etylenu). Recykling materiałowy poli(chlorku winylu) jest utrudniony przez dekompozycję, której ulega podczas ogrzewania. Następuje wtedy zmiana barwy, a nawet utrata plastyczności (po stracie większych ilości HCl). Proces dekompozycji przebiega szybko w temperaturze 200 C. Domieszki PVC utrudniają lub wręcz uniemożliwiają przetwarzanie innych rodzajów polimerów. Natomiast spalanie poli(chlorku winylu) może stanowić zagrożenie dla środowiska ze względu na zanieczyszczające atmosferę związki chloru, pary cyny, kadmu, ołowiu czy naftalen. Niedopalony naftalen (i jego pochodne) stosunkowo często powoduje awarie instalacji służących do oczyszczania spalin. Segregacja mieszanin tworzyw na poszczególne polimery jest nieopłacalna pod względem ekonomicznym i dość trudna technicznie. Malejąca rola recyklingu materiałowego jest również spowodowana rosnącym udziałem wcześniejszych recyklatów w odpadach. Coraz to starsze domieszki są powodem spadku jakości nowych tworzyw [6]. 86

88 Możliwości zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów instalacji energetyki wiatrowej Jedną z metod recyklingu surowcowego poli(chlorku winylu) jest oddzielenie z odpadów frakcji tworzyw o gęstości powyżej kg/m 3, termiczne dehydrochlorowanie (DHC) poli(chlorku winylu) zawartego w tej frakcji i produkcja surowców chemicznych ze stałej pozostałości po dehydrochlorowaniu PVC za pomocą procesu pirolizy lub zgazowania. Surowce te są jednak zanieczyszczone związkami chloru. Znane są jednakże metody oczyszczania gazu syntetyzowanego. Niestety poważnym ograniczeniem dla procesu pirolizy jest brak ekonomicznej metody oczyszczania oleju pirolitycznego. Można w tym celu użyć srebra jako odwracalnego adsorbentu związków chloroorganicznych. Wszystkie znane metody pozostawiają po sobie odpad w postaci chlorków. Olej pirolityczny w przeciwieństwie do znanego gazu syntezowego, jest surowcem nowym. Otrzymywany z frakcji poli(chlorku winylu) zawiera alkiloaromaty i aromaty. Może zostać wykorzystywany do produkcji monomerów (wielokwasów), środków pomocniczych takich jak plastyfikatory (estry aromatycznych kwasów karboksylowych) czy jako czynnik redukcyjny w wielkim piecu. Uproszczenie składu oleju jest możliwe po poddaniu go dealkilacji. HCl z poli(chlorku winylu) powinien być eliminowany termicznie, w atmosferze gazu obojętnego. Gazowy HCl może być wykorzystywany w procesach oksychlorowania (również w syntezie dichloroetanu półproduktu chlorku winylu). Mniej korzystna jest produkcja kwasu solnego, dlatego, że zazwyczaj należy go zatężyć i poddać oczyszczaniu z zanieczyszczeń organicznych. Zatężanie kwasu solnego jest utrudnione przez tworzenie się azeotropu o 20% zawartości HCl. Chlorowodór z związków chloroorganicznych może być również eliminowany za pomocą NaOH lub innych wodorotlenków silnie alkalicznych. Prowadzi to jednak do zanieczyszczania środowiska ściekami soli oraz produktami organicznymi, albo tworzeniem się osadów CaCl 2, które są bardziej uciążliwe dla otoczenia aniżeli składowany poli(chlorek winylu). Podczas doboru warunków termicznego dehydrochlorowania, trzeba uwzględnić wymogi ochrony środowiska przed polichlorowanymi bifenolami (PCBP), dibenzofuranami (PCDF) i dibenzodioksynami (PCDD). Związki te tworzą się w atmosferze zawierającej tlen i w obecności płynów wykazujących zawartość węgla. Z tego powodu w atmosferze beztlenowej i w obecności węglanu wapnia stężenie PCBP, PCDF i PCDD w produktach dehydrochlorowania termicznego, jest minimalne [6, 23]. Ponowne użycie odpadów oraz zużytych wyrobów poli(tereftalenu etylenu) możliwe jest przede wszystkim za pomocą recyklingu materiałowego i surowcowego (chemicznego). W procesie recyklingu materiałowego niezwykle istotne jest dokładne oddzielenie odpadów PET od innych polimerów i zanieczyszczeń metalowych, które zazwyczaj katalizują proces rozkładu i powodują zabarwienie polimeru. Aby zneutralizować inne zanieczyszczenia, odpady przemywa się kilkakrotnie 4% roztworem pentachlorofenolu rozpuszczonego w nafcie. Oczyszczony i rozdrobniony recyklat znajduje zastosowanie podczas otrzymywania wielowłókienkowej przędzy dywanowej, ciętego i skędzierzawionego włókna do napełniania poduszek i ocieplania śpiworów, ubrań narciarskich itp., taśmy do opakowań, arkuszy wytłaczanych przeznaczonych na opakowania, spienionych płyt izolacyjnych czy płyt budowlanych do izolacji akustycznej i cieplnej [23]. Recykling surowcowy poli(tereftalenu etylenu) prowadzony jest głównie za pomocą alkoholizy (metanolizy) i glikolizy. Metanolizę przeprowadza się w obecności katalizatorów alkalicznych (octanu sodu) w czasie 4 godzin, w temperaturze ( ) C. Jeżeli do tego celu używane są katalizatory kwasowe (kwas p-toluenosulfonowy), to trwa ona (10-35) minut i prowadzi się ją w temperaturze (60-95) C. Z kolei glikoliza odbywa się za pomocą glikolu etylenowego w obecności katalizatora jakim jest octan manganu. Czas jej trwania 87

89 Izabela PIASECKA, Weronika KRUSZELNICKA, Robert KASNER wynosi około 30 minut, a temperatura procesu około 220 C. Produkty metanolizy i glikolizy stanowią diglikol oraz diglikol tereftalenowy, które znajdują wykorzystanie podczas repolikondensacji, jak również wytwarzania innych materiałów polimerowych, np. pianek poliuretanowych, nienasyconych żywic poliestrowych [23]. Choć popularne na świecie możliwości recyklingu tworzyw polimerowych są lepszym rozwiązaniem aniżeli składowisko odpadów, to nadal nie rozwiązano bardzo wielu problemów. Energetyka wiatrowa to relatywnie młody sposób uzyskiwania energii elektrycznej na przemysłową skalę. Obecnie niewielka ilość siłowni wiatrowych przeszła pełny cykl istnienia. Nie ma zatem na rynku zbyt dużych ilości odpadów z tworzyw polimerowych, które przeznaczone są dla spółek handlowych zajmujących się recyklingiem. Z tego powodu niewiele takich prosperuje. Przyczynę może w pewnym stopniu stanowić mała ilość zachęt ekonomicznych dla rozwoju nauki w dziedzinie recyklingu elektrowni wiatrowych. Ważne jest jednak, aby specjalistyczne techniki recyklingu zostały stworzone. Można spodziewać się, że liczba tworzyw polimerowych pochodzących z elektrowni wiatrowych zwiększy się znacząco w ciągu najbliższych lat. Przemysł winien być na to przygotowany [21]. W stosunku do pozostałej części procesora wiatrowego, łopaty są elementy przyczyniającym się najbardziej do szkodliwego wpływu na środowisko jako tzw. odpad luzem. Łopaty zespołu roboczego wirnika wiatrowego zostały zatem zidentyfikowane jako problematyczne komponenty do zarządzania z perspektywy badania i oceny cyklu istnienia (rys. 5) [22]. Rys. 5. Kluczowe kwestie związane z demontażem i recyklingiem elektrowni wiatrowych (opracowanie własne) LM Glasfiber w swoim projekcie recyklingu, przedstawił zastosowanie rozdrobnionych łopat jako wypełniacza do betonu wzmacnianego włóknami. W innym projekcie, Vestas po- 88

90 Możliwości zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów instalacji energetyki wiatrowej kazał potencjał spalania bez odzysku materiałowego. W tym przypadku, odzysk energii był możliwy, ponieważ cząstki łopat były spalane w elektrowniach, ale 20 % z materiału łopaty nadal musiało być wysłane do składowania w postaci popiołu. Chociaż ostatnie wysiłki przyniosły ciekawe rozwiązania dla dzisiejszej gospodarki wycofanych z eksploatacji łopat turbin wiatrowych, jest prawdopodobne, że w ciągu kilku lat, spalanie w elektrowniach takich materiałów o wysokiej wartości, nie będzie miało uzasadnienia. Według Europejskiego Stowarzyszenia Producentów Tworzyw Sztucznych (Plastic-Europa), materiały z tworzyw polimerowych zaczynają podążać drogą bardziej zrównoważonego końca eksploatacji i częściej niż spalaniu, będą poddawane recyklingowi. Może być to wyjaśnione przez lukę między cenami nowych surowców i materiałów pochodzących z recyklingu. Wnioskując z tego trendu, recykling surowcowy materiałów polimerowych prawdopodobnie stanie się w najbliższej przyszłości normą, a spalanie będzie wykorzystywane wyłącznie do recyklingu skrajnych przypadków. W związku z tym kompozyty termoplastyczne mogą zapewnić znacznie bardziej zrównoważone rozwiązania, niż dzisiejsze kompozyty termoutwardzalne, ponieważ mogą być one stopione bez degradacji materiału, co daje możliwość pełnego odzyskania materiału [8, 20, 24]. Do materiałów metalowych znajdujących zastosowanie do budowy elektrowni wiatrowych zaliczyć można żeliwo, aluminium, stal, miedź i metale ziem rzadkich. Ze względu na podobieństwa ich procesów recyklingu, dokładniej omówiono tylko trzy wybrane: żeliwo, miedź i grupę metali ziem rzadkich. Recykling żeliwa wchodzącego np. w skład zespołu roboczego wirnika elektrowni wiatrowej (piasta) odbywa się zazwyczaj w żeliwiakach (rys. 6), piecach bębnowych obrotowych z palnikami tlenowo-paliwowymi lub piecach indukcyjnych. Powodują one negatywne oddziaływania wynikające z emisji szkodliwych gazów, pyłów, żużli, hałasu, ciepła, drgań, wibracji i uciążliwych zapachów. Gazy emitowane z żeliwiaków zanieczyszczone są pyłami i szkodliwymi składnikami gazowymi, takimi jak CO 2, CO, SO 2, NO x czy LZO. W niektórych przypadkach, pojawić się mogą również furany i dioksyny (zależy to od zawartości NaCl w koksie, zanieczyszczeń obecnych w złomie, występowania sprzyjającego zakresu temperatury przy odpowiednio długim czasie przebywania w niej gazów odlotowych, zawartości tlenu w gazach). Odpadami stałymi w procesie żeliwiakowym jest żużel i pył. Emisja pyłu z żeliwiaka wynosi (8-10) kg/mg ciekłego żeliwa. Znaczący udział w pyle posiadają cząstki koksu (koksik). W pyle mogą także wystąpić takie składniki szkodliwe jak np. PbO i ZnO. W przeciwieństwie do żeliwiaków, piece obrotowe emitują w gazach odlotowych niewielką ilość pyłów, równą około (0,8-1,0) kg/mg żeliwa. Filtry tkaninowe umożliwiają ograniczenie emisji pyłu do atmosfery do poziomu poniżej 6 mg/m 3. Spaliny składają się głównie z CO 2 i H 2 O. Inne składniki (H 2 i CO) ulegają całkowitemu spaleniu w tzw. fałszywym powietrzu, dopływającym z tyłu pieca. Mogą być jednakże wydzielane tlenki azotu, ale za pomocą regulacji można zmniejszyć ich zwartość do poziomu poniżej 500 mg/m 3. Natomiast emisja pyłów i gazów z pieców indukcyjnych jest niezwykle mała w porównaniu z emisją z żeliwiaków. Główne źródło pyłu stanowią zanieczyszczenia zawarte w materiałach wsadowych. Technologia wytapiania żeliwa wyklucza tu w zasadzie powstawanie strumieni gazowych [11]. 89

91 Izabela PIASECKA, Weronika KRUSZELNICKA, Robert KASNER [3]. Rys. 6. Żeliwiak piec do przetopu żeliwa [28] Pył żeliwiakowy zazwyczaj magazynowany jest w silosach, a następnie transportowany na składowisko. Istnieją jednak dwie możliwości ponownego wprowadzania pyłu do żeliwiaka: wprowadzanie wraz ze wsadem metalowym w postaci brykietów oraz wdmuchiwanie lub iniekcyjne zasysanie pyłu bezpośrednio do strefy spalania żeliwiaka przez dysze powietrzne. Głównym celem jego powtórnego wprowadzania do procesu żeliwiakowego jest uniknięcie kosztownego i uciążliwego transportu na składowisko oraz późniejszego deponowania. Przeważająca część pyłu zostaje przetworzona w żeliwiaku na żużel granulowany, znajdujący nabywców w budownictwie i drogownictwie. Znaczna część zawartego w pyle węgla zostaje spalona, a ciepło reakcji przyczynia się do ograniczenia zużycia koksu niezbędnego na przeprowadzenie w stan żużla części pyłu. Część zawartego w pyle węgla, może zostać wykorzystana do redukcji tlenków żelaza, dzięki czemu możliwym będzie częściowy odzysk żelaza. Ciepło gazów żeliwiakowych znajduje natomiast wykorzystywane do podgrzewania dmuchu oraz celów ogrzewania pomieszczeń socjalnych (w przypadkach braku rekuperatorów). Żużel otrzymywany z żeliwiaków, nieposiadających instalacji do jego granulowania, musi być jednak składowany. Zazwyczaj nie stanowi on niebezpieczeństwa pod względem na ewentualnego zanieczyszczania wód gruntowych. Najczęściej poddawany jest jednak granulowaniu i stanowi łatwo zbywalny materiał uboczny. Złom obiegowy pochodzi natomiast np. z wybrakowanych odlewów lub części układu wlewowego. Powinien być w jak największej mierze wykorzystywany jako materiał wsadowy, o niskiej cenie i znanym składzie chemicznym [11]. Miedź jest z kolei metalem, który w całości może być odzyskany z wtórnych materiałów. Czysta miedź ma doskonałą przewodność elektryczną i cieplną oraz charakteryzuje się niezwykle wysoką plastycznością w temperaturach normalnych i podwyższonych. Przeróbka 90

92 Możliwości zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów instalacji energetyki wiatrowej plastyczna tego metalu w warunkach pokojowych powoduje wzrost jej wytrzymałości i twardości. Miedź jest również odporna na korozję. Z innymi metalami tworzy stopy podwójne i potrójne. Recykling miedzi i jej stopów spowalnia wyczerpywanie się źródeł pierwotnych oraz umożliwia znaczne oszczędności energii niezbędnej do uzyskania 1 tony Cu. Nie bez znaczenia jest też fakt, że podczas produkcji miedzi pochodzącej ze złomów, praktycznie nie ma miejsca generowanie związków uciążliwych dla środowiska, takich jak kwas siarkowy czy żużle. Ma to wpływ na rosnący udział recyklingu miedzi w ogólnym jej bilansie (podlegający jednak wahaniom) [16]. Wtórne materiały miedzionośne dzieli się na dwie grupy, a mianowicie odpady produkcyjne oraz złomy miedzi i jej stopów. Odpady produkcyjne stanowią materiały powstałe podczas produkcji elementów wykonanych z miedzi lub jej stopów. Odpady te są zawracane, co oznacza, że nie wchodzą one na rynek i nawet kilku wytwórców może je wykorzystywać. Z produktów przestarzałych lub zużytych, które zostały wyrzucone, pochodzą złomy miedzionośne (złom amortyzacyjny). Tego typu materiały są surowcem dla około 20% światowej produkcji miedzi. Produkcja nowych elementów ze złomów wymaga wykorzystania wielu zabiegów technologicznych. Ich złożoność zależy od tego jaki materiał miedzionośny jest przerabiany. Miedź jest również zawarta w szlamach, żużlach, pyłach, itp. W takich odpadach większość zawartej tam miedzi jest w metalicznej postaci, dlatego muszą być one topione w atmosferze redukcyjnej. Są źródłem tylko kilku procent miedzi, która jest otrzymywana z materiałów wtórnych. Można wyróżnić również złom stopów miedzi i samej miedzi. Ze złomu stopów miedzi najczęściej produkuje się podobne lub takie same stopy, zachowując w ten sposób wartość miedzi i innych składników stopu, np. cynku [16]. Fizyczna izolacja miedzi (i jej stopów) od innych materiałów oraz jej segregacja jest pierwszym z etapów recyklingu. W przypadku odpadów produkcyjnych stanowi to relatywnie proste zadanie. Jeżeli jednak chodzi o złomy, to do ich przerobu niezbędny jest szereg zabiegów. Stosuje się segregację wizualną, segregację magnetyczną, separację w cieczach ciężkich oraz separację przy pomocy prądów wirowych. Czasami, aby możliwa była segregacja, złom musi być rozłożony na części lub pocięty na małe odcinki. Złom o najwyższej czystości poddaje się bezpośredniemu przetopowi i stosuje bez rafinacji do wykonywania nowych elementów. Mają one najczęściej zastosowanie w konstrukcjach różnego rodzaju urządzeń. Z tego rodzaju miedzi rzadko wyrabia się elementy przewodzące prąd elektryczny. Kable i druty miedziane stanowią znaczny udział w strukturze złomów miedzianych. Tego typu złom zostaje stopiony, rafinowany ogniowo i odlewany w kęsy (slaby) do przeróbki plastycznej. Przed topieniem złomu należy usunąć polimerowe osłonki przewodów w sposób mechaniczny. W tym celu następuje cięcie kabli i drutów na odcinki o długości (0,1-1,0) cm. Powoduje to, że polimerowe koszulki oddzielają się od metalu. Kolejnym etapem jest odseparowanie polimeru od metalu przy użyciu separatora powietrznego. Polimery o niskiej gęstości porywane są ze specjalnego ekranu przez sprężone powietrze, a ciężka miedź spada przez znajdujące się w ekranie otwory. Druty stalowe i miedziane (frakcja pośrednia) przepuszcza się przez rozdrabniacz, aby otrzymać jeszcze drobniejsze fragmenty złomu. Umożliwia to bardziej kompletną separację [2, 16]. 91

93 Izabela PIASECKA, Weronika KRUSZELNICKA, Robert KASNER 150 Energia [GJ/t] Cu ze źródeł pierwotnych Złom Cu gatunek I Złom Cu gatunek II Złom niskomiedziowy Rys. 7. Porównanie ilości energii potrzebnej do otrzymania 1 tony Cu ze źródeł pierwotnych i surowców wtórnych o różnych zawartościach miedzi. Opracowanie własne na podstawie [16] Jeśli skład chemiczny złomu nie jest pewny, poddaje się go stopieniu, a następnie rafinacji. Zarówno do topienia jak i rafinacji stosuje się zazwyczaj piec płomienny o pojemności w granicach ( ) ton. Nawet przy pracujących palnikach następuje ładowanie pieców. Ich płomień ma właściwości lekko utleniające w przybliżeniu jest to 10% więcej powietrza. Stanowi to zabieg niezbędny podczas spalania olejów (które często zanieczyszczają złom) oraz utleniania domieszek. Zwykle przed stopieniem złom jest prasowany w postaci bali o wadze (0,5-1,5) tony. Ładowane są one przez okno załadowcze usytuowane na jednym z boków pieca. Gdy ilość stopionego metalu jest już wystarczająca, następuje okres wydmuchiwania powietrza na powierzchnię miedzi przy użyciu stalowej rury. Jako topnika dodaje się kamień wapienny. Jeżeli zawartość tlenu w miedzi przekroczy 0,6%, to okres utleniania jest uznawany za zakończony. Gdy żużel powstały na powierzchni zostanie już usunięty, rozpoczyna się wyredukowanie tlenu z miedzi przy użyciu drewna pływającego (po powierzchni) lub gazu. Końcowe stężenie tlenu winno wynosić około 200 ppm. Kolejnym etapem jest odlewanie miedzi w slaby lub wlewki, które przerabiane są metodami plastycznej przeróbki. Z tak rafinowanej miedzi robi się stopy w piecach indukcyjnych, albo w piecach obrotowych opalanych gazem. Złom, który składa się z mosiądzów zawierających niewielkie ilości cynku, jest topiony w piecach płomiennych, a następnie utleniany powietrzem. Do tego celu dodaje się jako topnika CaCO 3, którego zadaniem jest usunięcie domieszek w formie żużli. Z miedzi rafinowanej w taki sposób odlewane są anody przesyłane do procesu elektrorafinacji. Otrzymuje się w ten sposób katody przeznaczone do wytwarzania kabli elektrycznych [16]. Złomy stopów miedzi (np. mosiądz), są przerabiane na stopy posiadające podobny skład. Skorygowanie składu chemicznego następuje poprzez dodanie miedzi katodowej, cynku, bardzo czystego złomu lub rafinowanych wlewków. W takim wypadku używane złomy nie mogą posiadać zanieczyszczeń żelazem, dlatego, że po stopieniu nie ma już możliwości jego selektywnego utlenienia w obecności cynku. Złom topi się w piecach obrotowych, indukcyjnych albo w piecach trzonowych. Utrzymuje się w nich atmosferę lekko redukcyjną. Otrzymany metal odlewany jest w slaby przerabiane następnie w odlewniach. W podobny sposób przerabia się inne stopy, np. brązy. Fizyczna separacja według kategorii zgodnych ze składem chemicznym jest podstawowym czynnikiem przeróbki złomu. Pozwala to na tanie, powtórne wykorzystanie stopów. Nowy złom z reguły nie podlega chemicznej analizie, ponieważ ocena wzrokowa jest wystarczająca. Przy analizie złomu starego najtrudniejsze 92

94 Możliwości zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów instalacji energetyki wiatrowej zadanie stanowi pobranie z niego próbki reprezentatywnej. Losowo wybrane kawałki są topione w piecu indukcyjnym, a potem analizowane pod kątem zawartości poszczególnych składników [2, 16]. Europejska miedź w dużym stopniu jest produkowana z materiałów wtórnych. Surowce do produkcji miedzi stanowią materiały tlenkowe (np. zgary, szlamy, popioły, żużle). Największą pozycję w recyklingu miedzi stanowią odpady brązów i mosiądzów. Są one zazwyczaj powtórnie zużywane do produkcji miedzi elektrolitycznej oraz jej stopów (rys.8). W Europie duże zakłady przetwórcze przerabiają złom głównie w piecach rafinacyjnych, szybowych, konwertorach i wannach elektrolitycznych. Przykładem może tu być niemiecka huta w Lünen stosująca technologię Kayser Recycling System, przy wykorzystaniu pieca Isasmelt. Pierwszym etapem jest stopienie złomu w utleniającej atmosferze, dzięki czemu do żużli przechodzi wiele metali. Po stopieniu następuje częściowa redukcja niektórych metali z żużli. Odbywa się to za pomocą odpowiednio separowanego złomu żelaznego. Powstały tlenek żelaza przechodzi do żużli. Proces redukcji jest prowadzony w taki sposób, aby stężenie chromu, kadmu i ołowiu nie przekroczyło dopuszczalnych poziomów. Dzięki temu, nowo powstały żużel nie jest podatny na działanie wód gruntowych i można go używać do budowy dróg. Technologia umożliwia otrzymywanie nie tylko miedzi, ale i żużlu spełniającego wymogi ochrony środowiska, w szczególności przepisów dotyczących małej ługowalności metali ciężkich (np. Cr, Cd, Pb). Po usunięciu żużli otrzymany metal jest konwertowany. Cel tego procesu, to usunięcie części domieszek oraz otrzymanie miedzi, która po dalszej rafinacji w piecu anodowym może być odlana na anody odpowiednie do elektrorafinacji. Żużle pochodzące z pieców anodowych oraz procesu konwertowania są ponownie do niego zwracane. Utlenianie rozdrobnionego złomu stalowego oraz spalanie pyłu węglowego lub gazu, który jest podawany przez lancę, są źródłami większości energii niezbędnej do topienia wsadu. Isasmelt jest reaktorem o średnicy 3,6 m i wysokości około 13,7 m, będącym pionowym walczakiem, którego wyłożenie stanowią chromitowo-magnezjowe kształtki oraz chłodzone wodą kesony miedziane (rozmieszczone w dolnej części reaktora, pomiędzy jego obudową a warstwą ceramiczną). Wsad do reaktora stanowi rozdrobniony złom miedzi (w tym również złom elektroniczny) oraz różnego typu materiały, które zawierają w małych ilościach cynk, nikiel, ołów, cynę i miedź, np. tlenki metali, keki i szlamy filtracyjne (z fizycznego lub chemicznego uszlachetniania metali), szlamy powstałe podczas produkcji drutów, złom otrzymywany w procesach produkcyjnych, pyły, żużle i zgary [16]. Istotny problem stanowi przerób złomu elektronicznego ze zużytych urządzeń kontrolno-pomiarowych, będących elementem siłowni wiatrowych. Złom elektroniczny zawiera około 20% miedzi, ale także 0,1% srebra, 0,05% złota, pallad, stal, plastyk i tworzywa ceramiczne. Takie złomy zazwyczaj stapia się w konwertorach, albo w innych piecach. W procesie elektrorafinacji można odzyskać zawarte w nich metale szlachetne. Stopień odzysku zarówno miedzi, jak i metali szlachetnych wynosi w tym wypadku (97-98)%. Intensywne mieszanie kąpieli oraz wysoka temperatura, sprawiają, że tworzywa ceramiczne przechodzą do żużli, a polimery są spalane. Złom elektroniczny może być segregowany chemicznymi lub mechanicznymi metodami, jednak te procesy są na tyle kosztowne, że obciążenie finansowe z tego tytułu przewyższa uzyskiwane korzyści. Z tego powodu takie materiały są przerabiane w normalnych procesach metalurgicznych. Cechą charakterystyczną materiałów elektronicznych jest ich bardzo złożona budowa, mająca charakter kompozytów. W takim przypadku winno się przeprowadzać segregację. Jest to zazwyczaj jednak niemożliwe, ze względu na skomplikowany charakter połączeń. Najczęściej spotykany sposób utyli- 93

95 Izabela PIASECKA, Weronika KRUSZELNICKA, Robert KASNER zacji stanowi piroliza materiałów organicznych. Taki sposób utylizacji nie powoduje zwiększenia emisji substancji szkodliwych. Jeżeli materiały organiczne w swym składzie jednak posiadają halogenki, należy liczyć się z faktem powstawania furanów, furfuralu (C 5 H 4 O 2 ) lub dioksyn, które są szkodliwe dla zdrowia. Jednakże można ograniczyć ich powstawanie poprzez oddzielenie w jak największym stopniu polimerów i innych tworzyw organicznych, dopalanie gazów technologicznych w jak najwyższych temperaturach oraz zapewnienie połączenia się halogenków z materiałem pyłów. Złom elektroniczny o dobrej jakości można bezpośrednio stapiać w piecu anodowym. Po odlaniu anod przeprowadzana jest elektrorafinacja w celu odzysku metali szlachetnych oraz miedzi. Rafinacji elektrolitycznej mogą być poddawane nawet stopy niskomiedziowe. Również w tym przypadku udaje się uzyskać wysokiej czystości miedź oraz skupione w szlamie anodowym metale szlachetne [2]. W elektrowniach wiatrowych można zetknąć się także z elementami, które po zakończeniu eksploatacji tworzą złom niskomiedziowy. Zaliczyć do niego można m.in. złom pochodzący z urządzeń elektronicznych, prądnic, drutów stalowych pokrytych miedzią, itd. Do jego przerobu stosowane są piece szybowe. Złom jest topiony, konwertowany oraz poddawany rafinacji (ogniowej i elektrolitycznej). Wsad do pieca szybowego stanowią zazwyczaj materiały utlenione o niskiej zawartości miedzi i stosunkowo dużej zawartości żelaza. Żelazo obniża zużycie energii, lepkość powstałych żużli oraz polepsza redukcyjność wsadu. Średnia zawartość miedzi we wsadzie to około 30%, natomiast żelaza: 20%. Topniki stanowią głównie SiO 2 i CaCO 3, jednak mogą być one częściowo zastąpione przez takie odpady, jak piasek ze zużytych form odlewniczych, szlamy czy zgary żelazne. W piecu szybowym utlenione surowce przetapia się w atmosferze redukcyjnej. W zależności od wsadu otrzymuje się nie tylko miedź czarną, ale również tlenek cynku z określoną zawartością cyny. Żużel odpadowy winien zawierać jak najmniej cyny i miedzi. Wielkość pieców szybowych jest bardzo różna, jednak relatywnie mała w porównaniu do pieców stosowanych w metalurgii miedzi pochodzącej z surowców pierwotnych [2, 16]. Metale ziem rzadkich, stały się wręcz nieodzowne dla współczesnych, rozwiniętych społeczeństw. Rysunek 9 przedstawia obszary ich najczęstszego zastosowania. Wyróżnić można cztery główne możliwości ich recyklingu: ponowne wykorzystanie, recykling producencki, recykling elementów zawierających metale ziem rzadkich oraz odzysk tych metali. Przykład recyklingu przez ponowne wykorzystanie stanowić mogą magnesy NdFeB. Dwie trzecie z nich znajduje zastosowanie w różnych rodzajach silników elektrycznych. Nazywane są one magnesami stałymi. Jeśli po latach silnik zostaje uznany za zużyty, to z magnesami znajdującymi w środku nic się jednak nie dzieje, ponieważ działają one równie dobrze jak na początku. Z tego powodu nie ma przeszkód, by je ponownie wykorzystać. W elektrowniach wiatrowych z metali ziem rzadkich głównie zastosowanie znajduje neodym, który wykorzystywany jest do produkcji generatorów [10]. 94

96 Możliwości zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów instalacji energetyki wiatrowej Rys. 8. Obszary zastosowań metali ziem rzadkich [29] Producenci stopów magnetycznych czy magnesów, zazwyczaj na miejscu poddają recyklingowi swój złom produkcyjny. Niestety nawet jedna trzecia kruchego magnetycznego materiału zostaje stracona w procesie produkcji. Istnieją technologie umożliwiające recykling osadów. Stanowią one materiał problematyczny, ponieważ zawierają oleje i inne zanieczyszczenia, dlatego nastręcza to konieczność obróbki chemicznej przed ponownym otrzymaniem z nich metalu. Na świecie prowadzone są również prace mające na celu odzysk magnesów SmCo i NdFeB poprzez ich przetworzenie w magnesy o jakości porównywalnej z nowymi. Wykorzystuje się do tego celu wodór, który zamienia magnesy w pył. Bardzo małe cząsteczki gazu są wciskane w puste przestrzenie znajdujące się między większymi atomami metalu, tym samym zwiększając swoją objętość. Wywołuje to napięcia prowadzące do rozpadu metalu. Po rozpadzie pierwszej warstwy na działanie wodoru zostaje wystawiona kolejna. Dzięki temu cały magnes stopniowo zamienia się w pył. Recykling pyłu magnetycznego możliwy jest na dwa sposoby. Pierwszy z nich polega na dodaniu do niego świeżego pyłu neodymowego i uformowaniu nowych magnesów. Drugi sposób opiera się na dodaniu do 95

97 Izabela PIASECKA, Weronika KRUSZELNICKA, Robert KASNER pyłu żywicy i uformowaniu magnesu. Możliwa jest jednak dyfuzja wody i tlenu przez spoiwo, dlatego należy pokryć powierzchnię pyłu cienką warstwą cynku albo jakiegoś związku organicznego. Sprawi to, że stanie się on mniej podatny na utlenianie [10]. Trwają prace nad wydajną i tanią technologią odzysku metali ziem rzadkich pochodzących ze strumienia odpadów innego procesu przemysłowego. Ustalono metodę odzysku dużej ilości metali zawartych w dwutlenku tytanu różnych pierwiastków. A w opracowaniu jest sposób wzbogacania tlenków metali ziem rzadkich, w celu przechowywania ich w większej ilości i ponownego oczyszczenia oraz technologia ich rozdzielania. Odzysk neodymu ze złomu magnesów typu FeNdB może odbywać się metodą chlorowania. Największa część złomu stałych magnesów neodymowych powstaje w trakcie produkcji z odpowiednich proszków. Metale ziem rzadkich mają duże powinowactwo do chloru. Wykorzystując to zjawisko, złomy można je chlorować. Czynnikiem chlorującym jest chlorek żelaza (II). Zmiana standardowej energii swobodnej takich reakcji jest na tyle duża, że prawie cały neodym ze stopu przechodzi w NdCl 3. W przypadku, gdy ma się do czynienia z utlenionym złomem, to proces chlorowania musi być przeprowadzony w obecności węgla. Nawet w przypadku utlenionych złomów praktycznie cały neodym przekształca się w chlorek neodymu (III). Roztwór FeCl 2 -NdCl 3 powstały w wyniku chlorowania, można łatwo rozdzielić w procesie destylacji. Ciśnienie parcjalne FeCl 2 jest trzy razy wyższe, niż ciśnienie NdCl 3. Zasadniczą trudność podczas odzysku metali ziem rzadkich stanowi ich separacja, ponieważ mają one niezwykle podobne właściwości chemiczne. Z tego powodu klasyczne metody rozdziału nie dają wyników zadowalających. W trakcie separacji stosuje się połączenie redukcji z odparowaniem związków metali. Metale ziem rzadkich łącząc się z chlorem występują na trzecim stopniu utlenienia, ale w pewnych warunkach mogą one występować na stopniu drugim. Związki z chlorem na drugim stopniu utlenienia charakteryzują się dwukrotnie niższą prężnością i są stabilniejsze od odpowiadających im chlorków na trzecim stopniu utlenienia. Dlatego, aby rozdzielić metale ziem rzadkich należy jeden chlorek na trzecim stopniu utlenienia doprowadzić do stopnia drugiego oraz przeprowadzić odparowanie innego chlorku o trzecim stopniu utlenienia (w obniżonym ciśnieniu i podwyższonej temperaturze), np. dla roztworu SmCl 3 - NdCl 3 reduktor może stanowić glin (aluminium) [16]. Odzysk neodymu możliwy jest także za pomocą ekstrakcji ciekłym magnezem. Magnez z neodymem tworzą szereg międzymetalicznych związków. Sprawia to, że układ Nd-Mg charakteryzuje się odstępstwem ujemnym od prawa Raoulta. Konsekwencją tego faktu jest bardzo duża rozpuszczalność neodymu w magnezie. Proces odzysku składa się z trzech etapów. Etap pierwszy polega na ekstrakcji neodymu przy pomocy ciekłego magnezu. Odbywa się to temperaturze około 800 C. W minimalnym stopniu dochodzi wtedy do rozpuszczenia żelaza w magnezie. W wyniku procesu powstaje roztwór Mg-Nd z niedużą ilością żelaza oraz stały roztwór boru z żelazem. Etap drugi to rozdział stałego roztworu Fe-B od ciekłego Mg-Nd na skutek przepuszczania przez filtr ceramiczny całej mieszaniny. Ostatni etap stanowi rozdział magnezu i neodymu w procesie destylacji pod obniżonym ciśnieniem. Magnez jest zwracany do ekstrakcji złomu. Proces charakteryzuje się wysokim stopniem ekstrakcji neodymu, jest jednak długotrwały i wymaga dużych nakładów energii. Odparowany magnez posiada dużą czystość (powyżej 99%) [2, 16]. 96

98 Możliwości zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów instalacji energetyki wiatrowej 5. Wnioski Cel opracowania został zrealizowany dzięki przeprowadzeniu analizy możliwości zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów instalacji wiatrowych procesorów energii o dużej mocy. Po zakończeniu cyklu istnienia, który w przypadku elektrowni wiatrowej trwa ok. 20 lat, wszystkie tworzywa, materiały i elementy poużytkowe należy w odpowiedni sposób zagospodarować. Możliwości jest kilka, począwszy od składowania na wysypiskach odpadów, poprzez spalanie, a na recyklingu mechanicznym i termicznym skończywszy. Każdy z wymienionych procesów ma pewien wpływ zarówno na zdrowie człowieka, jakość środowiska oraz wyczerpywanie zasobów surowców. Jednak zagospodarowanie tworzyw i materiałów, daje możliwość uzyskania nowych produktów lub odzysku energii np. w formie ciepła. Dzięki ciągłemu rozwojowi technologii, poziomy emisji zanieczyszczeń do atmosfery, gleby i wody są coraz niższe. Zmniejsza się także ilość oraz toksyczność odpadów produkowanych w ich wyniku [1, 25]. Zakończenie Wzrost udziału alternatywnych źródeł energii w paliwowo-energetycznym bilansie kraju umożliwia uzyskanie szeregu korzyści w zakresie zrównoważonego rozwoju, w aspektach środowiskowych, redukcji emisji gazów i cząstek stałych do atmosfery, dzięki czemu poprawia się stan środowiska naturalnego oraz zmniejsza się efekt cieplarniany, a zmniejszenie wydobycia oraz zużycia surowców kopalnych, sprzyja utrzymaniu naturalnych warunków w przyrodzie ożywionej i nieożywionej [12]. W najbliższych latach świat stanie przed problemem zagospodarowania milionów ton odpadów powstających po zakończeniu cyklu istnienia instalacji odnawialnych źródeł energii, a przede wszystkim elektrowni wiatrowych. Problem ten dotyczył będzie również Polski. Rokrocznie instalowanych jest coraz więcej nowych siłowni wiatrowych, dlatego co roku wzrasta ilość odpadów, które będą musiały zostać w bezpieczny sposób zagospodarowane. Po analizie najczęściej stosowanych metod stosowanych w celu zagospodarowania materiałów, tworzyw i elementów wiatrowych procesorów energii, można stwierdzić, że najlepszą formą ich zagospodarowania jest recykling, przy czym bardziej korzystny jest ten surowcowy aniżeli mechaniczny. Z kolei najgorszym sposobem zagospodarowania poeksploatacyjnego jest składowanie. Konstruowanie to działanie, w którym dąży się do spełnienia postawionych żądań w możliwie najlepszy w danej chwili sposób. Skomplikowana struktura niektórych tworzyw, materiałów i elementów elektrowni wiatrowych, jest powodem występowania wielu trudności podczas ich zagospodarowania poużytkowego. Zamiast rozwiązywać ten problem dopiero, gdy elektrownie zostaną wycofane z użytku, należy już na etapie projektowania, doboru technologii i materiałów do ich wytworzenia, zastanowić się nad ich późniejszym zagospodarowaniem [5]. 97

99 Izabela PIASECKA, Weronika KRUSZELNICKA, Robert KASNER Bibliografia [1] ALBERTS H., 2009: Recycling of wind turbine rotor blades fact or fiction? Dewi Magazin, no 34, vol. 2. [2] ANDERSSON K., EIDE M.H., LUNDQUIST U., 1998: The feasibility of including sustainability in LCA for product development, Journal of Cleaner Production, no. 6. [3] BILITEWSKI B., HÄRDTLE G., MAREK K., 2006: Podręcznik gospodarki odpadami. Teoria i praktyka, Wydawnictwo Seidel Przywecki, Warszawa. [4] BRONDSTED P., LILHOLT H., AAGE L., 2005: Composite materials for wind power turbine blades, Annual review of Materials Research, no. 35. [5] FLIZIKOWSKI J., PIASECKA I., 2011: Potencjał tworzyw z turbin wiatrowych II [w:] Twórczość inżynierska dla współczesnej Europy, Oficyna Wydawnicza MW, Bydgoszcz. [6] GERMAN K., 2009: Wybrane aspekty utylizacji odpadów poli(chlorku winylu), Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków. [7] GIELEN D., VAN DRIL T., 1999: CO 2 Reductions Strategies in the Basic Metals Industry: A System Approach, EPD Congress 1999, Metals & Materials Society. [8] GRANT, C., 2007: Speaking out: Composite structural design and manufacturing the times are changing, High-Performance Composites, Gardner Publications, July. [9] GRIFFIN D. A., 2002: Blade system design studies volume 1: composite technologies for large wind turbine blades, Sandia National Laboratories, Albukerque, NM. [10] HEIDA L., 2010: Konieczność recyklingu metali ziem rzadkich, Recykling, nr 9/2010 (117), Wydawnictwo ABRYS, Poznań. [11] HOLTZER M., 2001: Gospodarka odpadami i produktami ubocznymi w odlewniach, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków. [12] IGLIŃSKI B., 2005: Ekologiczne skutki stosowania biopaliw, Ekologia i Technika nr 13 (4). [13] JASICZAK J., 1995: Recycling aggregate from concrete Derbis as the full value building material, International Forum on Waste Managment. Forum Proceedings, Wydawnictwo Polskiego Zrzeszenia Inżynierów i Techników Sanitarnych, Poznań. [14] JONCAS S., 2010: Thermoplastic composite wind turbine blades. An integrated design approach, Ipskamp Drukkers, Amsterdam. [15] KOZŁOWSKI M., 2006: Recykling tworzyw sztucznych w Europie, Wydawnictwo OW PWr, Wrocław. [16] KUCHARSKI M., 2010: Recykling metali nieżelaznych, Wydawnictwa AGH, Kraków. [17] LATOSIŃSKA J., ŻYGADŁO M., 2007: Managment of waste and production of builidnig materials. VII-th International Waste Managment Forum. Efficient Managment of Solid Waste, Wydawnictwo FUTURA, Kalisz-Poznań. [18] NICHOLSON J., 1996: Chemia polimerów, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa. [19] OPIELAK M., KOMSTA H., 2010: Rozdrabnianie [w:] Wojdalski J.: Użytkowanie maszyn i aparatury w przetwórstwie rolno-spożywczym. Wybrane zagadnienia, Wydawnictwo SGGW, Warszawa. [20] PILLAY S., VAIDYA U.K., JANOWSKI G.M., 2005: Liquid molding of carbon fabric reinforced nylon matrix composite laminates, Journal of Thermoplastic Composites Materials, vol. 18, no. 5. [21] reinforcedplastics.com (dostęp: ) [22] SCHLIMBACH J., MITSCHANG P., 2006: Process-based cycle time estimation for thermoplastic placement, Journal of Thermoplastic Composites materials, vol. 507, no. 19. [23] SZLEZYNGIER W., 1998: Tworzywa sztuczne. Tom II. Chemia. Technologia wytwarzania. Właściwości. Przetwórstwo. Zastosowanie, Wydawnictwo Oświatowe FOSZE, Rzeszów. [24] TIERNEY J., GILLESPIE J.W., 2006: Modeling of in-situ strength development for the thermoplastic composite tow placement process, Journal of Reinforced Plastics and Composites, vol. 40, no. 16. [25] VEERS P.S., ASHWILL T.D., SUTHERLAND H.J., LAIRD D.L., LOBITZ D.W., GRIFFIN D.A, MAN- DELL J.F., MUSIAL W.D., JACKSON K., ZUTECK M.D., MIRAVETE A., TSAI S.W., RICHMOND J.L., 2003: Trends in the design, manufacture and evaluation of wind turbine blades, Wind Energy, vol. 6, no. 3. [26] (dostęp: r.). [27] (dostęp: r.). [28] (dostęp: r.). [29] (dostęp: r.). 98

100 Możliwości zagospodarowania poużytkowego tworzyw, materiałów i elementów instalacji energetyki wiatrowej POSSIBILITIES OF POST-USED DEVELOPMENT OF PLASTICS, MATERIALS AND COMPONENTS OF WIND POWER PLANTS INSTALLATIONS Abstract: The paper contains an overview of the most important possibilities of development of post-used plastics, materials and installation elements of wind energy power plants. Took under the scope problems of storage on a landfill, incineration, mechanical and raw materials recycling including examples of processes for the selected plastics and materials. Keywords: wind power plant, recycling, incineration, development of post-used 99

101 100

102 ROZDZIAŁ v - INSTALACJE HYBRYDOWE oze 101

103 102

104 IX EKO- URO-ENERGIA Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii Weronika KRUSZELNICKA 11 Analiza efektywności hybrydowych systemów energii odnawialnej Abstrakt: W dzisiejszych czasach dużym wyzwaniem dla gospodarki światowej jest wypracowanie struktury energetycznej o jak najwyższej efektywności i nieszkodliwości środowiskowej. W tym celu mogą być wykorzystywane systemy hybrydowe, które łącza dwa lub więcej źródeł energii odnawialnej i/lub konwencjonalnej. Takie połączenie pozwala na lepsze wykorzystanie dostępnych źródeł energii oraz na wzajemne rekompensowanie wad składowych nośników energii. W pracy przedstawiono ideę hybrydowych systemów wytwórczych oraz przeprowadzono postępowanie badawcze, którego celem było wyznaczenie efektywności energetycznej, ekologicznej i ekonomicznej układu hybrydowego na przykładzie systemu słoneczno-wiatrowego. Słowa kluczowe: układ hybrydowy, odnawialne źródła energii, fotowoltaika, mała elektrownia wiatrowa, efektywność systemu Wprowadzenie Obecnie wiele uwagi poświęca się pozyskiwaniu energii ze źródeł innych niż konwencjonalne. Predykcje dotyczące wystarczalności rezerw takich surowców jak węgiel, ropa naftowa, czy gaz ziemny powodują niepokój w środowiskach związanych z szeroko rozumianą gospodarką energetyczną, gdyż szacowane ich pokłady mogłyby posłużyć ludzkości jeszcze przez około lat [16]. Najbardziej optymistyczne z prognoz mówią o możliwości wydobycia węgla prze około 200 lat, ropy naftowej 100 lat oraz gazu przez 150 lat [16]. Dlatego aby wydłużyć okres eksploatacji tradycyjnych źródeł energii poszukuje się nowych, alternatywnych zasobów [9,28]. Zwrot ku odnawialnym źródłom podyktowany jest nie tylko perspektywą wyczerpania paliw kopalnych, ale też pewnymi aspektami środowiskowymi płynącymi z ich stosowania. W przypadku wytwarzania energii z OZE emisja szkodliwych substancji nie występuje, co jest niewątpliwą zaletą tych instalacji. Ponadto alternatywne źródła posiadają szereg innych walorów, do których zalicza się: niewyczerpalne, odnawiające się zasoby, utrzymujący się na stałym poziomie koszt uzyskiwanej energii, sposobność ich stosowania w układach wydzielonych oraz możliwość produkcji energii w systemie rozproszonym w dowolnym miejscu bez konieczności przesyłania jej na dalekie odległości, co minimalizuje straty przesyłu, a także stanowi szansę na dostarczenie energii w miejsca, gdzie dostęp do sieci elektroenergetycznej jest znacznie utrudniony [3,9,15,18]. 11 Zakład Systemów Technicznych i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J. i J. Śniadeckich w Bydgoszczy, Al. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz, Polska, tel.: , weronika. kruszelnicka@gmail.com 103

105 Weronika KRUSZELNICKA Głównymi problemami, z którymi borykają się instalacje OZE są nadal duże koszty inwestycyjne, jakość wytwarzanej energii, niestabilność jej produkcji w czasie i związane z tym próby magazynowania energii. Niestabilność produkcji energii ze źródeł odnawialnych stanowi problem zarówno w przypadku instalacji o dużej jak i niewielkiej mocy. Zmienna ilość energii wprowadzana do sieci może powodować zakłócenia w przesyle i pogorszenie jakości mocy u odbiorców, a także sezonowe nadwyżki lub niedobory energii. Zapewnienie stałości dostarczanej energii coraz częściej realizuje się łącząc dwa lub więcej procesorów energii o uzupełniających się charakterystykach rocznych uzysków energetycznych. Tworzone w ten sposób układy hybrydowe mogą w najbliższym czasie pozwolić na tworzenie całkowicie autonomicznych gospodarstw niezależnych od dostaw energii z systemu energetycznego [4,7,28,]. Mając na uwadze rosnący wzrost zainteresowania tematyką układów hybrydowych za cel pracy postawiono przedstawienie rynku instalacji odnawialnych źródeł energii, charakterystykę i przegląd instalacji hybrydowych powstających w Polsce i na świecie oraz określenie zasadności stosowania tych układów w warunkach Polskich pod względem produkcji energii elektrycznej i opłacalności inwestycji na przykładzie instalacji słoneczno-wiatrowej. 1. Instalacje hybrydowe W świetle tendencji rozwojowych sektora OZE i polityki prowadzonej przez UE, która szczególnie traktuje przedsięwzięcia w kierunku innowacji i promowania energetyki rozproszonej upatruje się rozkwitu hybrydowych systemów wytwórczych (HSW) [19]. Układy hybrydowe lub hybrydowe systemy wytwórcze (HSW) są generatorami energii wykorzystującymi więcej niż jedno źródło energii zarówno odnawialnej jak i nieodnawialnej [10]. Józef Paska w pracy [19] definiuje układy hybrydowe w następujący sposób:,,[ ] małe zespoły współpracujących jednostek wytwórczych energii elektrycznej (lub ciepła) albo energii elektrycznej i ciepła, o zróżnicowanych nośnikach energii pierwotnej (odnawialne i nieodnawialne) i/lub zawierające układ(y) do magazynowania energii, przy czym sterowanie i koordynacja ich współpracy odbywa się przy wykorzystaniu zaawansowanych układów energoelektronicznych. Do podstawowych elementów układów hybrydowych zalicza się: minimum dwa nośniki energii zarówno odnawialnej jak i nieodnawialnej, system magazynowania energii (najczęściej w formie akumulatorów), kontroler ładowania akumulatorów oraz inwerter a także system połączeń elementów. Na rysunku 1 przedstawiono schemat budowy systemu hybrydowego [14,16,19,20]. W Europie jedne z wczesnych systemów hybrydowych powstawały w latach 80-tych XX wieku. Ideą przyświecającą powstaniu tych systemów było dostarczenie energii elektrycznej, tam gdzie nie istniała możliwość przyłączenia infrastruktury do sieci elektroenergetycznej. W ten sposób zasilane były np. przekaźniki telekomunikacyjne w australijskim buszu oraz w górskich osadach w Boliwii. Moc osiągana przez pierwsze instalacje wynosiła od kilku do kilkuset kilowatów. Najczęściej składały się z ogniw słonecznych, siłowni wiatrowej, zestawu akumulatorów lub generatora diesla [2,24]. Od 1983 roku pracują elektrownie hybrydowe na wyspie Kythnos w Grecji oraz na Niemieckiej wyspie Pellworn. Na wyspie Bullerö w archipelagu Wysp Sztokholmskich w 1988 roku hybrydowy układ został wykorzystany do zasilania parku narodowego. Te trzy instalacje oparte są na procesorach energii słonecznej i wiatrowej, dodatkowo wyposażono je w silniki diesla [2]. 104

106 Analiza efektywności hybrydowych systemów energii odnawialnej Rys. 1. Schemat blokowy układu hybrydowego (opracowanie własne) W latach 90-tych na świecie zdecydowanie przybywało kolejnych projektów łączących kilka instrumentów przetwarzających energię ze źródeł odnawialnych. W dalszym ciągu jednak były to małe instalacje, pozwalające na doprowadzenie elektryczności w miejsca gdzie jest ona niedostępna np.: wioska Santa Maria oraz Xcalac w Meksyku, stacja meteorologiczna i latarnia morska na wyspie Granite Island (USA), wyspa Santa Rosa (USA), układy hybrydowe na Wyspach Wielkanocnych oraz Wyspach Kanaryjskich oraz stacje kontrolno pomiarowe w Andach. Rysunek 2a. przedstawia instalację hybrydową składającą się z ogniw fotowoltaicznych i małej turbiny wiatrowej zasilającą jedną z meksykańskich wiosek [2,15,24]. Rys. 2. Instalacje hybrydowe a) słoneczno-wiatrowa w Meksyku [29]; b) składająca się z modułów fotowoltaicznych i elektrowni wiatrowej w Holandii zasilająca gospodarstwo rolne [10] 105

107 Weronika KRUSZELNICKA Obecnie coraz częściej próbuje się budować instalacje hybrydowe o dużych mocach na skalę przemysłową. W przypadku indywidualnych potencjalnych prosumentów rozwiązanie to jest mało popularne z powodu zdecydowanie wyższych kosztów oraz bardziej skomplikowanej budowy układu i samego procesu projektowego. Jednak powstawanie hybryd byłoby szczególnie pożądane z punktu widzenia energetyki rozproszonej ze względu na bardziej stabilne uzyski energii elektrycznej o lepszej jakości, niż w przypadku pojedynczych instalacji składających się np. tylko z ogniw fotowoltaicznych czy turbin wiatrowych [19]. Instalacje hybrydowe na rynku energetyki nie odgrywają jeszcze znaczącej roli. Nie są powszechnie stosowane komercyjnie, choć obserwuje się zdecydowany wzrost liczby tego typu systemów. Większość instalacji powstaje w miejscach o ograniczonym dostępie do energii elektrycznej głównie wyspy, górskie i afrykańskie osady. Powstawanie nowych instalacji związane jest z wprowadzeniem programów wsparcia terenów niezelektryfikowanych. Wiele z nich zlokalizowane jest na terenach wiejskich. Najwięcej inwestycji w hybrydy przeprowadzono w USA, krajach Ameryki, Indiach oraz Europie. Jedną z przykładowych instalacji europejskich przedstawiono na rysunku 2b. [10]. Przeważająca liczba systemów hybrydowych posiada moc od kilkunastu do kilkuset watów, jednak przybywa inwestycji o dużej mocy będących w stanie zasilać pojedyncze wioski i miasteczka. W ostatnich 5 latach tylko w Niemczech przybyły 4 nowe systemy: w Neuried, Taukirchen wykorzystujące biomasę i energię geotermalną do produkcji ciepła, w Pellworm (hybryda słońce-wiatr) oraz w Prenzlau system o mocy 6MW składający się z ogniw wodorowych, elektrowni wiatrowych oraz biogazowni [27]. W 2014 roku w Boliwii (Cobija) rozpoczęła się budowa hybrydowej farmy złożonej z modułów PV, generatorów diesla oraz banku akumulatorów, o łącznej mocy 5 MW. Układ ma zapewnić około 50 % zapotrzebowania na energię elektryczną miasta Cobija [2,10,34] Klasyfikacja systemów hybrydowych Zasadniczo podział instalacji hybrydowych dokonywany jest na podstawie czterech kryteriów [10,33]: rodzaj stosowanych nośników energii, ilość składowych procesorów energii, sposób zachowania ciągłości dostaw energii oraz integrację z siecią elektroenergetyczną. Tabela 1. przedstawia szczegółową klasyfikację instalacji hybrydowych na podstawie powyższych kryteriów. Tabela 1. Szczegółowa klasyfikacja układów hybrydowych Ze względu na rodzaj stosowanych nośników energii Systemy wykorzystujące tylko nośniki energii odnawialnej Systemy mieszane KLASYFIKACJA UKŁADÓW HYBRYDOWYCH Ze względu na ilość składowych procesorów energii Systemy podwójne Systemy wielorakie Źródło: opracowanie własne na podstawie [30,33] Ze względu na sposób zachowania ciągłości dostaw Systemy wyposażone w magazyny energii Systemy bez magazynowania energii Ze względu na integrację z siecią elektroenergetyczną Systemy on-grid Systemy off-grid 106

108 Analiza efektywności hybrydowych systemów energii odnawialnej Systemy oparte tylko na procesorach odnawialnych źródeł przewyższają systemy mieszane pod względem nieszkodliwości środowiskowej bardzo niska emisja niebezpiecznych substancji w porównaniu z systemami mieszanymi [21]. Układy wspomagane przez konwencjonalne generatory energii (np. silniki Diesla) charakteryzują się wyższym poziomem emisji spowodowanym pracą silników spalinowych. Stosowanie tradycyjnych prądnic pozwala jednak na utrzymanie stałego poziomu energii elektrycznej dostarczanej do odbiorców, co jest uzasadnione w systemach autonomicznych w przypadku niewystarczającej produkcji energii z procesorów energii odnawialnej, a także redukcji pojemności zasobników energii [21]. Układy podwójne cechują się zdecydowanie prostszą strukturą i łatwiejszym procesem sterowania, a także mniej skomplikowanym tokiem dopasowania mocy współpracujących urządzeń w porównaniu z układami wieloskładnikowymi. Możliwych kombinacji połączeń jednostek wytwórczych w dwuskładnikowe instalacje jest bardzo wiele, jednak tylko niewielka część z nich jest stosowana obecnie. Dużo większa liczba zespołów znajduje się w fazie badań i rozwoju i należy oczekiwać ich pojawienia się na rynku instalacyjnym w najbliższym czasie. Spory odsetek stanowią również połączenia procesorów, dla których istnieje możliwość korelacji, ale rozwiązań tych jak dotąd nie wykonano ani nie przeprowadzano na nich badań [21]. Nad strukturą systemów wielorakich nadal prowadzi się badania naukowe dotyczące dostępnych wariantów ich kombinacji, co nie oznacza, że instalacji tego typu nie stosuje się. W ostatnich latach powstało bowiem kilka pionierskich struktur trójskładnikowych (Niemcy, Szwecja, projekt w Uniejowie). Za główny problem w przypadku konstrukcji wieloskładnikowej uważa się złożony proces projektowy oraz kłopotliwe dobranie odpowiedniej mocy urządzeń a także współpracę procesorów [34]. Formacje z możliwością magazynowania pozwalają na zachowanie ciągłości dostaw energii w przypadku niskiej bieżącej produkcji (lub jej braku)z sekcji generatorów nie będącej w stanie pokryć zapotrzebowania energetycznego odbiorców. To na jak długi okres wystarczą rezerwy zgromadzonej energii uzależnione jest od pojemności i rodzaju zasobnika. W instalacjach hybrydowych najczęściej jako magazyny energii wykorzystuje się akumulatory, choć czasem stosuje się także ogniwa paliwowe, superkondensatory. W bardziej zaawansowanych rozwiązaniach można by rozważyć użycie elektrowni szczytowo-pompowych jako zasobnik energii dla układów hybrydowych. Wyposażenie instalacji w komórki akumulacyjne podnosi jednak jej koszt i powoduje wyższą szkodliwość środowiskową w całym cyklu życia związaną z zagospodarowaniem poużytkowym akumulatorów [18,19]. Systemy bez akumulacji energii są rozwiązaniami tańszymi od układów z bateriami akumulatorów. Zasobniki energii często pomija się dla hybrydowych jednostek wytwórczych, które mają współpracować z siecią - nadwyżki sprzedawane do sieci elektroenergetycznej a niedobór kompensowany poborem energii od operatora. Zestawy nie posiadające w swej budowie magazynów energii instaluje się również w miejscach gdzie ciągłość dostaw energii nie stanowi priorytetu, lub też się jej nie wymaga [3]. Układy typu off-grid wyposażone są przeważnie w zestawy akumulacji energii i bardzo często wykorzystują konwencjonalne procesory w celu pozyskania odpowiedniej mocy wytwórczej. Instalacje autonomiczne montuje się głównie na terenach o ograniczonym dostępie do energii elektrycznej czy cieplnej. Specyfika lokalizacyjna wymusza, aby systemy te zapewniały ciągłość dostaw energii i pokrywały całość bieżącego zapotrzebowania energetycznego [5,8]. 107

109 Weronika KRUSZELNICKA W przypadku systemów on-grid owych nie ma konieczności stosowania zasobników energii, co zmniejsza koszt instalacji. Raczej układy tego typu stosuje się jako wspomaganie zasilania, gdyż nie muszą one pokrywać pełnego zapotrzebowania na energię. Charakterystyczną cechą tych rozwiązań jest współpraca z siecią elektroenergetyczną, co wprowadza pewne wymogi dotyczące jakości energii elektrycznej przesyłanej z hybrydowych jednostek wytwórczych do sieci [3,5,20] Wady i zalety układów hybrydowych Wykorzystanie zespołów hybrydowych niesie ze sobą wiele aspektów. W tabeli 2 wyszczególniono najważniejsze wady i zalety systemów hybrydowych. Tabela 2. Wady i zalety systemów hybrydowych SYSTEMY HYBRYDOWE ZALETY WADY o stabilność i ciągłość dostaw energii o przewymiarowanie instalacji o zmniejszenie pojemności akumulatorów o wysoki koszt instalacji o kompensacja niedoskonałości pojedynczych o skomplikowana budowa procesorów energii, o konieczność stosowania zawansowanych o możliwość jednoczesnego wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej, o kłopotliwy proces projektowania urządzeń sterujących o uniezależnienie od sieci elektroenergetycznej o zasilanie terenów niezeeletryfikowanych o nieszkodliwość środowiskowa o niskie koszty eksploatacji o obniżenie kosztów przesyłu energii o elastyczność lokalizacyjna Źródło: opracowanie własne 2. Aspekty projektowania instalacji hybrydowych Modelowanie i poprawne zaprojektowanie systemu hybrydowego wymaga od projektanta dużej wiedzy i znajomości podstawowych parametrów pracy poszczególnych nośników energii. Na rysunku 3 przedstawiono ideę projektowania systemu hybrydowego. Pierwszy krok w trakcie projektowania to oszacowanie zasobów energetycznych danej lokalizacji - co w przypadku systemu PV - EW sprowadza się do wyznaczenia potencjału energetycznego wiejącego wiatru i promieniowania słonecznego. Po uzyskaniu tych wartości w dalszym etapie należy określić dobowe zużycie energii (E) - robi się to na podstawie danych o rodzaju i mocy (Pi) użytkowanych odbiorników oraz czasie ich pracy w ciągu doby (ti) według następującego wzoru: E = P i t i (1) lub na podstawie wykonanych pomiarów rzeczywistego dobowego zużycia energii. 108

110 Analiza efektywności hybrydowych systemów energii odnawialnej Wybór technologii i specyfikacja techniczna nosników Koszty systemu Oszacowanie zasobów środowiska (energia wiatru i energia słoneczna) Wiedza inżynierska - modelowanie zmiennych Określenie zapotrzebowania na energię w danym obiekcie SYSTEM HYBRYDOWY Symulacja Rys. 3. Idea projektowania systemu hybrydowego PV EW. Opracowanie własne na podstawie [5,17,18,31] Następnie wybiera się technologię i odpowiedni typ nośników a także ich moc poprzez odpowiednie zamodelowanie za pomocą funkcji matematycznych. W zależności od wybranych parametrów i założonych celów (np. minimalizacja kosztów, maksymalizacja produkcji energii) modelowanie to przeprowadzane jest na różne sposoby i może łączyć w sobie elementy optymalizacji układu biorąc pod uwagę takie parametry jak: prawdopodobieństwo niedoborów energii, przewidywana produkcja energii z systemu, koszt powstania i eksploatacji układu czy jednostkowy koszt wytworzenia energii [18]. W pracy [13] dokonano podziału problemów rozwiązywanych w procesie optymalizacji na trzy kategorie: problemy konfiguracyjne - dotyczące wyboru technologii i rodzaju generatorów energii, ich liczby i mocy; problemy projektowe - optymalizacja mocy nośników, tak aby możliwe było: pełne pokrycie zapotrzebowania na energię, zminimalizowanie kosztów systemu, uzyskanie jak najmniejszej nieszkodliwości środowiskowej problemy eksploatacyjne - związane z integracją i współpracą wybranych nośników energii min. kontrolowanie ładowania i rozładowania akumulatorów, wybór konwerterów napięcia, falowników itp. [13]. 109

111 Weronika KRUSZELNICKA W procesie optymalizacji można także wyróżnić kryteria na podstawie, których dokonywana będzie optymalizacja. Podobnie jak w przypadku problemów, kryteria optymalizacyjne klasyfikuje się na trzy grupy [13]: kryteria ekonomiczne, kryteria techniczno-eksploatacyjne, kryteria potencjału. Szczegółowy podział kryteriów optymalizacyjnych wg [13] przedstawiono w tabeli 3. Tabela 3. Kryteria optymalizacyjne wg [13] EKONOMICZNE całkowity koszt systemu koszt jednostkowy mocy urządzeń koszty społeczne KRYTERIA OPTYMALIZACYJNE TECHNICZNO - - EKSPLOATACYJNE redukcja zużycia paliw kopalnych zmniejszenie emisji dwutlenku węgla pojemność zasobników energii wykluczenie występowania nadwyżek produkcji energii POTENCJAŁU Minimalizacja jednostkowego kosztu wytwarzania energii Maksymalizacja niezawodności systemu Źródło: opracowanie własne 3. Materiał i metody 3.1. Obiekt badań Za obiekt badań przyjęto instalację hybrydową-słoneczno wiatrową. Projekt instalacji wykonano do zasilania w energię elektryczną gospodarstwa rolnego położonego w Nowejwsi Pałuckiej, gmina Gąsawa, województwo kujawsko - pomorskie. W pierwszym kroku postępowania projektowego oszacowano zasoby energii słońca i wiatru w wybranej lokalizacji. Na rysunku 4 przedstawiono mapę nasłonecznienia w Polsce oraz zaznaczono położenie projektowanej instalacji. Nasłonecznienie dla Nowej Wsi Pałuckiej wynosi 1100 kwh/m2. Średnie miesięczne prędkości wiatru na wysokości 10m zaczerpnięto z pracy [6] dla Warszawy, przyjmując, że wybrana lokalizacja leży w tej samej strefie wietrzności co Warszawa, a następnie przeliczono prędkość wiatru na wysokości 20 m. Na rysunku 5 przedstawiono wartości średnich prędkości wiatru w poszczególnych miesiącach. Wyliczono, że średnia roczna prędkość wiatru wyniosła 4,6 m/s. 110

112 Analiza efektywności hybrydowych systemów energii odnawialnej Rys. 4. Położenie projektowanej instalacji oraz nasłonecznienie w wybranej lokalizacji [36] Vśr [m/s] 5 4, Rys. 5. Średnie prędkości wiatru w poszczególnych miesiącach roku na wysokości 20 m w wybranej lokalizacji Następnie w celu dobrania mocy nośników energii określono zużycie energii elektrycznej w gospodarstwie rolnym. Odbiorniki to głównie sprzęt gospodarstwa domowego, ale także sprzęty zasilane trójfazowo o dużej mocy wykorzystywane na potrzeby prac gospodarskich. Gospodarstwo charakteryzuje się więc dużą energochłonnością. Roczne zużycie energii w 2015 roku wyniosło 8976 kwh, a szacunkowe koszty ponoszone rocznie na ener- 111

113 Weronika KRUSZELNICKA gię elektryczną wynoszą około 5000 zł, co ustalono na podstawie rachunków za energię elektryczną. Rysunek 6. przedstawia zużycie energii elektryczne w gospodarstwie rolnym w poszczególnych miesiącach w 2015 roku. Zużyycie energii elektrycznej [kwh] ,5 738,5 741,5 741,5 719,5 719,5 812,5 Rys. 6. Zużycie energii elektrycznej w poszczególnych miesiącach w 2015 roku Po oszacowaniu zasobów energii słonecznej i wiatru oraz zapotrzebowania na energię w gospodarstwie obliczono wymaganą moc poszczególnych urządzeń energii odnawialnej. Po obliczeniach dobrano moc sekcji fotowoltaicznej równą 10 kw ( 40 modułów polikrystalicznych po 250 W każdy), moc turbiny wiatrowej równą 10 kw (turbina o poziomej osi obrotu). Rys. 7. Schemat blokowy badanego układu hybrydowego słoneczno-wiatrowego 112

114 Analiza efektywności hybrydowych systemów energii odnawialnej Instalacja będzie wyposażona także w baterie akumulatorów (6 akumulatorów modułowych OPzS o pojemności 4560 Ah i napięciu 2 V) do gromadzenia nadwyżek produkowanej energii oraz podłączona do sieci elektroenergetycznej. W odniesieniu do założonego stanu postulowanego o 100 % pokryciu zapotrzebowania obiektu na energie elektryczną ze źródeł energii przewiduje się przewymiarowanie nośników energii i sporą nadwyżkę produkcji, którą oprócz magazynowania będzie można sprzedać do sieci elektroenergetycznej i zwiększyć zyski z tytułu pracy instalacji. Wyposażenie instalacji w akumulatory podnosi koszty jej powstania. Energia elektryczna generowana przez elektrownię wiatrową i sekcję PV kierowana jest do akumulatorów, za ładowanie których odpowiedzialne są kontrolery ładowania. Gdy akumulatory są w pełni naładowane, a nadal występują nadwyżki energii przesyłane są one do odbiorników lub sieci elektroenergetycznej. Za zamianę parametrów prądu produkowanego w instalacji odpowiedzialne są inwertery, które połączone są szeregowo. Rysunek 7 przedstawia schemat blokowy układu hybrydowego słoneczno wiatrowego. Dla omawianego układu przeprowadzono analizę efektywności energetycznej, ekonomicznej i ekologicznej Wskaźniki efektywności W przypadku instalacji hybrydowych lub ogólnie instalacji odnawialnych źródeł energii konieczne jest wykonanie wielu analiz w celu określenia rzeczywistych korzyści płynących z ich powstania. Głównie szacunki te dotyczą efektów ekonomicznych - gdyż to one decydują najczęściej o tym czy dany projekt zostanie zrealizowany. Nie mniej jednak dla instalacji hybrydowych oprócz analizy opłacalności ocenia się także ich oddziaływanie na środowisko oraz przeprowadza się bilans energetyczny [26]. Wskaźniki efektywności powinny być brane pod uwagę już na samym wstępie procesu projektowego. Pomocne w tym względzie są zaawansowane techniki optymalizacyjne, omówione we wcześniejszym rozdziale, dzięki którym możliwie najlepiej pod względem efektywności dobiera się moce nominalne nośników energii oraz pojemności zasobników [3]. Oceny projektu pod względem energetycznym, ekonomicznym i wpływu na środowisko dokonano m.in. wyznaczając wskaźniki efektywności ekonomicznej, energetycznej i ekologicznej Wskaźnik efektywności energetycznej Efektywność energetyczną można opisać wzorem: (2) gdzie: K EN - korzyści energetyczne - produkcja energii przez instalację N EN - nakłady energetyczne - energia wykorzystana do produkcji instalacji 113

115 Weronika KRUSZELNICKA Dla projektowanego układu wzór przyjmie postać: (3) wtedy: E w - roczny uzysk energii w sekcji wiatrowej, E s - roczny uzysk z sekcji fotowoltaicznej, E pew - zużycie energii w cyklu życia elektrowni wiatrowej, E ppv - zużycie energii w cyklu życia modułów fotowoltaicznych, E pbat - zużycie energii w cyklu życia akumulatorów, E pi - zużycie energii do produkcji inwertera Wskaźnik efektywności ekonomicznej W literaturze spotkać można wiele wskaźników oraz metod statystycznych lub dynamicznych służących do oceny ekonomicznej inwestycji np.: okres zwrotu, wewnętrzna stopa zwrotu czy wskaźnik zyskowności [9]. Efektywność ekonomiczną wyznaczono w postaci: gdzie: K EKM - korzyści ekonomiczne - zyski w okresie eksploatacji (25 lat), N EKM - nakłady ekonomiczne - poniesione wydatki. (4) Wskaźnik efektywności ekologicznej Do oceny efektów ekologicznych danej instalacji najczęściej wyznacza sie efektywność ekologiczną daną wzorem: gdzie: K EKO - korzyści ekologiczne N EKO - nakłady ekologiczne potrzebne do uzyskania korzyści (5) Dla projektowanej instalacji efektywność ekologiczną można opisać zależnością: przy czym: K EW - korzyści ekologiczne płynące z działania elektrowni wiatrowej K PV - korzyści ekologiczne płynące z działania modułów fotowoltaicznych N EW - nakłady ekologiczne pracy elektrowni wiatrowej N PV - nakłady ekologiczne na fotowoltaikę N Bat - nakłady ekologiczne na akumulatory N Pu - nakłady ekologiczne na pozostałe urządzenia (6) 114

116 Analiza efektywności hybrydowych systemów energii odnawialnej Analizę efektywności ekologicznej przeprowadzono w odniesieniu do emisji dwutlenku węgla. 4. Wyniki i ich analiza 4.1. Wyznaczenie efektywności energetycznej W pierwszej kolejności wyznaczono efektywność energetyczną instalacji. Przyjęto okres użytkowania układu równy 25 lat. Za korzyści przyjęto wyprodukowaną energię w cyklu istnienia: E w = 3622 kwh/rok średnia roczna produktywność elektrowni wiatrowej, E s = kwh/rok średnioroczna produktywność panelu fotowoltaicznego o mocy 10 kw. Produkcja energii elektrycznej przekracza zapotrzebowanie obiektu na energię, część energii magazynowana jest w akumulatorach, pozostała część zostaje sprzedana do sieci elektroenergetycznej. Sumując produkcję energii z obu sekcji (fotowoltaicznej (PV) i wiatrowej (EW)) widoczny jest w przybliżeniu równomierny uzysk energii w ciągu roku, bardziej stabilny niż w przypadku produkcji np. tylko z sekcji PV, gdzie w okresie zimowym instalacja nie pokryłaby zapotrzebowania na energię. W poszczególnych miesiącach roku zapotrzebowania na energię elektryczną zostaje pokryte przez instalację hybrydową (Rys. 8.) 1600 [kwh] e le ktryczna Ene rgia Miesięczne zuzycie energii w obiekcie Łącznie Ew + Es Rys. 8. Miesięczne zużycie energii elektrycznej w obiekcie i produkcja energii z układu hybrydowego 115

117 Weronika KRUSZELNICKA Jako nakłady przyjęto energię potrzebną do wytworzenia: E pew = zużycie energii w procesie wytwarzania elektrowni wiatrowej [22], E ppv = zużycie energii w procesie produkcji modułów fotowoltaicznych [12], E pbat = zużycie energii na wytwarzanie akumulatorów [23], E pi = zużycie energii do produkcji inwertera [12]. Dla układu efektywność energetyczna wynosi więc: (7) 4.2. Wyznaczenie efektywności ekonomicznej Do oszacowania ekonomicznej opłacalności projektowanej instalacji hybrydowej wykorzystano najczęściej stosowany przy szybkich kalkulacjach wskaźnik SPBT inaczej prosty czas zwrotu, który wyraża się wzorem [1]: (8) W tabeli 4 przedstawiono przewidywane nakłady finansowe konieczne do powstania instalacji. Orientacyjne ceny w większości pochodzą z katalogów producentów lub firm dystrybucyjnych. Tabela 4. Zestawienie kosztów elementów instalacji Element Koszt [zł] Moduły PV z osprzętem Turbina wiatrowa z osprzętem Magazyn energii Falownik Inwerter PV RAZEM: Źródło: opracowanie własne na podstawie [32,37-39] Roczne zyski (R Z ) z działania instalacji obejmują oszczędności (O) wynikające z braku konieczności zakupu energii elektrycznej z sieci elektroenergetycznej - ok zł brutto oraz kwotę ze sprzedaży nadwyżek produkowanej,,zielonej energii (S N ). S N ustalono mnożąc nadwyżki energii produkowane w ciągu roku i odsprzedane do sieci elektroenergetycznej przez stawkę jednostkową sprzedaży energii z OZE na zasadach sprzedaży dla instalacji do 40 kw [42] na poziomie 17 gr/kwh netto, czyli 21 gr/kwh brutto[40]: (9) 116

118 Analiza efektywności hybrydowych systemów energii odnawialnej Roczne zyski wyniosą więc: (10) Okres zwrotu dla instalacji bez dotacji kształtuje się następująco: (11) Dla instalacji przeprowadzono również analizę efektywności ekonomicznej. Korzyści ekonomiczne w okresie eksploatacji systemu są iloczynem rocznych zysków (Rz) i okresu użytkowania systemu (tu): (12) Efektywność ekonomiczna wyniesie więc: (13) Instalacja bez dotacji jest nieefektywna pod względem ekonomicznym, ponieważ korzyści ekonomiczne w całym okresie eksploatacji są niższe niż poniesione nakłady, a wskaźnik efektywności wyniósł mniej niż 1. Uwzględniając możliwość otrzymania dofinansowania z Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej z puli pieniężnej programu PROSUMENT w wysokości nawet do 100 % kosztów kwalifikowanych. Dla instalacji hybrydowych maksymalna kwota dotacji może wynieść 40 % [11]. W przypadku otrzymania dotacji okres zwrotu wyniesie: (14) Instalacja zwróci się więc po 15 latach, co nie jest najgorszym wynikiem dla instalacji, która w 100 % pokrywa zapotrzebowanie na energię ze źródeł odnawialnych. Efektywność ekonomiczna dla instalacji z dotacją przedstawiać się będzie następująco: (15) Po otrzymaniu dotacji również efektywność ekonomiczna jest znacznie wyższa. Oprócz tego, że nakłady poniesione zwrócą się w 100%, ponadto instalacja w okresie użytkowania będzie generować przychody w wysokości ok. 73% poniesionych nakładów. 117

119 Weronika KRUSZELNICKA 4.3. Wyznaczenie efektywności ekologicznej Analizę efektywności ekologicznej przeprowadzono w odniesieniu do emisji dwutlenku węgla. Korzyści ekologiczne (K eko ) płynące z funkcjonowania w instalacji hybrydowej dotyczą przede wszystkim uniknięcia emisji szkodliwych substancji do atmosfery. Można je wyznaczyć mnożąc ilość substancji niewyemitowanych do atmosfery przypadającą na 1 wyprodukowaną kilowatogodzinę przez ilość energii wytworzonej w okresie eksploatacji elektrowni wiatrowej (K EW,25 ) i modułów fotowoltaicznych (K PV,25 ). W tabeli 5. przedstawiono korzyści ekologiczne płynące z funkcjonowania systemu. Przyjmuje się, że wyprodukowanie 1 kwh energii z PV zapobiega emisji 800 g CO 2 [25], natomiast z elektrowni wiatrowej jest to 700 g CO 2 [15]. Tabela 5. Zestawienie korzyści ekologicznych w cyklu życia układu hybrydowego Element Produkcja energii w okresie użytkowania- [kwh] Uniknięta emisja CO 2 na 1 kwh wytworzoną [g/kwh] Całkowita uniknięta emisja CO 2 ([g] Moduły PV (K EW ) Turbina wiatrowa (K PV ) RAZEM (K eko ): Źródło: opracowanie własne Nakład CO 2 na produkcję modułów i pozostałych elementów można wyznaczyć przyjmując emisję CO2 do produkcji 1 kwh energii w elektrowniach konwencjonalnych opartych o spalanie węgla kamiennego na poziomie 812 g (m CO2 )i mnożąc ją przez ilość energii potrzebnej do wytworzenia elementów instalacji (N EN ) [41]. W tabeli 6. zestawiono nakłady ekologiczne na wytworzenie poszczególnych elementów badanego układu hybrydowego. Tabela 6. Zestawienie korzyści ekologicznych w cyklu życia układu hybrydowego Element Zużycie energii do produkcji elementu[kwh] Jednostkowa emisja CO 2 [g/kwh] Całkowita emisja CO 2 podczas wytwarzania elementu[g] Moduły PN (N PV ) Turbina wiatrowa (N EW ) Akumulatory (N bat ) Pozostałe elementy (N pu ) RAZEM (N EN ): Źródło: opracowanie własne 118

120 Analiza efektywności hybrydowych systemów energii odnawialnej Efektywność ekologiczna wyniesie zatem: (15) Instalacja pod względem ekologicznym jest efektywna. Poniesione nakłady w postaci wyemitowanego dwutlenku węgla zwrócą się w okresie eksploatacji projektowanej instalacji. Pod względem ekologicznym tworzenie systemów hybrydowych jest zasadne, ponieważ redukcja dwutlenku węgla jest znacząca. Na rysunku 9. przedstawiono bilans emisji CO 2 dla badanego układu słoneczno-wiatrowego. Jak widać masa niewyemitowanego CO 2 dzięki produkcji energii elektrycznej z układu jest wyższa niż masa CO 2 wyemitowana na etapie wytwarzania elementów instalacji Całkowita masa CO2 niewyemitowanego dzięki pracy układu hybrydowego [g] Całkowita emisja CO2 potrzebna do wytworzenia elementów instalacji [g] Rys. 9. Bilans emisji CO 2 w cyklu życia badanego układu hybrydowego słoneczno-wiatrowego [opracowanie własne] 5. Podsumowanie i wnioski Instalacja w całości pokrywa zapotrzebowanie roczne i miesięczne na energię elektryczną (Rys. 8.). Nadmiar produkowanej energii magazynowany jest w akumulatorach, a pozostała część nieskonsumowanej energii wtłaczana jest do sieci elektroenergetycznej. Pomimo koniecznego przewymiarowania instalacji, tak aby pokrywała ona w 100% zapotrzebowanie ze źródeł odnawialnych, instalacja jest efektywna pod względem energetycznym i ekologicznym, co w założeniu chciano osiągnąć. Z ekonomicznego punktu widzenia instalacja bez systemu wsparcia jest nieopłacalna w wybranej konfiguracji, ponieważ okres zwrotu nakładów obejmowałby cały cykl użytkowania systemu. Uwzględniając jednak możliwość pozyskania dotacji np. z programu Prosument, okres zwrotu nakładów skraca się do akceptowalnego poziomu 15 lat, i po upływie tego okresu instalacja przynosi zyski właścicielom gospodarstwa, co także było jednym z celów opracowania. Zakończenie Na rynku światowym instalacji hybrydowym przybywa z roku na rok, wielu badaczy i naukowców podejmuje temat modelowania, projektowania i optymalizacji tych układów, 119

121 Weronika KRUSZELNICKA aby stawały się one coraz bardziej konkurencyjne pod względem ekonomicznym z energetyką węglową i instalacjami z pojedynczymi odnawialnymi źródłami energii. W Polsce temat układów hybrydowych nadal jest dość nowy, choć obserwuje się wzrost zainteresowania tym zagadnieniem. Przeważająca część tego typu systemów wykorzystywana jest do zasilania miejscowości o ograniczonych możliwościach przyłączenia do systemu elektroenergetycznego. Połączenie kilku jednostek wytwórczych pozwala na lepsze wykorzystanie potencjału odnawialnych źródeł energii niż w przypadku samodzielnie pracującego urządzenia OZE. Zwiększa się w ten sposób stabilność dostaw energii, zapewniona może być ciągłość zasilania oraz możliwe jest tworzenie autonomicznych gospodarstw domowych niezależnych od systemu elektroenergetycznego. Niestety główną barierą rozwoju hybryd nadal pozostaje wysoki nakład inwestycyjny, wyższy niż w przypadku pojedynczych źródeł odnawialnych. Problem stanowi także skomplikowana struktura systemów i stosowanie do ich projektowania zaawansowane modele matematyczne, wymagające większego nakładu pracy w porównaniu z np. projektowaniem instalacji tylko z turbina wiatrową. Ze względu na złożoność instalacji hybrydowych powstaje wiele metod projektowych i optymalizacyjnych, tak aby powstający układ charakteryzował się jak najwyższą wydajnością energetyczną przy jak najniższym koszcie. Proces projektowania uwzględnia takie działania jak: wybór zastosowanej technologii, oszacowanie zasobów środowiska, dobór mocy nośników, określenie zapotrzebowania energetycznego obiektu, optymalizację, sprawdzenie efektywności układu. Polskie warunki środowiskowe stwarzają dobre podłoże dla rozwoju instalacji hybrydowych - pod względem energetycznym będą one opłacalne. Szczególnie korzystne byłoby wykorzystanie hybrydowych jednostek wytwórczych w kontekście energetyki rozproszonej min. budowa mikroinstalacji dla pojedynczych gospodarstw domowych, ale też tworzenie hybryd o dużych mocach zasilających całe wsie lub zakłady przemysłowe co zaczyna się upowszechniać w Ameryce czy u zachodnich sąsiadów Polski. Bez systemu wsparcia finansowego jednak, wzrost liczby systemów hybrydowych będzie nieznaczny. Wprowadzone programy finansowania w postaci dotacji i kredytów powinny ożywić zainteresowanie instalacjami hybrydowymi, ponieważ posiadają one przewagę nad pojedynczymi źródłami energii odnawialnej. Bibliografia [1] AKYUZ, E., OKTAY, Z.,DINCER, I.: Energetic, environmental and economic aspects of a hybrid renewable energy system: a case study. International Journal of Low - Carbon Technologies. Iss. 1 Vol , str [2] BICZEL, P.: Europejskie mikrosieci ze źródłami odnawialnymi. [w]: [red.] Adam Mroziński. Międzynarodowa Konferencja Procesorów Energii Eco-Euro-Energia, 3 Energia odnawialna warunkiem zrównoważonego rozwoju gospodarczego III ECO - EURO- ENERGIA. Bydgoszcz : Targi Bydgoskie SAWO, [3] BOURENNANI, F., RAHNAMAYAN, S., NATERER, G. F.: Optimal design methods for hybrid renewable energy systems. International Journal of Green Energy , str [4] BUCHOLSKI, J.: Wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w układzie hybrydowym elektrowni wiatrowej z ogniwem paliwowym. [w]: [Red.] Adam Mroziński. Międzynarodowa Konferencja Procesorów Energii Eco-Euro-Energia, 2 Odnawialne źródła energii w krajach Unii Europejskiej źródłem korzyści energetycznych - fikcja, stagnacja czy rozwój. Bydgoszcz : Targi Bydgoskie SAWO,

122 Analiza efektywności hybrydowych systemów energii odnawialnej [5] CARTA, J. A.: Integration of renewable energy systems into remote micro - grids. [aut. książki] J. K. Kladellis. Stand - alone hybrid wind energy systems. Technology, energy storage and applications. Oxford : Woodhead Publishing Limited, 2010, str [6] CHOCHOWSKI, A.: Energetyka wiatrowa. [w]: [red] F. Krawiec. Odnawialne źródła energii w świetle globalnego kryzysu energetycznego. Wybrane problemy. Warszawa : Wydawnictwo Difin, 2010, str [7] DMOWSKI, A., PRZYBYSZEWSKI, M.: Mikrosieci prądu stałego w odnawialnej energetyce rozproszonej. [w]: [ red.] Adam Mroziński. Międzynarodowa Konferencja Procesorów Energii Eco-Euro-Energia, 2 Odnawialne źródła energii w krajach Unii Europejskiej źródłem korzyści energetycznych - fikcja, stagnacja czy rozwój. Bydgoszcz : Targi Bydgoskie SAWO, 2005, str [8] IPSAKIS, D., I INNI. Simulation of stand - alone power system using renewable energy sources and hydrogen storage. [dostępny online: [9] JABŁOŃSKI, W., WNUK, J.: Odnawialne źródła energii w polityce energetycznej Unii Europejskiej i Polski. Sosnowiec : Wydawnictwo Wyższej Szkoły Zarządzania i Marketingu w Sosnowcu, [10] KALDELLIS, K.: Overview of stand - alone and hybrid wind energy systems. [w]: [red] J. K. Kaldellis. Stand alone and hybryd wind energy systems. Technology, energy storage and aplications. New Delhi : Woodhead Publishing Limited, 2010, str [11] KAWA, J., MANIA, T.: Zmiany wynikające z wprowadzenia nowej ustawy OZE. Konferencja Odnawialne Źródła Energii,,Instalacje OZE, gaz z łupków, stopień wodny oraz LPG i LNG w transporcie publicznym w województwie kujawsko-pomorskim , Bydgoszcz : Nasza Energia, Stowarzyszenia Tilia, [12] KLUGMAN - RADZIEMSKA, E.: Fotowoltaika - ile to kosztuje? Czysta Energia. nr [13] KONDILI, E.: Design and performance optimisation of stand-alone and hybrid wind energy systems. [w]: [red] J. K. Kaldellis. Stand-alone and hybrid wind energy systems. Technology, energy storage and applications. Oxford : Woodhead Publishing Limited, 2010, str [14] LAL, S., RATURI, A.: Techno-economic analysis of a hybrid mini-grid system for Fiji Island. International Journal of Energy and Environmental Engineering. czerwiec 2012, str [15] LEWANDOWSKI, W. M.: Proekologiczne odnawialne źródła energii. Wydanie IV. Warszawa : Wydawnictwo Naukowo - Techniczne, [16] MANIKANDAN, P., SARAVANAN, J., AYYADURAI, M.: Implementation of Hybrid system (Solar +wind) Case study. International Journal of Science Engineering and Technology Research. Vol. 3, 2014, str [17] MESQUITA, F., MESQUITA, J. R.: Design Optimization of Stand-Alone Hybrid Energy Systems. A New Optimization Concept, LAP Lambert Academic Publishing, [18] MURALIKRISHNA, M., LAKSHMINARAYANA, V.: Hybrid energy systems for rural electrification. Journal of Engineering and Applied Sciences. nr. 5. Vol. 3 Pażdziernik 2008, str [19] PASKA, J.: Generacja rozproszona z wykorzystaniem hybrydowych systemów wytwórczych. Energetyka , str [20] PASKA, J., BICZEL, P., KŁOS, M.: Hybrid power systems An effective way of utilising primary energy sources. Renewable Energy. Vol. 34 październik 2009, str [21] PASKA, J., SAŁEK, M., SURMA, T.: Wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w systemach hybrydowych. Wiadomości Elektrotechniczne. nr , str [22] PEREG, J. R.M., FERNANDEZ DE LA HOZ, J.: Life cycle assesment of 1 kwh generated by a Gamesa onshore windfarm G90 2MW [23] SAMARAS, C., MEISTERLING, K.: Life Cycle Assessment of Greenhouse Gas Emissions from Plug-in Hybrid Vehicles: Implications for Policy. Enwironmental Science and Technology. Vol 42, no , str [24] SHEPPERD, L. W., RICHARDS, R. H.: Solar photovoltaics for development applications, Sandia National Laboratories, U.S. Department of energy, [25] SKIBOWSKI, M.: Stanowisko dydaktyczne do badań instalacji fotowoltaicznej. Praca magisterska na kierunku Mechanika i Budowa Maszyn. Bydgoszcz : [26] SŁOMIŃSKI, D., REŃSKI, A.: Tendencje rozwojowe małych układów skojarzonych w Polsce i na świecie. Rynek Energii. nr , str [27] SMETKIEWICZ, K.: Mix odnawialnych zrodel energii elektrownia hybrydowa w Prenzlau - Niemcy. Globenergia:odnawialne źródła energii. nr , str [28] TITO, M.S. R., LIE, T. T., ANDERSON, T. A: Simple Sizing Optimization Method for Wind - Photovoltaic - Battery Hybrid Renewable Energy Systems. str

123 Weronika KRUSZELNICKA [29] TOMPOROWSKI, A., KRUSZELNICKA, W.: Układ hybrydowy fotowoltaika - elektrownia wiatrowa jako stabilny układ zasilania. Ustronie Morskie pażdziernika Konferencja Czysta energia. Techniczne, ekonomiczne i społeczne aspekty funkcjonowania farm fotowoltaicznych. [30] TYTKO, R.: Urządzenia i systemy energetyki odnawialnej. Wydanie IV. Kraków : Wydawnictwo i Drukarnia Towarzystwa Słowaków w Polsce, [31] VARETSKY, Y., HANZELKA, Z.: Modeling Hybrid Renewable Energy System for Micro Grid. Renewable Energy and Power Quality Journal. nr [32] [Dostęp: ] [33] [dostęp: ] [34] [35] [dostęp: ] [36] [dostęp: ] [37] [dostęp: ] [38] [dostęp: ] [39] [dostęp: ] [40] [dostęp: ] [41] [dostęp: ] [42] Ustawa z dnia 20 lutego 2015 roku o odnawialnych źródłach energii. Dz.U poz Sejm Rzeczypospolitej Polskiej, 20 luty Analysis of the efficiency of hybrid renewable energy systems Abstract: In this day and age a major challenge for the world economy is to develop the energy structure of the highest efficiency and environmental harmlessness. For this purpose, can be used hybrid systems, which link two or more sources of renewable and / or conventional energy. This combination allows for better use of available energy sources and for mutual compensation of defects in single components of hybrid energy systems. The paper presents the idea of hybrid energy systems and conducted examination procedure, the purpose of which was to determine the energetic, environmental and economic efficiency of hybrid system on the example of solar-wind system. Keywords: hybrid system, renewable energy, photovoltaics, small wind turbine, the efficiency of the system 122

124 IX EKO- URO-ENERGIA Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii Izabela PIASECKA 12, Andrzej TOMPOROWSKI 13, Weronika KRUSZELNICKA 14 Możliwości wykorzystania hybrydowych źródeł energii elektrycznej na terenie województwa kujawsko-pomorskiego Abstrakt: W opracowaniu przybliżono definicję hybrydowych źródeł energii elektrycznej, przedstawiono ich podział i przykłady najpopularniejszych rozwiązań. Szczególną uwagę zwrócono na problematykę magazynowania uzyskanej energii i ocenę efektywności. Przeanalizowano również możliwości wykorzystania tego typu instalacji na terenie województwa kujawsko-pomorskiego, z uwzględnieniem specyfiki warunków środowiskowych. Słowa kluczowe: hybrydowe źródła energii, odnawialne źródła energii, energetyka solarna, energetyka wiatrowa, energetyka wodna Wprowadzenie Energetyka rozproszona, rozproszone źródła energii, generacja rozproszona czy wytwarzanie rozproszone wszystko to synonimy rozwijającej się coraz dynamiczniej dziedziny elektroenergetyki, która wpisuje się w ideę rozwoju zrównoważonego. Jest ona rozumiana jako wytwarzanie ciepła i/lub energii elektrycznej w obiektach o małej skali, które zlokalizowane są w sieciach rozdzielczych, albo bezpośrednio u odbiorców. Zazwyczaj definiuje się ją jako: energetyka (generacja) rozproszona - małe (o mocy znamionowej do MW) jednostki lub obiekty wytwórcze, przyłączane bezpośrednio do elektroenergetycznych sieci rozdzielczych lub zlokalizowane w sieci odbiorcy (za urządzeniem kontrolno-rozliczeniowym), często produkujące energię elektryczną z energii odnawialnych lub niekonwencjonalnych, równie często w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła. Pierwsze elektrownie, wybudowane w drugiej połowie XIX wieku, można uznać za źródła niezależne, zasilające wydzielone sieci lokalne. Przez blisko sto lat niepodzielnie panowała energetyka scentralizowana o coraz większych mocach. Obecnie pojawiły się tendencje powrotu do źródeł energii o małej mocy, a więc źródeł rozproszonych [9,15]. W rozproszonych źródłach energii możliwe jest stosowanie małych elektrowni wodnych (MEW), elektrowni wiatrowych, elektrowni geotermicznych, elektrowni fotowoltaicznych (PV), elektrowni heliotermicznych (zdecentralizowanych i z centralnym odbiornikiem), 12 Koło Naukowe Inżynierii Odnawialnych Źródeł Energii, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Bydgoszcz, Al. Prof. S. Kaliskiego 7, piasecka-izabela@wp.pl 13 Instytut Technik Wytwarzania, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Bydgoszcz, Al. Prof. S. Kaliskiego 7, a.tomporowski@utp.edu.pl 14 Koło Naukowe Inżynierii Odnawialnych Źródeł Energii, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Bydgoszcz, Al. Prof. S. Kaliskiego 7, weronika.kruszelnicka@gmail.com 123

125 Izabela PIASECKA, Andrzej TOMPOROWSKI, Weronika KRUSZELNICKA technologii wykorzystujących biomasę i odpady, technologii wykorzystujących pływy, prądy i falowanie mórz oraz ciepło oceaniczne, spalinowych lub parowych silników tłokowych, turbin i mikroturbin gazowych, silników Stirlinga, ogniw paliwowych oraz układów skojarzonych wykorzystujących turbiny gazowe, silniki tłokowe, silniki Stirlinga i ogniwa paliwowe [9,11]. Celem opracowania jest przeprowadzenie analizy możliwości wykorzystania hybrydowych źródeł energii elektrycznej na terenie województwa kujawsko-pomorskiego, ze szczególnym uwzględnieniem źródeł odnawialnych. 1. Definicja i rodzaje hybrydowych źródeł energii Hybrydowy układ wytwórczy posiada dwa lub więcej źródeł energii (technologii), w celu wzajemnego kompensowania ich wad i zalet. Producenci oraz projektanci rozpatrują różne możliwości łączenia rozmaitych technologii, by zwiększyć sprawność i uzyskać lepsze parametry. Hybrydowy układ wytwórczy z dwoma rodzajami zastosowanych technologii określany jest jako podwójny (bivalent), natomiast układ z wieloma źródłami wieloraki (multivalent) [11]. Definicja układu hybrydowego znajduje się również w rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 18 października 2012 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii: układ hybrydowy jednostka wytwórcza wytwarzająca energię elektryczną albo energię elektryczną i ciepło, w której w procesie wytwarzania energii elektrycznej lub ciepła wykorzystywane są nośniki energii wytwarzane oddzielnie w odnawialnych źródłach energii, z możliwością wykorzystania paliwa pomocniczego i w źródłach energii innych niż odnawialne źródło energii, pracujące na wspólny kolektor oraz zużywane wspólnie w tej jednostce wytwórczej do wytworzenia energii elektrycznej lub ciepła. Za paliwo pomocnicze, zgodnie z tą definicją, uważa się paliwo inne niż biomasa stosowane do uruchomienia odnawialnego źródła energii, którego udział wagowy w łącznej ilości spalonej biomasy nie przekracza 0,3% w okresie rozliczeniowym [4]. W układach hybrydowych obecnie znajdują zastosowanie głównie spalinowe zespoły prądotwórcze (np. z silnikiem Diesla), ogniwa fotowoltaiczne oraz małe elektrownie wiatrowe. Mogą być one zestawiane w kombinacje podwójne lub wykorzystywane wszystkie razem. Coraz częściej spotyka się również układy z małymi, modularnymi elektrowniami na biomasę (do 5 MW), ogniwami paliwowymi oraz małymi elektrowniami wodnymi, połączone z turbozespołami wiatrowymi i bateriami słonecznymi [2]. Ze względu na różnorodność i szerokie możliwości dowolnej kombinacji procesorów energii w układach hybrydowych, powstałe systemy klasyfikuje się według następujących kryteriów [5, 21, 23]: rodzaj wykorzystanych w instalacji jednostek wytwórczych, liczebność zastosowanych jednostek, zapewnienie ciągłości dostaw energii, współpracy z siecią elektroenergetyczną. W tablicy 1. przedstawiono szczegółowy podział instalacji hybrydowych według powyższych kryteriów. 124

126 Możliwości wykorzystania hybrydowych źródeł energii elektrycznej na terenie województwa kujawsko-pomorskiego Tablica 1. Klasyfikacja instalacji hybrydowych Kryterium Rodzaj wykorzystanych w instalacji jednostek wytwórczych Liczebność zastosowanych jednostek Zapewnienie ciągłości dostaw energii Współpracy z siecią elektroenergetyczną Źródło: opracowanie własne na podstawie [5, 21, 23] Klasyfikacja instalacji hybrydowych System hybrydowy Systemy złożone tylko z procesorów energii odnawialnej Systemy mieszane Układy podwójne Układy wielorakie Instalacje z możliwością magazynowania energii Instalacje bez zasobników energii Instalacje typu off-grid Instalacje typu on-grid Główne elementy układu hybrydowego wykorzystującego tylko odnawialne źródła energii przedstawiono na rysunku 1. Nośnik energii elektrycznej wytwarzanej z energii wiatru lub wody, stanowi prąd przemienny (AC), przekształcany na prąd stały (DC) w celu ładowania baterii akumulatorów. Rys. 1. Schemat blokowy układu hybrydowego wykorzystującego wyłącznie odnawialne źródła energii [11] System kontrolujący chroni akumulatory przed rozładowaniem oraz przeładowaniem. Przekształtniki energoelektroniczne znajdują zastosowanie do zmiany niskiego napięcia stałego w napięcie przemienne 110V lub 220 V (w zależności od standardów używanych w danym rejonie). Hybrydowe układy wytwórcze znajdują zastosowanie w rejonach odległych lub podczas trudności w transporcie paliw do konwencjonalnych jednostek wytwór- 125

127 Izabela PIASECKA, Andrzej TOMPOROWSKI, Weronika KRUSZELNICKA czych. W Meksyku już w latach 90-tych dwie wsie: Santa Maria Magdalena oraz Xcalac, oddalone w znacznym stopniu od sieci elektroenergetycznej zasilane były całkowicie przez instalacje hybrydowe. Układy te składały się z modułów PV, turbiny wiatrowej, generatora diesla, akumulatorów oraz inwertera a ich moc przekraczała 20 kw. Niestety HSW są bardzo kosztowne ponieważ zachodzi konieczność przewymiarowania odnawialnych źródeł energii i zastosowania układów magazynowania energii [2, 9, 11, 18]. Instalacje z generatorami energii elektrycznej, zasilanymi paliwami kopalnymi, w porównaniu do instalacji z wyłącznym wykorzystaniem alternatywnych źródeł energii, posiadają możliwość redukcji pojemności baterii akumulatorów, ich zdolność do pracy może sięgnąć 100% przy dużo mniejszych zdolnościach wytwórczych pojedynczych elementów składowych, zmniejszają się koszty remontów kapitalnych, ale równocześnie zwiększa się koszt bieżącego utrzymania instalacji, pojawiają się znaczące koszty zakupu paliwa, zwiększa się poziom hałasu oraz emisji zanieczyszczeń do środowiska [9, 10, 11]. Instalacje hybrydowe pozwalają również produkować ciepło, w sposób rozdzielony lub w skojarzeniu (CHP, kogeneracja). Takie możliwości istnieją dzięki zastosowaniu w HSW silników Stirlinga, silników tłokowych (parowych, spalinowych), ogniw paliwowych (wysoko- i średniotemperaturowych), mikro- i małych turbin gazowych, wykorzystania ciepła geotermalnego, biomasy i biogazu oraz elektrowni słonecznych heliotermicznych [11]. 2. Układy magazynowania energii Współpraca elektrowni wiatrowych i słonecznych z układami magazynowania energii elektrycznej stanowi rozwiązanie problemu niestabilności pracy odnawialnych źródeł energii, wykorzystujących energię wiatru i Słońca. Układy magazynujące energię stanowią jej zasobniki, zdolne gromadzić nadwyżki energii generowanej przez elektrownię lub zasilać odbiorniki uprzednio zmagazynowaną energią, gdy elektrownia nie jest w stanie pokryć zapotrzebowania odbiorników. Dzięki temu zwiększa się dyspozycyjność elektrowni wiatrowych i słonecznych. Zasobniki energii pomagają także przeciwdziałać chwilowym zapadom lub skokom napięcia w węzłach systemu elektroenergetycznego (SEE) oraz stanowić rezerwę mocy w SEE. Akumulator jest najpowszechniej znanym urządzeniem, które umożliwia magazynowanie energii elektrycznej. W celu uzyskania wymaganych parametrów napięciowo-prądowych, akumulatory łączy się w grupy szeregowo równoległe, które wraz z przetwornicami energoelektronicznymi tworzą bateryjne zasobniki energii o mocy mogącej przekroczyć nawet dziesiątki megawatów (BES Battery Energy Storage). W energetyce od dawna wykorzystuje się również, jako zasobniki energii, systemowe elektrownie wodne pompowe [8, 9, 12, 13]. Stopniowo do energetyki zawodowej wprowadzane są nowe, szybko ewoluujące rozwiązania zasobników, które często oparte są na znanych już zjawiskach fizycznych, np. superkondensatory, pneumatyczne zasobniki energii (CAES Compressed Air Energy Storage), elektrownie szczytowo-pompowe, kinetyczne zasobniki energii (FES Flywheel Energy Storage), bateryjne zasobniki energii, ogniwa paliwowe, paliwo wodorowe oraz nadprzewodzące zasobniki energii (SMES Superconducting Magnetic Energy Storage). Wszystkie współcześnie stosowane technologie magazynowania energii elektrycznej można podzielić na technologie magazynowania bezpośredniego (w polu magnetycznym lub elektrycznym) oraz pośredniego (z udziałem konwersji energii elektrycznej na inną, np. chemiczną, kinetyczną) [8, 9, 12, 13]. Klasyfikację możliwości magazynowania energii elektrycznej zestawiono w tablicy

128 Możliwości wykorzystania hybrydowych źródeł energii elektrycznej na terenie województwa kujawsko-pomorskiego Tablica 2. Możliwości magazynowania energii elektrycznej Zasobniki mechaniczne elektrownie wodne pompowe zbiorniki sprężonego powietrza koła zamachowe (masy wirujące) Zasobniki elektrochemiczne baterie akumulatorów z magazynowaniem wewnętrznym (np. ołowiowe, niklowo-kadmowe, litowo-jonowe) z magazynowaniem zewnętrznym: magazynowanie gazu (elektrolizer, ogniwo paliwowe), magazynowanie w ciekłych elektrodach (np. wanadowych), ogniwa galwaniczne z regeneracją zewnętrzną (np. cynk-powietrze) Zasobniki elektryczne magnesy nadprzewodzące, superkondensatory Źródło: Opracowanie własne na podstawie [8, 12, 13] Superkondensatory osiągają sprawność rzędu 85-98%, gęstość energii: 5-12 Wh/kg, a gęstość mocy: W/kg. Ich okres eksploatacji wynosi około cykli, natomiast samo rozładowanie: 5%/dzień. Do ich głównych zalet należy duża gęstość mocy, szybkie procesy ładowania i długi okres eksploatacji. Kluczowe wady stanowią mała gęstość energii, droga technologia i niezbędne zastosowanie zaawansowanej energoelektroniki. Potencjalne usprawnienia powinny brać pod uwagę obniżenie kosztów oraz wzrost gęstości energii [11]. Nadprzewodzące zasobniki energii cechuje sprawność w granicach 90-95%, gęstość energii Wh/kg i gęstość mocy: W/kg. Okres eksploatacji wynosi około 30 lat. Największym plusem jest duża gęstość mocy, jednakże główne mankamenty stanowią droga technologia, znaczne potrzeby własne oraz mała gęstość energii. Usprawnienia tej technologii powinny odbywać się zatem pod kątem obniżenia kosztów, zwiększenia szybkości procesu ładowania i wzrostu gęstości energii [12, 13]. Akumulatory ołowiowe (kwasowo-ołowiowe) posiadają sprawność około 75-90%, gęstość energii Wh/kg, a gęstość mocy W/kg. Przybliżony czas eksploatacji to 5 lat (1.500 cykli), z kolei samo rozładowanie wynosi 2-5%/m-c. To rozwiązanie cechuje dojrzała, ogólnie dostępna technologia i stosunkowo długi okres eksploatacji, niestety wymagana jest obsługa i nadzór techniczny, posiada małą gęstość mocy i energii, temperatura wpływa na pojemność baterii, ma wysokie napięcie głębokiego rozładowania oraz wymaga kosztownego recyklingu. Potencjalne usprawnienia winny zatem uwzględniać obniżenie napięcia głębokiego rozładowania, zwiększenie odporności na zmiany temperatury oraz procedury bezpiecznej eksploatacji. Akumulatory niklowo-kadmowe (Ni-Cd) mają z kolei sprawność wynoszącą 60-83%, gęstość energii Wh/kg, gęstość mocy: W/kg, a ich okres eksploatacji to w przybliżeniu cykli, przy samo rozładowaniu w granicach 5-20%/m-c. Wyróżnia je dojrzała technologia, duża gęstość energii przy długim okresie eksploatacji oraz wysoka odporność mechaniczna. Dwie główne wady stanowią droga technologia oraz toksyczne materiały produkcyjne. Główne usprawnienia powinny odbywać się na polu obniżenia kosztów i polepszenia procesów recyklingu. Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) posiadają natomiast sprawność rzędu 75-92%, gęstość energii: Wh/kg, gęstość mocy W/kg, ich okres eksploatacji jest zazwyczaj krótszy niż 15 lat 127

129 Izabela PIASECKA, Andrzej TOMPOROWSKI, Weronika KRUSZELNICKA (5.000 cykli), a samo rozładowanie w przybliżeniu wynosi 1%/m-c. Charakteryzuje je duża gęstość mocy i energii oraz wysoka sprawność. Główne mankamenty stanowi fakt, iż jest to technologia dopiero na etapie rozwoju, stosunkowo droga i kłopotliwa w eksploatacji. Jej usprawnienia powinny odbywać się przede wszystkim na polu obniżenia kosztów, usprawnienia procesów kontroli (nadzoru) oraz zwiększenia odporności na gradienty temperatury. Akumulatory sodowo-siarkowe (Na-S) cechuje sprawność około 75-85%, gęstość energii Wh/kg i gęstość mocy W/kg. Okres eksploatacji to cykli, a samo rozładowanie: około 1%/m-c. Ich główne zalety stanowi wysoka sprawność, duża gęstość mocy i energii oraz dojrzała technologia. Do najważniejszych wad zaliczyć można wysoką temperaturę pracy oraz drogą technologię. Najważniejsze potencjalne usprawnienie powinno zatem stanowić obniżenie kosztów. Akumulatory cynkowo-bromowe (Zn-Br) cechują się z kolei sprawnością 60-70%, gęstością energii: Wh/kg oraz gęstością mocy: W/kg. Okres eksploatacji jest krótszy niż cykli, wynosi więc około lat. Posiadają dużą gęstość mocy i energii oraz są przeznaczone do dużych aplikacji. Mankamentem tego rozwiązania są duże koszty utrzymania w ruchu, łatwo korodujące i toksyczne materiały oraz fakt, iż jest to technologia dopiero na etapie rozwoju. Potencjalne usprawnienia powinny iść w kierunku obniżenia kosztów, poprawy procedur bezpiecznej eksploatacji oraz usprawnienia procesów kontroli (nadzoru). Akumulatory wanadowe (VRB) mają natomiast sprawność rzędu 75-85%, gęstość energii: Wh/kg, gęstość mocy: W/kg, przy okresie eksploatacji poniżej cykli, czyli lat. Wyróżnia je duża gęstość mocy i energii. Są one przeznaczone przede wszystkim do dużych aplikacji. Jest to technologia dopiero na etapie rozwoju, dość droga i cechująca się trudną standaryzacją. Główne potencjalne usprawnienia powinna zatem stanowić standaryzacja i obniżenie kosztów [8, 9, 12, 13]. Rys. 2. Stosunek czasu rozładowania do mocy znamionowej wybranych zasobników energii [6] 128

130 Możliwości wykorzystania hybrydowych źródeł energii elektrycznej na terenie województwa kujawsko-pomorskiego Ogniwa paliwowe PAFC posiadają sprawność 36-45% (tylko rozładowanie generacja), gęstość energii: 5-15 Wh/kg, gęstość mocy: W/kg, okres eksploatacji w granicach 20 lat, a samo rozładowanie nie występuje. Ogniwa paliwowe PEFC charakteryzuje z kolei sprawność 50-55% (bez kogeneracji, tylko generacja), gęstość energii: Wh/kg, gęstość mocy: W/kg, okres eksploatacji w granicach 20 lat, a samo rozładowanie nie występuje. Ogniwa paliwowe SOFC mają natomiast sprawność w granicach 50-55% (bez kogeneracji, tylko generacja), gęstość energii: Wh/kg, ich okres eksploatacji wynosi około 20 lat, a samo rozładowanie nie występuje. Ogniwa paliwowe cechuje zatem stosunkowo duża sprawność oraz możliwość kogeneracji (ogniwa wysokotemperaturowe). Niestety jest to technologia stosunkowo droga (kosztowne katalizatory), paliwo przysparza problemów podczas produkcji (wodór), materiały są wrażliwe na zanieczyszczenie związkami siarki i cechuje je nie przeciążalność prądowa. Kluczowym usprawnieniem powinno być dla nich przede wszystkim obniżenie kosztów [8, 12, 13]. Elektronie wodne pompowe cechuje sprawność rzędu 70-85%, gęstość energii: 10 Wh/kg, a okres eksploatacji przyjmuje się na około 30 lat. Jest to dojrzała, dobrze poznana technologia o dużej gęstości mocy i energii. Główne wady stanowią ograniczenia w lokalizacji, długi czas budowy, wysokie koszty inwestycyjne i zastosowanie raczej dla dużych mocy. Główne usprawnienia powinny iść w kierunku poprawy sprawności hydrozespołów wodnych [11]. Pneumatyczne zasobniki energii posiadają sprawność w granicach 65-80%, gęstość energii wahającą się między 5 a 50 Wh/kg, natomiast okres eksploatacji trwa około 30 lat. Głównym plusem jest duża gęstość energii i mocy oraz fakt, iż technologia jest już dojrzała i dobrze znana. Największe wady to wysokie koszty inwestycyjne, ograniczenia geograficzne i lokalizacyjne, długi okres budowy, dostępność paliw oraz zastosowanie głównie przy większych mocach. Usprawnienia powinny odbywać się przede wszystkim pod kątem zastosowania procesów adiabatycznych, przez co możliwym byłaby całkowita eliminacja zużycia paliwa [12, 13]. Kinetyczne zasobniki energii stalowe mają sprawność rzędu 85-90%, gęstość energii wynoszącą około 55 Wh/kg i gęstość mocy w granicach W/kg. Okres eksploatacji wynosi w przybliżeniu 20 lat, a samo rozładowanie nie występuje. Kinetyczne zasobniki energii kompozytowe wykazują z kolei sprawność 90-95%, gęstość energii: 870 Wh/kg, ich okres eksploatacji trwa około 20 lat, natomiast samo rozładowanie nie występuje. Ogólnie rzecz biorąc tego typu zasobniki energii wyróżniają się długim okresem eksploatacji, dużą gęstością mocy i szybkimi procesami ładowania. Ich głównym mankamentem jest mała gęstość energii i znaczne straty podczas pracy w gorącej rezerwie. Potencjalne usprawnienia powinny obejmować obniżenie kosztów oraz zwiększenie gęstości energii [8, 12, 13]. 3. Przykłady rozwiązań Jedną z najpopularniejszych w Polsce ideą hybrydowych układów wytwórczych jest wykorzystywanie energii promieniowania słonecznego (konwersja fotowoltaiczna) oraz energii wiatru. Podstawowe rozwiązanie stanowi połączenie baterii ogniw słonecznych z baterią akumulatorów. Na rysunku 3 zobrazowano schemat blokowy tego typu elektrowni, która zasila odbiorniki stałoprądowe. Zasobnik energii, który stanowi bateria akumulatorów, umożliwia zasilanie odbiorów podczas niedostatecznego poziomu wydajności energetycznej baterii słonecznych (godziny nocne, małe nasłonecznienie, itp.). Główną zaletą rozwiązania jest prostota zarówno budowy, jak i sterowania. Najważniejszą wadę układu stanowi fakt, iż 129

131 Izabela PIASECKA, Andrzej TOMPOROWSKI, Weronika KRUSZELNICKA bateria słoneczna, nawet połączona z baterią akumulatorów, nie jest w stanie zasilić odbiorników w ciągu całej doby, ponieważ ilość produkowanej energii jest zależna od pory roku i warunków nasłonecznienia. Układ może magazynować i oddawać energię elektryczną wyłącznie w krótkich okresach, zatem nadaje się do zasilania tylko takich odbiorników, gdzie ciągłość zasilania nie stanowi priorytetu [11]. Rys. 3. Schemat blokowy elektrowni słonecznej z baterią akumulatorów [11] Kolejną możliwość stanowi połączenie trzech źródeł energii: turbozespołu wiatrowego, baterii słonecznej oraz generatora prądu przemiennego napędzanego silnikiem Diesla. Na rysunku 4 zobrazowano schemat blokowy tego typu elektrowni. Gdy występują niesprzyjające warunki atmosferyczne i praca turbozespołu wiatrowego oraz baterii słonecznej jest niemożliwa, odbiornik zostaje zasilany z agregatu prądotwórczego zbudowanego z silnika Diesla i sprzęgniętego z nim generatora prądu przemiennego. Istotą takiego rozwiązania jest maksymalne wykorzystanie ogniw fotowoltaicznych. Ze względu na zużywanie się części mechanicznych, turbozespół wiatrowy jest włączany w celu szybkiego uzupełnienia baterii akumulatorów podczas niedostatecznego nasłonecznienia. Z kolei generator napędzany silnikiem Diesla uruchamia się wyłącznie w przypadku głębokiego rozładowania baterii akumulatorów i zostaje wyłączony po jej pełnym naładowaniu. Praca systemu kontrolowana jest przez mikroprocesorowy system sterowania i nadzoru. Główną wadą instalacji jest wysoki koszt inwestycyjny. Nadzór nad pracą systemu zapewnia mikroprocesorowy system sterowania. Sprawność układu zależy w dużej mierze od użytych przetwornic energoelektronicznych [11, 15]. Jeszcze inne rozwiązanie może stanowić elektrownia słoneczna z ogniwem paliwowym. Elektrownia zapewnia ciągłe zasilanie odbiorników poprzez maksymalizację wykorzystania energii promieniowania słonecznego oraz możliwość wykorzystania ogniwa paliwowego. Składa się z paneli fotowoltaicznych, ogniwa paliwowego, baterii akumulatorów, systemu automatycznego nadzoru oraz układu zarządzania źródłami. Jej schemat blokowy przedstawiono na rysunku 5. System automatycznego nadzoru zbiera informacje o obiekcie i przekazuje je zdalnie do użytkownika. Wykorzystanie ogniwa paliwowego pozwoliło na uniezależnienie zasilania od warunków atmosferycznych o charakterze losowym, na które użytkownik nie ma żadnego wpływu. Elektrownia słoneczna z ogniwem paliwowym gwarantuje stałe zasilanie odbiorników. Sterownie źródłami daje natomiast możliwość optymalnego wykorzystania energii Słońca [11, 21]. 130

132 Możliwości wykorzystania hybrydowych źródeł energii elektrycznej na terenie województwa kujawsko-pomorskiego Rys. 4. Schemat blokowy hybrydowej elektrowni wiatrowo-słonecznej z generatorem napędzanym silnikiem Diesla [11] Kolejne rozwiązanie może stanowić elektrownia wiatrowa z zasobnikiem energii. Elektrownie wiatrowe źle współpracują z sieciami elektroenergetycznymi, ponieważ ilość produkowanej przez nie energii ściśle zależy od prędkości wiatru, charakteryzują się małą dyspozycyjnością zależną od pory dnia i roku oraz są natychmiastowo odłączane od sieci w przypadku przekroczenia dopuszczalnej prędkości wiatru. Dzięki dołączeniu do elektrowni wiatrowej układu z chemicznym zasobnikiem energii (akumulatorem) powstaje układ w pełni dyspozycyjnego źródła energii rozproszonej, ponieważ nadwyżki energii produkowane przez siłownię wiatrową zostaną zmagazynowane w zasobniku. Poprzez dołączenie dodatkowych źródeł energii (np. generator z turbiną lub silnikiem spalinowym, ogniwo paliwowe), można jeszcze bardziej zwiększyć dyspozycyjność układu [9, 10]. Zastosowanie zasobnika energii umożliwia poprawienie jakości energii w węźle systemu elektroenergetycznego. Jednocześnie zmniejsza się wartość gradientu zmian mocy. Dzięki możliwości magazynowania energii w zasobniku, źródło hybrydowe staje się zdecydowanie bardziej dyspozycyjne. Najprostszą wersję układu połączeń wiatrowej elektrowni hybrydowej stanowi układ wyposażony w wolnoobrotowy generator synchroniczny oraz dwa energoelektroniczne zespoły przetwornic: AC/DC (prostownik) i DC/AC (falownik). Bateria akumulatorów może zostać włączona do obwodu pośredniczącego, między przetwornice AC/DC i DC/AC, za pośrednictwem regulatorów prądu stałego. Układ z generatorem synchronicznym i maszyną dwustronnie zasilaną byłby bardziej złożony, ponieważ wymagane byłyby osobne prostowniki (człony AC/DC) oraz falowniki (człony DC/AC) wyłącznie do obsługi baterii akumulatorów. Jeśli zasobnik energii wyposażony jest w oddzielne układy ładowania i przekazywania energii do sieci elektroenergetycznej, to może on powo- 131

133 Izabela PIASECKA, Andrzej TOMPOROWSKI, Weronika KRUSZELNICKA dować poprawę jakości energii doprowadzanej do węzła systemu, do którego podłączona jest elektrownia. Podczas zwiększonej produkcji energia może być magazynowana w zasobniku, a w czasie dużego obciążenia dodatkowo pobierana z zasobnika. Układy zasobników energii elektrycznej mogą współpracować zarówno z pojedynczymi siłowniami, jak i całą farmą wiatrową. Poprzez dołączenie zasobnika zwiększa się jakość energii dostarczanej przez farmę, jest ona bardziej dyspozycyjna, a przy braku energii w systemie i braku energii wiatru, zapewnione zostaje zasilanie odbiorników przyłączonych do wspólnego węzła [15]. Rys. 5. Schemat blokowy elektrowni słonecznej z ogniwem paliwowym [11] 3. Ocena efektywności Potencjalna inwestycja w system hybrydowy wymaga przeprowadzenia szeregu analiz, na postawie których zostanie oszacowana opłacalność projektowanej instalacji oraz jej wpływ na środowisko naturalne. Obecnie coraz częściej wprowadza się bardzo szeroki zakres oceny o charakterze inter- i multidyscyplinarnym, w równym stopniu uwzględniając aspekty mierzalne oraz niewymierne. Kierunkiem rozwoju stają się zatem oceny zintegrowane, obejmujące ocenę społeczną, techniczną, środowiskową oraz analizę ryzyka, przy wykorzystaniu wielu technik i metod badań [17]. Już na etapie projektu stosowane są metody optymalizacyjne, mające na celu uzyskanie jak najwyższej efektywności poprzez odpowiednie skorelowanie mocy współpracujących jednostek, łącznie z doborem optymalnej wielkości magazynu energii [2]. Schemat metodyki oceny efektywności pozyskiwania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych przedstawiono na rysunku

134 Możliwości wykorzystania hybrydowych źródeł energii elektrycznej na terenie województwa kujawsko-pomorskiego Rys. 6. Schemat metodyki oceny efektywności pozyskiwania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych [15] W celu oceny technicznej należy wyznaczyć roczną wydajność energetyczną projektowanego systemu hybrydowego. Jest to konieczne dla dalszej oceny ekonomicznej, ponieważ na tej podstawie określa się wielkość przychodów ze sprzedaży. Jest to również niezbędne dla wyznaczenia efektywności społeczno-ekologicznej, gdyż od wielkości produkcji zależą korzyści środowiskowe. Podczas szacowania efektywności ekonomicznej można posłużyć się wieloma metodami statystycznymi, np. okresem zwrotu, księgową stopą zwrotu lub metodami dynamicznymi, np. metodą wartości zaktualizowanej netto (NPV), wewnętrzną stopą zwrotu (IRR) czy wskaźnikiem zyskowności (PI). Miary statystyczne są łatwe do zastosowania, jednak ich podstawową wadą jest nieuwzględnianie zmiany wartości pieniądza w czasie. Są jednak przydatne podczas wstępnej selekcji projektów i znajdują zastosowanie na etapie studiów przedrealizacyjnych. Popularnie do oceny ekonomicznej wykorzystywany jest prosty czas zwrotu inwestycji SPBT, wyrażony następującą zależnością [1]: (1) 133

135 Izabela PIASECKA, Andrzej TOMPOROWSKI, Weronika KRUSZELNICKA Podobnie na podstawie uproszczonej analizy można ocenić instalację pod względem energetycznym. Do tego celu często spotykanym w literaturze wskaźnikiem jest okres zwrotu nakładów energii EPBT [1]: (2) gdzie: kwh emb całkowita energia potrzebna do wytworzenia instalacji, E wyp energia wyprodukowana przez działający układ. Miary dynamiczne stanowią najbardziej precyzyjne narzędzie oceny opłacalności ekonomicznej przedsięwzięcia, uwzględniające rozłożenie w czasie przewidywanych wpływów i wydatków. Jednakże zarówno metody statystyczne, jak i dynamiczne nie uwzględniają efektu ekologicznego, który winien być brany pod uwagę podczas oceny efektywności inwestycji proekologicznych [16]. Dla inwestycji hybrydowych najczęściej stosuje się metodę dynamicznego kosztu jednostkowego (DGC), wyrażony w złotówkach na jednostkę efektu energetycznego, wyrażony wzorem: gdzie: KI t nakłady inwestycyjne poniesione w danym roku, KE t koszty eksploatacyjne poniesione w danym roku, i stopa dyskonta, EE t efekt energetyczny w danym roku [15]. Oceny efektywności społeczno-ekologicznej dokonuje się poprzez wyznaczenie efektu ekologicznego. Należy przez niego rozumieć korzyści powstałe w środowisku na skutek zastąpienia energii ze źródeł konwencjonalnych, a energię ze źródeł odnawialnych. Podczas wyznaczania efektu ekologicznego często przyjmuje się szereg uproszczeń, np. do głównych czynników szkodliwych powstających w procesach produkowania energii zalicza się: CO 2, SO 2, NO x (związki emitowane do atmosfery o największym negatywnym wpływie na środowisko, generujące wysokie straty ekologiczne), efekt ekologiczny wykorzystania energii odnawialnej zostaje odniesiony do energii pochodzącej z węgla (energia i ciepło, wymiar strat ekologicznych spowodowanych wykorzystywaniem węgla jest podstawą wyceny efektu ekologicznego w przypadku zastąpienia energii z węgla energią odnawialną), szkody ekologiczne wywołane wytwarzaniem energii z węgla są utożsamiane z kosztami zewnętrznymi obciążającymi jednostkę wytwarzanej energii (wyrażone w zł/kwh lub zł/gj), efekt ekologiczny obejmuje tę część szkód ekologicznych, które są spowodowane przez energetykę [20]. Produkcja energii z zasobów odnawialnych w pewnym stopniu jest także związana z ujemnym wpływem na środowisko przyrodnicze, zatem efekt ekologiczny musi być sko- (3) 134

136 Możliwości wykorzystania hybrydowych źródeł energii elektrycznej na terenie województwa kujawsko-pomorskiego rygowany o wielkość tych oddziaływań. Tego typu zależność można opisać następującym wzorem: EO i = KZW KZO i (4) gdzie: EO i KZW KZO i efekt ekologiczny z tytułu wykorzystania energii odnawialnej z i-tego źródła odnawialnego, koszt zewnętrzny obciążający energię wytworzoną z węgla, koszt zewnętrzny obciążający energię wytworzoną z i-tego źródła odnawialnego [20]. Najtrudniejszą do oszacowania jest wielkość kosztu zewnętrznego, obciążającego energię wytworzoną z węgla oraz z i-tego źródła odnawialnego, ponieważ należy w nim uwzględnić zarówno starty wymierne, jak i niewymierne. Jednym ze sposobów jest wykorzystanie metody macierzowej, w której dobierane są odpowiednie współczynniki ważności. Wszystkie elementy macierzy (wymierne i niewymierne) wyraża się według jednolitej skali punktowej, zatem w aspekcie rangowym są one porównywalne. W ten sposób wartość strat wymiernych pozwala na określenie wartości strat niewymiernych [15]. 4. Oszacowanie zasobów OZE na terenie województwa Oszacowanie lokalnych zasobów energetycznych jest najważniejszym elementem wstępnej fazy projektowej, ponieważ decyduje o efektywności wykorzystania systemu hybrydowego, a co za tym idzie celowości całej inwestycji. Lokalna energia wiatru, możliwa do wykorzystania w elektrowni wiatrowej, jest ściśle związana z prędkością i gęstością mocy jego strumienia. Dwa główne czynniki, kształtujące prędkość wiatru to wysokość nad powierzchnią ziemi, ponieważ rośnie ona wraz ze wzrostem wysokości oraz lokalne ukształtowanie środowiska (zabudowa, ukształtowanie terenu), czyli szorstkość, chropowatość terenu [19]. Dla obszaru województwa kujawsko-pomorskiego nie opracowano dotychczas mapy zasobów wiatru, dlatego oszacowanie zasobów energetycznych wiatru można opisać jedynie na podstawie ogólnej mapy opracowanej dla całego terytorium kraju przez prof. H. Lorenc. Województwo kujawsko-pomorskie znajduje się w znacznej części w III strefie, tj. warunków korzystnych charakteryzujących się średnioroczną prędkością wiatru 3-4 m s -1. Natomiast południowa część województwa znajduje się w II strefie, tj. warunków bardzo korzystnych charakteryzujących się średnioroczną prędkością wiatru 4-6 m s -1. Przyjmuje się, że strefy I-III charakteryzują się korzystnymi warunkami dla rozwoju energetyki wiatrowej. Województwo kujawsko-pomorskie posiada zatem korzystne warunki dla rozwoju energetyki wiatrowej pod względem zasobów energii wiatru [3]. Średnia suma energii wiatru na powierzchnię 1 m 2 w Polsce wynosi kwh/rok. Województwo kujawsko-pomorskie znajduje się w trzech strefach energetycznych wiatru (rys. 7). Największa część znajduje się w strefie charakteryzującej się energią wiatru w granicach kwh/m 2 /rok. Najbardziej korzystnymi warunkami energetycznymi wyróżniają się południowe i wschodnie fragmenty województwa znajdujące się w strefie 135

137 Izabela PIASECKA, Andrzej TOMPOROWSKI, Weronika KRUSZELNICKA energii rzędu kwh/m 2 /rok. Energia wiatru zależy również od warunków terenowych, tj. ukształtowania terenu i jego pokrycia. W kujawsko-pomorskim występują tereny o klasie szorstkości 0,5-3,5. Pod względem zasobów energii wiatru najbardziej korzystnymi terenami dla rozwoju energii wiatrowej są obszary powiatów: mogileńskiego, nakielskiego, żnińskiego, brodnickiego, rypińskiego, lipnowskiego, włocławskiego i radziejowskiego [3]. Szacuje się, że dla całego województwa potencjał ekonomicznym wykorzystania energii wiatru wynosi około 31,4 TWh. Potencjał rynkowy, stanowiący 30 % potencjału technicznego, osiąga wartość 9,4 TWh i byłby wstanie zaspokoić całkowicie zapotrzebowanie na energię w województwie. Słońce jest niewyczerpalnym, powszechnie dostępnym, ekologicznym (bez emisyjnym) i najbardziej naturalnym z dostępnych źródeł energii. Daje różnorodne możliwości i sposoby praktycznego wykorzystania. Do najbardziej powszechnych zastosowań energetyki słonecznej należy konwersja fotowoltaiczna (np. baterie słoneczne, słoneczne elektrownie fotowoltaiczne, urządzenia słaboprądowe) oraz wytwarzanie ciepła niskotemperaturowego temperatura do C (np. kolektory słoneczne, ogrzewanie wody użytkowej, ogrzewanie pomieszczeń mieszkalnych, suszenie płodów rolnych i ziół, podgrzewanie gruntów szklarniowych, podgrzewanie basenów oraz stawów hodowlanych) [19]. Województwo kujawsko-pomorskie pod względem solarnego potencjału energetycznego znajduje sie w okolicach średniej krajowej. Roczne sumy promieniowania słonecznego województwa pozwalają na uzyskanie energii w granicach kwh/m2. Różnice rzędu 5% między poszczególnymi sumami promieniowania słonecznego nie dają podstaw do określenia szczególnej gradacji przestrzennej pod kątem wyznaczenia obszarów o najkorzystniejszych uwarunkowaniach do rozwoju tej gałęzi energetyki. Cały obszar województwa posiada zbliżony potencjał uzyskiwania energii z rocznego promieniowania. Jednakże, wieloletnie badania potwierdzają nieco korzystniejsze warunki występujące w północno-zachodniej części województwa, w przeciwieństwie do środkowo-wschodniej, gdzie odnotowuje się relatywnie najniższe sumy promieniowania. Potencjał teoretyczny energii promieniowania słonecznego (całkowity strumień energii docierający w ciągu roku do analizowanego obszaru) wynosi około TWh, natomiast potencjał techniczny (strumień energii promieniowania słonecznego docierający na obszar terenów zamieszkanych): 188 TWh. Wielkość potencjału technicznego ponad 25 razy pokrywa zapotrzebowanie województwa kujawsko-pomorskiego na energię elektryczną [3]. 136

138 Możliwości wykorzystania hybrydowych źródeł energii elektrycznej na terenie województwa kujawsko-pomorskiego Rys. 7. Strefy energetyczne wiatru w województwie kujawsko-pomorskim [3] W celu oszacowania lokalnych zasobów energii słonecznej należy wykonać pomiary nasłonecznienia powierzchni ziemi. Najbardziej obiektywne wyniki uzyskiwane są z pomiarów w okresie przynajmniej pięciu lat, natomiast jako dane do obliczeń efektywności energii słonecznej winno się przyjmować uśrednione wartości z tego okresu. Pięcioletni okres prowadzenia pomiarów podyktowany jest dużym zróżnicowaniem zarówno pojedynczych dni, jak i całych lat pod względem godzin słonecznych i bezchmurnych. Uśredniona wartość nasłonecznienia dla obszaru województwa kujawsko-pomorskiego jest na poziomie kwh/m 2 [3]. Roczna suma promieniowania na jednostkę powierzchni jest zależna od zorientowania tej powierzchni w przestrzeni. Wartości maksymalne uzyskiwane są dla ustawienia prostopadłego w stosunku do kąta padania promieni Słońca. Największe zasoby energii słonecznej występują dla województwa w miesiącach letnich, natomiast najniższe w miesiącach zimowych. Istnieje także duża rozpiętość wartości pomiędzy okresem letnim a zimowym. W najbardziej zasobnych w energię promieniowania słonecznego miesiącach (maj-sierpień), suma promieniowania była ponad siedmiokrotnie wyższa niż w najbardziej ubogich w energię słoneczną miesiącach zimowych (listopad-styczeń). Niestety nie cała energia docierająca do powierzchni fotoogniwa może być w nim przemieniona w energię elektryczną, ze względu na niską sprawność zjawiska fotowoltaicznego, wahającą się w granicach 15% [19]. 137

139 Izabela PIASECKA, Andrzej TOMPOROWSKI, Weronika KRUSZELNICKA Rys. 8. Roczne sumy promieniowania słonecznego w województwie kujawsko-pomorskim [3] Małe elektrownie wodne są elektrowniami przepływowymi. Instaluje się je przy stopniach wodnych (jazach), gdzie wykorzystują przepływ rzeczny, przy niewielkim spadzie. Pracują one generalnie w systemie ciągłym. Z punktu widzenia systemu energetycznego są to tzw. elektrownie podstawowe, a więc ich praca uwzględniana jest w okresie całodobowym. Klasyfikacja małej energetyki wodnej nie jest jednoznaczna. Najczęściej przyjmuje się, że górną granicą jest 5 MW mocy zainstalowanej. Wyróżnia się również mikroenergetykę wodną z obiektami o mocy zainstalowanej rzędu kw oraz minienergetykę z obiektami o mocy zainstalowanej rzędu kw [7]. Pod względem hydrograficznym województwo kujawsko-pomorskie położone jest na obszarze dwóch dorzeczy, Wisły i Odry. Dorzecze Wisły obejmuje około 70% obszaru województwa, a dorzecze Odry odpowiednio 30%. Osią hydrograficzną województwa jest rzeka Wisła, która przepływa przez jego centralne obszary tworząc wraz z doliną unikalny kompleks przyrodniczy. Stany wód oraz przepływy rzek są charakterystyczne dla reżimu gruntowo śnieżno-deszczowego. Wyraźnie zaznaczają się wezbrania wiosenne, związane z topnieniem śniegu. Natomiast wezbrania letnie i jesienne są nieregularne i wynikają z rozkładu czasowego i wielkości opadów deszczu w tym okresie. Najbardziej zasobnym ciekiem jest Wisła, która na odcinku województwa kujawsko pomorskiego prowadzi od 921 do 1012 m 3 wody na sekundę. Oznacza to, że Wisła na tym odcinku zasilana jest przez dopływy i zwiększa swój przepływ o około 91 m 3 wody na sekundę. Z czego w przybliżeniu, uwzględniając położenie i zasięg zlewni dopływów, 47 m 3 wody na sekundę pochodzi 138

140 Możliwości wykorzystania hybrydowych źródeł energii elektrycznej na terenie województwa kujawsko-pomorskiego z obszaru województwa kujawsko pomorskiego. Charakterystycznym zjawiskiem występującym w południowo zachodniej części województwa jest bardzo niski odpływ jednostkowy. Wskaźnik odpływu na wielu terenach wynosi w granicach 0-2 l/s/km 2. Jest to jeden z najbardziej ubogich w wodę rejonów kraju. Zjawisko to spowodowane jest niskimi opadami (roczne sumy opadów kształtują się na poziomie mm) oraz strukturą użytkowania terenu (brak lasów, intensywna produkcja roślinna). Dodatkowym czynnikiem wpływającym negatywnie na zasoby wodne jest duża wietrzność terenu wzmagająca intensywność procesu ewapotranspiracji. Potwierdzeniem niskich zasobów wodnych tego fragmentu województwa jest, między innymi, wielkość przepływu Noteci, która na odcinku granicznym województwa wynosi 13 m3/s [3]. Zdecydowanie największe zasoby energetyczne posiada rzeka Wisła. Stanowią one ponad 90% zasobów całego województwa. Z innych cieków na uwagę zasługuje rzeka Brda, Drwęca oraz Osa. Pozostałe cieki mają znaczenie dużo mniejsze lub marginalne. Energia kinetyczna płynących rzek nie wszędzie jest możliwa do wykorzystania w pełni i przekształcenia na energię elektryczną. Wynika to przede wszystkim z uwarunkowań środowiska przyrodniczego. Szczególne znaczenie mają tutaj takie elementy środowiska jak budowa geologiczna doliny rzecznej, jej morfologia i ukształtowanie, wielkość przepływu wody a także zasoby środowiska biotycznego. Czynniki te decydują o możliwości budowy zbiornika retencyjnego, wysokości piętrzenia oraz charakterze pracy elektrowni. Istotne są również uwarunkowania związane z użytkowaniem terenu. Dotyczy to zwłaszcza terenów zurbanizowanych i zabudowanych oraz intensywnego rolnictwa, które stanowią poważne ograniczenie przestrzenne dla realizacji inwestycji hydroenergetycznych. Bardzo istotnym czynnikiem jest również potrzeba zabezpieczenia przepływów nienaruszalnych (tzw. przepływu biologicznego). Wspomniane ograniczenia wyznaczają techniczne zasoby energetyczne, a więc takie, które mogą być rzeczywiście wykorzystane do produkcji energii elektrycznej z uwagi na uwarunkowania przyrodnicze oraz rozwiązania techniczne urządzeń energetycznych. Przyjmuje się, że zasoby techniczne stanowią średnio około % zasobów teoretycznych. Tak więc w przypadku województwa kujawsko pomorskiego zasoby techniczne, bez Wisły, można szacować na około 22 MW mocy instalowanej oraz wielkość produkcji energii elektrycznej rzędu 192,72 GWh [3]. Potencjał energii geotermalnej w porównaniu z innymi rodzajami odnawialnych zasobów energii jest wcześniej skumulowany i wieloletni. W województwie kujawsko-pomorskim tak jak i w Polsce istnieje znaczny potencjał geotermalny. Województwo leży w środkowo-europejskiej prowincji geotermalno-ropo-gazonośnej, która zawiera wody geotermalne w różnych zbiornikach (basenach). Całkowite zasoby dyspozycyjne energii geotermalnej zakumulowane w zasięgu województwa kujawsko-pomorskiego wynoszą 1,36 18 J/rok. Stanowi to ponad 20% sumarycznych zasobów dyspozycyjnych zakumulowanych w analizowanych zbiornikach hydrogeotermalnych w skali Polski, przy powierzchni stanowiącej ok. 7 % powierzchni Niżu Polskiego ( ,5 km 2 ). Znaczna część źródeł o wysokiej temperaturze (powyżej 100 o C) położona jest na głębokościach od 700 m i głębiej, co znacznie utrudnia pozyskanie ciepła i wykorzystanie np. do produkcji energii elektrycznej. Źródła w płytszych warstwach (100m m) mogą osiągać temperaturę rzędu 20 o C 100 o C i mogłyby posłużyć do zasilania sieci ciepłowniczych. Pompy ciepła zaliczane są do geotermii płytkiej i znajdują zastosowanie w układach hybrydowych. Są maszynami cieplnymi wymuszającymi przepływ ciepła z obszaru o niższej temperaturze do obszaru o temperaturze wyższej. Proces ten przebiega wbrew naturalnemu kierunkowi przepływu ciepła i zachodzi dzięki do- 139

141 Izabela PIASECKA, Andrzej TOMPOROWSKI, Weronika KRUSZELNICKA starczonej z zewnątrz energii mechanicznej (w pompach ciepła sprężarkowych) lub energii cieplnej (w pompach absorpcyjnych). Brak jest dokładnych danych odnośnie ilości takich instalacji w województwie. Najwięcej planowanych i istniejących instalacji zlokalizowano w Toruniu, Bydgoszczy oraz w gminach otaczających [3]. Biomasa to substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także przemysłu przetwarzającego ich produkty, a także inne części odpadów, które ulegają biodegradacji. Do biomasy wykorzystywanej na cele energetyczne nie zalicza się odpadów drewna mogących zawierać organiczne związki chlorowcopochodne, metale ciężkie lub związki tych metali powstałe w wyniku obróbki drewna z użyciem środków do konserwacji lub powlekania. W województwie kujawsko pomorskim biomasę można uzyskać przede wszystkim: z uprawy roślin energetycznych wierzba energetyczna, miskant, ślazowiec, z produkcji rolnej (głównie zboża, słoma, kukurydza, buraki), z drewna zarówno stanowiącego pozostałość po pracach pielęgnacyjnych w lasach i sadach czy też odpadów produkcyjnych z tartaków lub tradycyjnego drewna rąbanego. Analiza możliwości pozyskania energii pochodzącej z biomasy, jest zagadnieniem trudnym przede wszystkim ze względu na konieczność uwzględnienia licznych zmiennych. Należy zwrócić uwagę między innymi na: - potencjalny konflikt pomiędzy rolniczym, a energetycznym wykorzystaniem przestrzeni rolniczej, - potencjalny konflikt pomiędzy funkcjami przyrodniczymi lasów, a ich eksploatacją na cele energetyczne, - określone wymogi techniczne i procesy technologiczne, - złożone uwarunkowania finansowe [22]. Pomimo potencjalnych konfliktów pomiędzy energetycznym wykorzystaniem biomasy, a funkcją rolną lub leśną (ekologiczną), w obydwu przypadkach możliwe jest wykorzystanie powstałej biomasy na cele energetyczne, ale niezbędne jest zachowanie równowagi z podstawowym celem jej produkcji. Właśnie ten poziom równowagi, w praktyce niemożliwy do precyzyjnego określenia (ze względów ekonomicznych, przyrodniczych, politycznych, itd.), wyznacza teoretyczny potencjał pozyskania biomasy z tych źródeł. Nie jest możliwe w dłuższym okresie pozyskiwanie biomasy na cele energetyczne pochodzącej z gospodarki leśnej lub z produkcji zbóż, w skali większej, niż pozwala na to zapotrzebowanie na żywność, cykl produkcyjny rolnictwa (zużycie na potrzeby własne, związane z innymi kierunkami produkcji rolnej), względy ekologiczne (zapobieganie nadmiernej eksploatacji lasów), czy zapotrzebowanie na drewno składane przez różnych odbiorców (głównie przemysł i budownictwo) [3]. W przypadku plantacji roślin energetycznych szczególnie duże znaczenie ma potencjał ekonomiczny. Potencjał teoretyczny jest bowiem w praktyce warunkowany tylko występowaniem odpowiedniej jakości gleb, z dobrymi stosunkami wodnymi, w obszarach gdzie nie ma ograniczeń prawnych dla tego typu upraw. Warunek ten spełnia znaczna część województwa, zwłaszcza w jego południowej części. Jest możliwe dosyć precyzyjne wyznaczenie obszarów wykazujących teoretyczne możliwości rozwoju tego typu upraw. Potencjał ekonomiczny wiąże się z efektywnością produkcji. Niezbędne jest, by w okresie wieloletnim plantacje roślin energetycznych nie tylko były opłacalne, ale by przynosiły porównywalne lub większe dochody, niż uprawa w danych warunkach innych rodzajów płodów rolnych. Mniejsze, ale również istotne, jest znaczenie potencjału technicznego. Zbiór roślin energe- 140

142 Możliwości wykorzystania hybrydowych źródeł energii elektrycznej na terenie województwa kujawsko-pomorskiego tycznych oraz ich przystosowanie do dalszego wykorzystania, wymaga specyficznych maszyn, urządzeń, technologii. Potencjał techniczny i ekonomiczny ma duże znaczenie w przypadku biomasy pochodzącej z prac pielęgnacyjnych prowadzących w lasach, terenach zieleni miejskiej, sadach, itp. Podstawowym problemem zarówno dla odbiorców zajmujących się bezpośrednim spalaniem biomasy, jak też jej obróbką (przygotowaniem do wykorzystania) - jest tu zapewnienie ciągłości dostaw surowca. Prace tego typu często wykonywane są okazjonalne lub ze zbyt małą częstotliwością, by planować funkcjonowanie w oparciu o tego typu surowiec. Bardzo często w odległości, która zapewniałaby racjonalne pod względem ekonomicznym możliwości pozyskania surowca, jego dostępność jest zbyt mała [3, 22]. Jedną z dziedzin energetyki, którą dalej można rozwijać w województwie kujawsko pomorskim jest produkcja biogazu. Biogaz to gaz powstający w procesie beztlenowej fermentacji metanowej odpadów pochodzenia organicznego w szczególności z odpadów zwierzęcych lub roślinnych, oczyszczalni ścieków i składowisk odpadów. Szacuje się, że ze składowisk odpadów działających na terenie województwa można by wyprodukować mln m 3 metanu rocznie. Wysoki potencjał wytwarzania biogazu tkwi także w osadach ściekowych. Z funkcjonujących obecnie 142 oczyszczalni ścieków pozyskano by 8 mln 3 biogazu w warunkach opłacalnych ekonomicznie. Największy potencjał rozwoju posiada jednak biogaz pochodzenia rolniczego przede wszystkim pozyskiwany z kiszonek z biomasy oraz z odpadów z produkcji zwierzęcej: gnojowicy i obornika. Najwięcej biogazu rolniczego o najwyższej zawartości metanu można pozyskać z fermentacji gnojowicy trzody chlewnej i drobiu. Zawartość metanu w zależy głównie od rodzaju zastosowanych substratów. Teoretyczna ilość gazu możliwa do pozyskania z gnojówki i gnojowicy wynosi około 156 mln m3 biogazu rocznie, a z obornika około 187 mln m 3 biogazu rocznie. Potencjał teoretyczny obliczony na podstawie ilość dużych jednostek przeliczeniowych oraz pojemności płyt obornikowych i zbiorników na gnojowicę w województwie [3] 5. Wnioski Cel opracowania został zrealizowany poprzez przeprowadzenie analizy możliwości wykorzystania hybrydowych źródeł energii elektrycznej na terenie województwa kujawsko-pomorskiego, ze szczególnym uwzględnieniem źródeł odnawialnych. W układach hybrydowych najczęściej zastosowanie znajdują spalinowe zespoły prądotwórcze, małe elektrownie wiatrowe oraz ogniwa fotowoltaiczne. Coraz chętniej instalowane są także instalacje z małymi elektrowniami na biomasę, ogniwami paliwowymi oraz małymi elektrowniami wodnymi [11]. Pod względem zasobów energii wiatru, województwo kujawsko-pomorskie posiada korzystne warunki dla rozwoju energetyki wiatrowej. Średnia suma energii wiatru na powierzchnię 1 m 2 wynosi w nim od do kwh/rok. Z kolei uśredniona wartość nasłonecznienia dla obszaru województwa jest na poziomie kwh/m 2, co stwarza stosunkowo dobre warunki dla rozwoju technologii opartych na konwersji energii słonecznej w energię elektryczną lub cieplną. Również pod względem hydrograficznym i geotermicznym, istnieją dogodne warunki do rozwoju energetyki wodnej oraz geotermalnej, w tym pomp ciepła. Możliwości wykorzystania zasobów biomasy na terenie województwa także są znaczące i pozwalają na rozwój tej gałęzi energetyki odnawialnej [3]. Sprzyjające warunki dla rozwoju systemów opartych o OZE stanowią dobrą podbudowę dla rozwoju układów hybrydowych, w szczególności jednostek łączących procesory wiatrowe i słoneczne. 141

143 Izabela PIASECKA, Andrzej TOMPOROWSKI, Weronika KRUSZELNICKA Zakończenie Początek nowego tysiąclecia zaowocował intensywnym powrotem do znanych oraz poszukiwaniem nowych form energii opartej o odnawialne nośniki. Efekt widoczny jest przez dążenie do ograniczenia spalania węgla na rzecz biomasy z plantacji roślin energetycznych (np. topola, wierzba, miskantus) oraz stanowiącej produkt uboczny produkcji rolniczej (np. słoma). Biomasa rolnicza w postaci nawozów naturalnych (gnojowica, obornik) oraz kiszonek z roślin uprawnych (kukurydza, trawy, zboża) oraz produkty uboczne przemysłu rolnospożywczego są wykorzystywane do produkcji biogazu. Nośnik ten jest spalany w specjalnych silnikach, gdzie wytwarzana zostaje energia elektryczna i cieplna. Również tradycyjne paliwa płynne, w pewnym stopniu zostają zastępowane przez paliwa wytworzone ze zbóż, kukurydzy (etanol, jako dodatek do benzyn) czy rzepaku (biodiesel). Energia odnawialna ze słońca pozyskiwana jest poprzez kolektory słoneczne (energia cieplna) lub ogniwa fotowoltaiczne (energia elektryczna). Wykorzystywana jest również energia wody poprzez duże i małe turbiny umieszczone na ciekach wodnych oraz rozwiązania umożliwiające produkcje energii w oparciu o siłę pływów morskich. W coraz większym zakresie wykorzystuje się także energię ziemi zarówno poprzez geotermię, jak i coraz powszechniej stosowane pompy ciepła. W oparciu o nowoczesne rozwiązania, po wielu latach przerwy, powrócono do wykorzystywania siły wiatru. Wyrazem tego są popularne w Zachodniej Europie i coraz częstsze w Polsce, zarówno pojedyncze turbiny, jak i całe farmy wiatrowe [22, 24] Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w systemach hybrydowych polega w dużej mierze na przetwarzaniu energii wiatru, przepływającej wody oraz Słońca na energię elektryczną [9]. Główną wadą tych zasobów jest wysoka zależność ilości wytwarzanej energii od aktualnej prędkości wiatru czy wartości nasłonecznienia. Z tego powodu prognozowanie produkcji energii jest obarczone znacznym błędem i sprawia wiele kłopotów. W celu powiększenia możliwości wykorzystania OZE zaczęto coraz częściej stosować hybrydowe systemy (układy) wytwórcze (HSW). Stanowią one kombinację kilku technologii pozyskiwania energii, np. panel fotowoltaiczny i generator z silnikiem spalinowym. Są to małe zespoły współpracujących ze sobą jednostek wytwórczych ciepła i/lub energii elektrycznej, posiadające zróżnicowane nośniki energii pierwotnej (np. odnawialne i nieodnawialne) i/lub wyposażone w jeden lub więcej układów do magazynowania energii. Koordynacja ich współpracy oraz sterowanie odbywa się dzięki wykorzystaniu zaawansowanych układów energoelektronicznych [9, 12, 13, 14]. Bibliografia [1] AKYUZ E., OKTAY Z, DINCER I.: Energetic, environmental and economic aspects of a hybrid renewable energy system: a case study, International Journal of Low-Carbon Technologies, March 2011 [2] BOURRENNANI F., RAHNAMAYAN S., NATERER G.F.: Optimal design methods for hybryd renewable energy systems, University of Ontario Institute of Technology (UOIT), Oshawa, Ontario, Canada [3] coi.kujawsko-pomorskie.pl (wejście: ) [4] Dz. U Nr 62 poz Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony środowiska. [5] eipenergy.pl/baza-wiedzy-systemy-hybrydowe.html (wejście: ) [6] esa.com (wejście: ) [7] FLIZIKOWSKI J., BIELIŃSKI K.: Projektowanie środowiskowych procesorów energii, Bydgoszcz: Wydawnictwa Uczelniane ATR,

144 Możliwości wykorzystania hybrydowych źródeł energii elektrycznej na terenie województwa kujawsko-pomorskiego [8] HADJIPASCHALIS I., POULLIKKAS A., EFTHIMIOU V.: Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications. Renewable & Sustainable Energy Reviews, September 2008 [9] KALDELLIS K.: Stand alone and hybryd wind energy systems. Technology, energy storage and aplications, New Delhi: Woodhead Publishing Limited, 2010 [10] KHAN M.J., IQBAL M.T.: Pre-feasibility study of stand alone hybrid energy systems for applications in Newfounland, Renewable Energy, nr 30, 2005 [11] PASKA J.: Distributed generation with the application of hybrid generation systems, Energetyka, 6/2013. [12] PASKA J., BICZEL P.: Experience with Hybrid Power Generating Systems. 8th International Conference Electrical Power Quality and Utilization EPQU 05. Cracow Poland, September 21-23, 2005a [13] PASKA J., BICZEL P.: Hybrid Photovoltaic Fuel Cell Power Plant. IEEE St. Petersburg PowerTech St. Petersburg, Russia, June 27 30, 2005b [14] PASKA J., BICZEL P., KŁOS M.: Hybrid power systems An effective way of utilising primary energy sources. Renewable Energy. Vol. 34, No 11, Nov [15] PASKA J., SAŁEK M., SURMA T.: Wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w systemach hybrydowych. Wiadomości Elektrotechniczne, nr 12, 2005 [16] PAZIO W.: Analiza finansowa i ocena efektywności projektów inwestycyjnych przedsiębiorstw. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2002 [17] REŃSKI A., SŁOMIŃSKI D.: Tendencje rozwojowe małych układów skojarzonych w Polsce i na Świecie. Rynek Energii, nr 5, 2005 [18] SHEPPERD L.W., RICHARDS E.H.: Solar photovoltaics for development applications, Sandia National Laboratories, U.S. Department of energy, 1993 [19] SITARZ S.: Projekt hybrydowej elektrowni słoneczno-wiatrowej, Mechanics, vol. 24, no. 3, 2005 [20] SOLIŃSKA M., SOLIŃSKI I.: Efektywność ekonomiczna proekologicznych inwestycji rozwojowych w energetyce odnawialnej. Kraków: Wydawnictwo AGH, 2003 [21] STEFANIAK A.: Systemy hybrydowe odnawialnych źródeł energii, Czysta Energia, Nr 11/2013 [22] TOFFLER A.: Trzecia fala, Poznań: Wydawnictwo Kurpisz S.A., 2009 [23] TYTKO R.: Urządzenia i systemy energetyki odnawialnej. Wydanie IV. Kraków: Wydawnictwo i Drukarnia Towarzystwa Słowaków w Polsce, 2013 [24] ZHAO L., FENG L., HALL CH.A.S.: Is peakoilism coming? Energy Policy, no THE POSSIBILITY OF USING HYBRID SOURCES OF ELECTRICITY IN THE KUJAWSKO POMORSKIE Abstract: The study brought closer the definition of hybrid electric power sources, presented their classification and examples of the most popular solutions. Particular attention was paid to the issues of the energy storage and evaluation of effectiveness. Also analyzed the possibility of using this type of installation in the kujawsko-pomorskie, taking account of environmental conditions. Keywords: hybrid power sources, renewable energy sources, solar power, wind power, hydropower 143

145 144

146 ROZDZIAŁ vi - INŻYNIERIA BIOMASY 145

147 146

148 IX EKO- URO-ENERGIA Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii Zbigniew PODKÓWKA 15 BIOGAZ z gnojowicy Abstrakt: Przedstawiono możliwości wykorzystania gnojowicy bydlęcej i świńskiej jako substratu do produkcji biogazu w biogazowniach rolniczych. Utrzymanie bydła i trzody chlewnej w pomieszczeniach bezściołowych spowodowało, że zamiast tradycyjnego obornika otrzymuje się gnojowicę, którą charakteryzują inne właściwości fizyczne i chemiczne. Z gnojowicy na drodze fermentacji metanowej produkuje się biogaz. Produktem ubocznym w tym procesie jest pozostałość pofermentacyjna, wykorzystywana do nawożenia pól. W tej sytuacji gnojowica z produktu niechcianego, którego zagospodarowanie stwarza problemy, staje się,,towarem, który można zamienić na energię odnawialną i ekologiczny nawóz naturalny. Z 1 m 3 gnojowicy bydlęcej uzyskuje się 22 m 3 biogazu o zawartości 55% biometanu, zaś z gnojowicy świńskiej 19 m 3 biogazu o zawartości 60% biometanu. Od 1 JPD bydła lub trzody chlewnej w ciągu roku uzyskuje się 20 m 3 gnojowicy, z której uzyskuje się 743 kwhel. Z 1 m 3 biogazu uzyskuje 1,2 2,2 kwh energii elektrycznej i 2,4 3,5 kwh energii cieplnej. Gnojowicę najlepiej fermentować w dodatkiem kiszonki z kukurydzy. Słowa kluczowe: gnojowica bydlęca, gnojowica świńska, substancja pofermentacyjna, fermentacja metanowa, biogaz Wprowadzenie Rynek substratów do produkcji biogazu w biogazowniach rolniczych został zdominowany przez dwa surowce: kiszonkę z całych roślin kukurydzy i gnojowicę. Wynika to faktu, że wymienione substraty stanowią doskonały koferment dla bakterii fermentacji metanowej i zapewniają stabilną produkcję biogazu. Kukurydzę jako surowiec do produkcji energii odnawialnej przedstawiono podczas VII Eko Euro Energii w 2014 roku. Teraz przyszła pora na gnojowicę. 1. Gnojowica skład chemiczny i właściwości fizyczne Gnojowica to produkt o konsystencji płynnej powstający podczas bezściółkowego chowu zwierząt. Jest mieszaniną odchodów zwierzęcych, zarówno stałych jak i ciekłych, w naturalnej proporcji, z dodatkiem wody technologicznej zużytej na jej spłukiwanie i pochodzącej z przecieków z urządzeń do pojenia zwierząt oraz resztek paszy [24]. Głównymi składowymi gnojowicy są kał i mocz. Kał będący odpadkowym produktem trawienia zawiera: pozostałości paszy: niestrawione oraz strawione albo niewchłonięte części, surowy włóknik, części zdrewniałe, celulozę, włosy, części roślin w różnym stopniu rozkładu oraz materiały mineralne i wodę, 15 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, ul. Mazowiecka nr 28, Bydgoszcz, Polska, tel.: , pasza@utp.edu.pl 147

149 Zbigniew PODKÓWKA wydzieliny organizmu z przewodu pokarmowego; sekrecje, substancje mineralne i epitel jelit, bakterie i produkty ich przemiany materii. Mocz jest wodnym roztworem nieorganicznych i organicznych związków azotu z przemiany materii substancji białkowych i niebiałkowych oraz witamin, hormonów i enzymów [11]. Na ilość oraz skład gnojowicy znaczny wpływ mają: gatunek, wiek, wydajność i sposób karmienia zwierząt, sposób odprowadzania i magazynowania gnojowicy, zużycie wody na fermie oraz warunki klimatyczne [12]. Dlatego w ciągu roku z jednego stanowiska w chowie bydła uzyskuje się od 7,5 do 21 m 3, zaś w chowie trzody chlewnej od 1,2 do 6,0 m 3 gnojowicy [10, 13]. Dzienną produkcję gnojowicy różnych gatunków i kierunków użytkowych zwierząt przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Średnia ilość gnojowicy pozyskiwana z ferm bydła i trzody chlewnej [4] Wyszczególnienie Dzienna produkcja gnojowicy (dm 3 ) Bydło cielęta do 0,5 roku jałówki do 1,5 roku jałówki powyżej 1,5 roku bukaty (opasy) krowy mleczne buhaje Trzoda chlewna prosięta do 60 dnia 3 10 warchlaki 4 15 tuczniki i loszki 6 25 maciory knury 8 20 Szacuje się, że ilość wydalanego kału i moczu od jednej dużej sztuki przeliczeniowej (JDP) wynosi 45 kg na dobę. Standardowe zużycie wody do utrzymania higieny pomieszczeń inwentarskich nie powinno przekraczać 10 dm 3 dziennie. Łącznie uzyskuje się dziennie około 55 kg gnojowicy, co w przeliczeniu na 1 rok daje 20 m 3 gnojowicy od jednej dużej sztuki [14]. W praktyce przyjmuje się, że 1 tona gnojowicy ma objętość 1 m 3 [10, 13]. Zawartość suchej masy w gnojowicy bydlęcej waha się od 6,5 do 10,5%, zaś świńskiej od 3,8 do 7,5%. Ilość suchej masy w gnojowicy uzależniona jest od ilości zużytej wody. Ze względu na ilość wody w odchodach gnojowicę dzieli się na gęstą (powyżej 8% suchej masy) oraz rzadką (zawartość suchej masy poniżej 8%). Ponadto wyróżnia się także gnojowicę rozcieńczoną, w której dodatek wody technologicznej przekracza 20% objętości odchodów, a zawartość suchej masy jest mniejsza niż 8% [12]. 148

150 BIOGAZ z gnojowicy Około 70-80% suchej masy stanowią związki organiczne m.in. celuloza, ligniny, hemicelulozy, pentozy, skrobia. Głównym źródłem azotu w gnojowicy jest mocznik [6]. Azot w gnojowicy występuje w połączeniach organicznych i mineralnych. Wśród związków organicznych należy wymienić: białka, aminokwasy, mocznik, kwas hipurowy oraz inne. Średnio 50% azotu występuje w formie rozpuszczalnej w wodzie, zaś 40 % to azot amonowy, łatwo dostępny dla roślin. Stosunek C:N w gnojowicy bydlęcej wynosi średnio 6,8 [9]. Gnojowica zawiera makro- i mikroelementy, które są niezbędne w procesie przemian biochemicznych w komorze fermentacyjnej. W ciągu roku od 1 sztuki przeliczeniowej w gnojowicy przeciętnie otrzymujemy (w kg): P 28,8, K 41,1, Ca 35,3, Na 11,0, Mg 10,0. Gnojowica trzody chlewnej jest zasobniejsza w fosfor od gnojowicy bydlęcej. Odczyn gnojowicy jest stabilny. Gnojowica bydlęca i trzody chlewnej ma odczyn zasadowy (bydlęca ok. 7,2, a trzody ok. 7,0). 2. Higienizacja gnojowicy Biologiczne właściwości gnojowicy warunkuje przede wszystkim duży udział bakterii i grzybów. Wśród drobnoustrojów mogą również występować formy patogenne powodujące: chorobę Aujeszkyego, brucelozę, pryszczycę, leptospirozę, salmonellozę, gruźlicę itp. Przeżywalność drobnoustrojów patogennych zarówno w środowisku wodnym (gnojowicy), jak i glebowym jest stosunkowo długa [6]. Przed użyciem gnojowicy jak substratu do produkcji biogazu zaleca się przeprowadzić proces higienizacji. Polega on na poddaniu gnojowicy działaniu temperatury 70 0 C przez jedną godzinę, celem zniszczenia mikroflory w niej zawartej, w szczególności flory chorobotwórczej i jaj helmintów. Proces ten korzystnie wpływa na intensywność fermentacji metanowej w komorze. 3. Zapach gnojowicy Zapach gnojowicy związany jest z występowaniem w niej związków typowych wonnych, jak: merkaptany, aminomerkaptany, indol, skatol, aminy i kwasy tłuszczowe, a także ich pochodne oraz NH 4 i H 2 S. Amoniak i siarkowodór są związkami toksycznymi, a pozostałe powodują w ogólnej mierze zanieczyszczenie atmosfery w obrębie fermy, gdyż wydzielane są bezpośrednio z ekskrementami przez zwierzęta. W gnojowicy występują również gazy bezzapachowe: CO 2 toksyczny i CH 4 łatwopalny i wybuchowy. Gazy gromadzą się na pewnej głębokości w zbiornikach gnojowicy i nie ujawniają się ich zapachy, gdy jest ona w bezruchu. Każde wymieszanie powoduje falowe wydzielanie się tych gazów i wzmożenie nieprzyjemnych zapachów. Intensywność wydzielania się gazów w trakcie homogenizacji może być tak duża, że przy braku wentylacji w bliskim otoczeniu może dojść do zatrucia zwierząt czy ludzi. Ze względu na toksyczne oddziaływanie, łatwopalność i możliwość wybuchu niektórych gazów gnojowicowych, obowiązuje szczególna ostrożność podczas przebywania w najbliższym obrębie i wewnątrz zbiorników, niepalenie tytoniu i zakaz zbliżania się z ogniem. 149

151 Zbigniew PODKÓWKA 4. Nawozowe wykorzystanie gnojowicy Nawożenie gleb gnojowicą niesie za sobą szereg korzyści. Przede wszystkim, jako nawóz organiczny, stanowi ona ważne źródło próchnicy w glebie, a zwiększenie ilości próchnicy powoduje wzrost pojemności sorpcyjnej gleb. Dodatkowo, nawozy organiczne pozytywnie wpływają na strukturę i pojemność wodną gleby, a także stanowią źródło składników pokarmowych i energii dla mikroorganizmów w niej żyjących [12]. Gnojowica jest wartościowym nawozem organicznym charakteryzującym się wysoką zawartością składników pokarmowych występujących w formie łatwo przyswajalnej dla roślin. Składniki mineralne zawarte w gnojowicy są wykorzystywane przez rośliny w stopniu porównywalnym z działaniem nawozów mineralnych. Ilość wapnia i magnezu zawartych w gnojowicy jest wystarczająca, aby pokryć zapotrzebowanie glebowe na te składniki na okres co najmniej dwóch lat. Gnojowica zawiera także pełny zestaw mikroelementów niezbędnych do prawidłowego rozwoju roślin. W przypadku azotu, efektywność przyswajania nie jest tak wysoka, jednak wyraźnie lepsza niż w przypadku zastosowania np. obornika. Ponadto, znajdują się w niej auksyny, czyli hormony powodujące wzrost, rozwijanie i krzewienie roślin [12]. Nierzadko także dzięki zastosowaniu gnojowicy można złagodzić skutki niezrównoważonego mineralnego nawożenia gleb, a także przeciwdziałać ich silnemu zakwaszeniu [12]. Regulacje prawne dotyczące możliwości oraz sposobów wykorzystania gnojowicy do nawożenia określają Ustawa o nawozach i nawożeniu z dnia 10 lipca 2007 roku oraz Kodeks Dobrej Praktyki Rolniczej. 5. Produkcja biogazu z gnojowicy Ze względu na wysoką zawartość wody, dużą pojemność buforową oraz bogactwo składników odżywczych niezbędnych do prawidłowego rozwoju bakterii beztlenowych gnojowica jest doskonałym substratem do produkcji biogazu [14]. Z 1 m 3 gnojowicy bydlęcej uzyskuje się 22 m 3 biogazu o zawartości 55% biometanu, zaś z gnojowicy świńskiej 19 m 3 biogazu o zawartości 60% biometanu. W praktyce przyjmuje się, że z 1 m 3 gnojowicy uzyskuje się 20 m 3 biogazu. Średnio jedna sztuka duża o masie ciała 500 kg produkuje dziennie 55 litrów gnojowicy, co w przeliczeniu na rok daje wartość 20 m 3. Po przetworzeniu jej w komorze fermentacyjnej biogazowni uzyskuje się 400 m 3 biogazu o zawartości 55% biometanu. Po przetworzeniu tego biogazu na energię pozwala to uzyskać 743 kwhel (przy wartości energetycznej 1 m 3 biogazu na poziomie 5,31 kwh i sprawności silnika 35%). Z 1 m 3 gnojowicy uzyskuje się 37 kwhel. Przyjmując cenę energii elektrycznej 0,245 zł/kwh, wartość energetyczna 1 m 3 gnojowicy wynosi 9,00zł. W ciągu roku od 1 DJP uzyskuje się 182 zł. Do tego należy dodać wpływy z energii cieplnej i substancji pofermentacyjnej, która jest cennym ekologicznym substytutem nawozu naturalnego. 6. Gnojowica jako kosubstrat w biogazowni Wsad do biogazowni rolniczej powinien zapewniać wysoką wydajność produkcji biogazu, stabilny przebieg procesu fermentacji metanowej oraz możliwość wykorzystania powstałej substancji pofermentacyjnej zgodnie z obowiązującym prawem. Obecnie po- 150

152 BIOGAZ z gnojowicy wszechnie stosowane jest przetwarzanie przez biogazownię mieszaniny kilku substratów, tzw. kosubstratu. Zróżnicowanie substratów sprzyja uzyskaniu lepszych parametrów procesu i zwiększa bezpieczeństwo w zapewnieniu dostaw surowca. Najczęściej stosuje się mieszaninę odchodów zwierzęcych z odpadami z przemysłu rolno-spożywczego lub roślinami energetycznymi [5]. Wykorzystanie tylko samej gnojowicy do produkcji biogazu jest mało opłacalne, mając na uwadze niski poziom suchej masy i zawartość składników organicznych. Znacznie lepsze jest wykorzystanie jej w mieszaninie z innymi substratami, zwłaszcza z kiszonką z kukurydzy. Badania pokazały, że optymalny skład kosubstratu występuje wówczas, gdy sucha masa gnojowicy stanowi 40 60% suchej masy wsadu do komory fermentacyjnej. Optymalny stosunek gnojowicy do kiszonki z kukurydzy wynosi 2 do 1, czyli 2 m 3 gnojowicy i 1 tona kiszonki [1]. W tabeli 2 podano ilości uzyskiwanego biogazu w zależności od udziału gnojowicy w kosubstracie. Tabela 2. Uzysk biogazu w zależności od procentowego udziału gnojowicy w ko substracie Substraty Uzysk biogazu Nm 3 /kg SSO gnojowica bydlęca gnojowica świńska 100% gnojowica 0,40 0,30 67% gnojowica + 33% buraki 0,55 0,50 33% gnojowica + 67% buraki 0,70 0,70 67% gnojowica + 33% kiszonka z kukurydzy 0,49 0,43 33% gnojowica + 67% kiszonka z kukurydzy 0,60 0,55 67% gnojowica + 33% ziarno żyta 0,46 0,40 33% gnojowica + 67% ziarno żyta 0,58 0,52 SSO sucha substancja organiczna; [1] Wyższy uzysk biogazu stwierdzono wykorzystując gnojowicę bydlęcą niż świńską. 7. Substancja pofermentacyjna ekologiczny nawóz organiczny W procesie fermentacji metanowej gnojowicy powstaje biogaz i substancja pofermentacyjna, zawierająca nieprzefermentowane składniki substratu, biomasę bakteryjną i inne metabolity. Ilość substancji pofermentacyjnej uzyskiwanej z 1 tony substratu jest uzależniona od składu chemicznego i szybkości fermentacji danego składnika. Im więcej łatwo fermentujących węglowodanów np. skrobi, tym mniejsza ilość substancji pofermentacyjnej. W tabeli 3 podano ilości uzyskiwanego biogazu, biometanu i substancji pofermentacyjnej z różnych substratów. 151

153 Zbigniew PODKÓWKA Tabela 3. Uzysk biogazu, biometanu i substancji pofermentacyjnej w zależności od zawartości suchej masy w substratach Wyszczególnienie Gnojowica bydlęca Gnojowica świńska Kiszonka z kukurydzy CCM Sucha masa (%) Substancja organiczna (% SM) Wydajność biogazu L N /kg SSO Nm 3 /dt MŚ 2,24 1,92 19,80 43, Zawartość CH 4 w biogazie (%) Substancja pofermentacyjna (m 3 /1 t substratu) 0,977 0,977 0,760 0,447 0,247 Ziarno zboża Istotne jest to, że w procesie fermentacji beztlenowej następuje zmniejszenie się poziomu odoru substancji zapachowych, które występują w gnojowicy. Wilkie [23] podaje wyniki badań, z których wynika, że poziom odoru zredukowano do 97% w stosunku do poziomu gnojowicy świeżej. Tabela 4. Wartość nawozowa gnojowicy i substancji pofermentacyjnej Substrat Sucha masa (%) Koncentracja składników kg/m 3 masy świeżej ph N NH 3 -N P 2 O 5 K 2 O Gnojowica 7,5 3,5 2,5 2,5 3,5 7,2 Substancja pofermentacyjna 6,3 4,4 2,6 1,9 5,0 8,5 [8] Substancja pofermentacyjna jest wykorzystywana do nawożenia upraw polowych i użytków zielonych. Wartość nawozową substancji pofermentacyjnej przedstawiono w tabeli 4. W porównaniu do gnojowicy substancja pofermentacyjna wykazuje wiele zalet i korzyści ekologicznych [3, 7, 8, 15, 19]. Do najważniejszych należy zaliczyć: lepsze wykorzystanie składników przez rośliny, zniszczenie nasion chwastów, co ma istotny wpływ na zużycie chemicznych środków ochrony roślin, eliminację patogenów i zarazków chorobotwórczych, zmniejszenie ryzyka zanieczyszczenia wód gruntowych i powierzchniowych, głównie związkami azotu i fosforu oraz zarazkami, które występują w odchodach zwierzęcych, zmniejszenie eutrofizacji wód. Przy użyciu substancji pofermentacyjnej do nawożenia należy przestrzegać przepisów 152

154 BIOGAZ z gnojowicy prawnych regulujących zagadnienia związane z nawozami i nawożeniem. Ustawa o nawozach i nawożeniu (Dz.U Nr 89 poz 991 z późn.zm.) ogranicza dawkę azotu do 170 kg/n/ha. W okresie od 31 listopada do 1 marca substancja pofermentacyjna nie może być stosowana do nawożenia pól. 8. Szacowanie wydajności biogazu i biometanu z gnojowicy Gnojowica podobnie jak inne substraty do biogazowni zawiera dwa podstawowe składniki wodę i suchą masę. W skład suchej masy wchodzą składniki organiczne, nazywane substancją organiczną (SO) i składniki mineralne, określane jako popiół surowy (PS). Według analizy podstawowej w skład substancji organicznej wchodzą następujące frakcje: białko ogólne (BO), tłuszcz surowy (TS), włókno surowe (WS) i związki bezazotowe wyciągowe (BNW). Włókno surowe i związki bezazotowe wyciągowe tworzą jedną grupę węglowodany. Zdolność produkcyjna poszczególnych frakcji jest różna. Z 1 kg strawnych składników uzyskuje się: Składnik Biogaz (l N /kg) Biometan (l N /kg) Białko ogólne Tłuszcz surowy Węglowodany Podstawową metodą do oceny wydajności biogazu lub metanu jest metoda laboratoryjna polegająca na oznaczeniu ilości gazu, który powstaje w procesie beztlenowej fermentacji biomasy. Próbkę gnojowicy z dodatkiem inokulanta umieszcza się z zbiorniku i dokonuje pomiaru ilości wytworzonego gazu. Średnio fermentacja prowadzona jest przez ponad 35 dni. Zebrany gaz analizowany jest na zawartość: CH 4, CO 2, O 2, H 2 S. Do pomiaru wytworzonych gazów stosowane są automatyczne analizatory [16]. W 2010 roku Weißbach [22] opublikował wzory, które pozwalają obliczyć ilość fermentującej suchej substancji organicznej (FSSO), na podstawie której można oszacować ilość uzyskiwanego biogazu i biometanu z gnojowicy bydlęcej i świńskiej, obornika bydlęcego, końskiego i świńskiego oraz pomiotu drobiowego. Zawartość FSSO w podanych wyżej substratach oblicza się z zawartości w nich suchej masy i popiołu surowego. Równania do obliczenia fermentującej suchej substancji organicznej (g/kg SM) przedstawiają się następująco: Substrat gnojowica obornik pomiot Równanie FSSO = 0,50 x (1000 PS) FSSO = 0,60 x (1000 PS) FSSO = 0,67 x (1000 PS) gdzie PS popiół surowy w g/kg suchej masy 153

155 Zbigniew PODKÓWKA Zdolność produkcyjną biogazu i biometanu danego substratu wylicza się w następujący sposób [10, 13]: biogaz = 0,80 x FSSO biometan = 0,42 x FSSO gdzie: biogaz i biometan w l N /kg suchej masy fermentująca sucha substancja organiczna FSSO w g/kg suchej masy biogaz = 0,80 x FSSO x SM/100 biometan = 0,42 x FSSO x SM/100 gdzie: biogaz i biometan w m 3 /t świeżej masy fermentująca sucha substancja organiczna FSSO w g/kg suchej masy sucha masa SM w % Zasady szacowania wydajności biogazu i biometanu dla gnojowicy oraz innych substratów zostały podane w opracowaniu Podkówki i Podkówki [18, 21]. 9. Wykorzystanie gnojowicy w Polsce do produkcji biogazu Gnojowica jest w naszym kraju podstawowym substratem do produkcji biogazu (tabela 5). Wynika to z faktu, że pierwsze biogazownie w naszym kraju budowane były przez firmę Poldanor S.A. i zlokalizowane były w pobliżu ferm hodowlanych. Spowodowane to było dostępnością gnojowicy, która z jednej strony stanowiła wsad do biogazowni, a z drugiej wymagała utylizacji. Jednak w latach jej udział w ilościowej strukturze zużycia surowców zmniejszył się z 57% do 29% [17]. Obecnie biogazownie często budowane są przy zakładach przetwórstwa rolno-spożywczego (gorzelniach, mleczarniach czy zakładach przetwórstwa owoców i warzyw) oraz mięsnych (zwłaszcza ubojniach) i wykorzystują powstające w nich produkty uboczne. Wybudowanie biogazowni w Mełnie spowodowało, że wywar gorzelniany stał się drugim pod względem ilości substratów stosowanych w komorach fermentacyjnych biogazowni. Postawienie instalacji w Strzelinie wyniosło wysłodki buraczane na piąte miejsce w rankingu [20]. Tabela 5. Surowce wykorzystywane do produkcji biogazu rolniczego w Polsce w latach [2] Substrat Łączna ilość substratu zużyta w poszczególnych latach w tonach Gnojowica Wywar gorzelniany Kiszonka z kukurydzy Resztki z warzyw i owoców Wysłodki buraczane Obornik

156 BIOGAZ z gnojowicy Serwatka Pulpa ziemniaczana Odpady poubojowe Odpady tłuszczowe Kiszonka z traw Treść żołądków Kiszonka z GPS Ziarno zboża Zakończenie Utylizacja gnojowicy na drodze fermentacji metanowej stwarza nowe możliwości jej wykorzystania. W wyniku tego procesu powstaje biogaz oraz produkt uboczny tzw. pozostałość pofermentacyjna, wykorzystywana do nawożenia pól. Dzięki temu gnojowica z produktu niepożądanego stała się cennym towarem do produkcji energii odnawialnej i ekologicznego nawozu naturalnego. Od 1 dużej jednostki przeliczeniowej bydła lub trzody chlewnej w ciągu roku uzyskuje się 20 m 3 gnojowicy, z której uzyskuje się 743 kwhel. Z 1 m 3 biogazu uzyskuje 1,2 2,2 kwh energii elektrycznej i 2,4 3,5 kwh energii cieplnej. Gnojowicę należy wprowadzać do komory fermentacyjnej łącznie z kiszonką z kukurydzy. Bibliografia [1] ABDEL HADI M., BECK J.: Methanerträge bei der Koffermentation flüssig silierter Gehaltsrüben, Landtechnik, 202, Nr 2, s [2] ARR: Informacja o działalności przedsiębiorstw energetycznych zajmujących się wytwarzaniem biogazu rolniczego w latach , 2014, [3] Biogaz rolniczy - odnawialne źródło energii, Praca zbiorowa pod redakcją Witolda Podkówki, 2012, PWRiL, Warszawa. [4] BURACZEWSKI G.: Ustalenie optymalnych parametrów fermentacji metanowej, Rozprawy naukowe i monografie, 1991, Wydawnictwo SGGW, Warszawa. [5] CURKOWSKI A., ONISZEK-POPŁAWSKA A., WIŚNIEWSKI G., ZOWSIK M.: Mała biogazownia rolnicza z lokalnym zagospodarowaniem ciepła odpadowego i masy pofermentacyjnej, Fundacja Instytut na rzecz Ekorozwoju, 2011, Warszawa, ss. 26. [6] DĘBSKA B., Właściwości substancji humusowych gleby nawożonej gnojowicą, Rozprawa nr 110, Akademia Techniczno-Rolnicza, 2004, Bydgoszcz, ss [7] EILER T.: Verwertung von Gärresten aus der Biogasanlage, Mais, 2008, Nr 4, s [8] Faustzahlen Biogas, 2007, Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtscaft e.v. (KTBL) Darmstadt. [9] FLIZIKOWSKI J., BIELIŃSKI K.: Projektowanie środowiskowych procesów energii, 2000, Wydawnictwo ATR, Bydgoszcz. [10] JOCHIMSEN H.: Betriebszweigabrechnung für Biogasanlagen, Arbeiten der DLG, Bd.200, Velags DLG, Frankfurt am Main, [11] KUTERA J.: Gospodarka gnojowicą, Wydawnictwo Akademii Rolniczej, 1994, Wrocław, ss [12] KWIECIŃSKA A.: Ekologiczne zastosowanie gnojowicy z wykorzystaniem technik membranowych, Rozprawa doktorska, 2013, Politechnika Śląska, ss [13] MAĆKOWIAK C.: Gospodarowanie substancją organiczną i nawozami naturalnymi w rolnictwie, Upowszechnianie zasad dobrej praktyki rolniczej, 2003, Część 2, Puławy, Wydawca IUNG,

157 Zbigniew PODKÓWKA [14] MARSZAŁEK M., BANACH M., KOWALSKI Z.: Utylizacja gnojowicy na drodze fermentacji metanowej i tlenowej produkcja biogazu i kompostu, Chemia Czasopisamo Techniczne, 2011, 2, s [15] MERCIK S.: Chemia rolna. Podstawy teoretyczne i praktyczne, 2002, Wydawnictwo SGGW, Warszawa. [16] MIEDANER TH.: Optimale Substrate für Biogas, DLG Verlag Gmbh, Frankfurt am Main, [17] PIWOWAR A.: Biogazownie rolnicze w Polsce lokalizacje i parametry techniczne instalacji, Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna, 2014, 6, s [18] PODKÓWKA W., PODKÓWKA Z.: Metody szacowania wydajności biogazu i bimetanu z substratów stosowanych w biogazowniach rolniczych, Międzynarodowa Konferencja Naukowo - Techniczna,,Odpowiedzialnie twórzmy instalacje odnawialnych źródeł energii 13,05, 2014, ZD IZDIB Grodziec Śląski. [19] PODKÓWKA W., PODKÓWKA Z.: Kiszonka z kukurydzy substrat dla biogazowni rolniczych, Wydawca PZPK, 2014, Poznań. [20] PODKÓWKA Z., Możliwości wykorzystania instalacji biogazowi rolniczych, Materiały z konferencji Diagnoza stanu Dyskusja Problemowa na temat możliwości rozwoju instalacji OŹE w województwie kujawskopomorskim, 2015, Toruń. [21] PODKÓWKA Z., PODKÓWKA W.: Zasady obliczania wartości,,biogazowej substratu na podstawie składu chemicznego, Przegląd Hodowlany, 2008, Nr 7, s [22] WEIßBACH F.: B erechnung des Gasbildungspotenzials von Gülle und Mist, Gasausbeute in landwirtschaftlichen Biogasanlagen, Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtscaft e.v. (KTBL) Darmstadt, [23] WILKIE A.: Anaerobic digestion: holistic bioprocessing of animal manures, In. Proceedings of the animal residuals management, Conference Water Environment Federation, Alexandria, Virginia, [24] ZBYTEK Z., TALARCZYK W.: Gnojowica a ochrona środowiska naturalnego, Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna, 2008, 4. production of biogas from manure Abstract: The possibilities of using bovine and swine manure as feedstock for biogas production in agricultural biogas plants. Keeping cattle and pigs in rooms without bedding meant that instead of the traditional dung is obtained product, which is characterized by different physical and chemical properties. With the manure produced biogas by methane fermentation. The byproduct of this process is a post-fermentation residue, used to fertilize the fields. In this situation liquid manure from unwanted product, whose utilization is problematic, it becomes,,commodity, which can be converted into renewable energy and environmentally friendly manure. From 1 m 3 of bovine manure obtained 22 m 3 biogas content of 55% biomethane, and the pig slurry 19 m 3 of biogas with 60% biomethane. From 1 JPD cattle or pigs per year is 20 m 3 of manure, which achieved 743 kwhel. From 1 m 3 of biogas obtained kwh of electricity and kwh of thermal energy. Maize silage additive is the best for the fermentation of liquid manure Keywords: cattle manure, pig manure, post-fermentation substance, methane fermentation, biogas 156

158 IX EKO- URO-ENERGIA Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii Jerzy KASZKOWIAK 16, Sylwester BOROWSKI TECHNOLOGIA PRODUKCJI BRYKIETU I PELETU ZE SŁOMY Abstrakt: W pracy przedstawiono uwarunkowania technologiczne oraz techniczne produkcji pelletu za słomy. Porównano różne rozwiązania urządzeń pelletujących i brykietujących. Przedstawiono najważniejsze problemy występujące przy realizacji technologii produkcji pelletu i brykietów ze słomy. Słowa kluczowe: Pellet, brykiet, słoma, paliwa odnawialne Wprowadzenie Brykiet to sprasowana w określony kształt masa drobnego surowca, może zawierać dodatek; lepiszcza lub stanowić mieszankę różnych surowców. Kształt brykietów i ich wymiary są zróżnicowane, najczęściej jest związany ze sposobem wytwarzania. Brykiety mogą być wytwarzane w sposób cykliczny (prasowanie w formach zamkniętych lub półotwartych) lub ciągły (brykieciarki ślimakowe, bębnowe). Rys. 1. Różne kształty brykietu w zależności od kształtu cylindra prasy Brykietowanie to proces w wyniku którego lignina zawarta w biomasie pod wpływem wysokiego ciśnienia nagrzewa się i przyjmuje półpłynną postać oraz zyskuje własności sklejające, dzięki czemu można ją formować. Dodatkowo sypki zazwyczaj materiał wejściowy podczas prasowania ulega znacznemu (kilkukrotnemu) zagęszczeniu. Dzięki czemu uzyskuje się znacznie wyższą wartość opałową w przeliczeniu na jednostkę objętości. Brykieto- 16 Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy w Bydgoszczy ul. Kaliskiego 7 Bydgoszcz, Polska, tel.: , kaszk@utp.edu.pl 157

159 Jerzy KASZKOWIAK, Sylwester BOROWSKI wanie oprócz zwiększenia ilości ciepła uzyskiwanej z jednostki objętości paliwa, ułatwia składowanie paliwa, jego transport i pozwala na spalanie praktycznie we wszystkich piecach. Dodatkowo obrót paliwem w formie brykietu podnosi walory estetyczne (regularne kształty ułatwiają przechowywanie, zagęszczenie i zespolenie, ułatwia zachowanie czystości). Pozwala również na większą stabilizacje właściwości paliwa (wyrównana wartość energetyczna, mniejsza podatność na czynniki atmosferyczne). Szczególna odmianą brykietu jest pellet (granulat). Pellet na postać sprasowanych walców o średnicy przeważnie 6-10mm i wyrównanej długości mm w przypadku pelleciarek wyposażonych w urządzenia odcinające pellet, lub zróżnicowanej (20-50 mm) gdy pelet ulega samoczynnemu odłamaniu po przejściu przez matrycę. Rys. 2. Pelet z trocin drzewnych Podobnie jak brykiet może być spalany w większości rodzajów pieców, łatwo jest zautomatyzować dozowanie peletu nawet w małych piecach i uzyskać znaczne zmniejszenie obsługi pieca. Powszechnie stosowane jest ostatnio zastępowanie palników zasilanych olejem opałowym palnikami spalającymi pelet. Wiąże się to ze znaczącym obniżeniem kosztów lecz wymaga oczyszczenia paleniska z popiołu co najmniej co kilka dni. 1. Produkcja peletów i brykietu ze słomy Linia do produkcji peletu składa się najczęściej z kilku podstawowych elementów: zbiornika materiału (silosu), rozdrabniacza lub rozdrabniaczy, kondycjonera-suszarki, zbiornika materiału rozdrobnionego, brykieciarki lub peleciarki, schładzalnika gotowego wyrobu, silosu brykietów lub peletu oraz pakowarki. Słomę składuje się najczęściej na placach. Dostarczona słoma załadowana zostaje na stół podawczy, a następnie przenoszona jest do rozdrabniacza gdzie oprócz rozdrobnienia następuje ujednorodnienie materiału. Można spotkać rozdrabniacze pracujące w ruchu ciągłym lub cyklicznie (rozdrabniają pojedyncze bele). W zależności od wymogów brykieciarki lub peleciarki najczęściej stosuje się rozdrobnienie na części o długości 2-10 cm. 158

160 TECHNOLOGIA PRODUKCJI BRYKIETU I PELETU ZE SŁOMY Dostępne są urządzenia brykietujące słomę bez rozdrobnienia, jednak nie spotkano rozwiązań profesjonalnych a jedynie przeznaczone do produkcji peletu lub brykietu na potrzeby własne gospodarstw domowych. Nie znaleziono ofert sprzedaży brykieciarek zwijających (nie wymagają rozdrobnienia słomy), których prototypy prezentowano na targach. Ponadto brykieciarki zwijające (walcowe) wytwarzają brykiet o niższym stopniu zagęszczenia i mniejszej stabilności zespojenia. Rys. 3. Widok szarpaka słomy [3, 4] Szarpaki słomy mogą być wykorzystane zarówno do bel cylindrycznych jak i prostopadłościennych. Chcąc uzyskać wysokiej jakości produkt konieczne jest równomierne rozdrobnienie materiału. W przypadku linii o wysokiej wydajności wskazane jest wykorzystanie kondycjonera regulującego wilgotność i temperaturę. Surowiec o ujednorodnionej długości, właściwej, wyrównanej wilgotności i temperaturze zostaje zmagazynowany w dozowniku lub zbiorniku buforowym. Ma to na celu zapewnienie ciągłości podawania materiału do brykieciarki lub pelleciarki. W przypadku gdy jeden zestaw urządzeń rozdrabniających zasila kilka brykieciarek, za zbiornikiem buforowym znajduje się rozdzielacz. Rozdrobnienie ma na celu oprócz ujednorodnienia materiału wyjściowego również ułatwienie procesu granulowania. Rozdrabniacze są miejscem gdzie stosunkowo łatwo jest uzyskać zarówno obniżenie jak i zwiększenie wilgotności. Można spotkać urządzenia łączące te funkcje (rozdrabnianie i nawilżanie lub rzadziej- podsuszanie) noszące nazwę kondycjonerów. Kolejnym ważnym elementem procesu jest usuwanie wtrąceń metalowych (separatory magnetyczne) i zanieczyszczeń nie magnetycznych (odsiewacze). Stosowanie tych urządzeń nie tylko zwiększa trwałość pozostałych urządzeń w linii technologicznej, ale pozwala na uniknięcie zagrożenia pożarowego (iskrzenie). Ponadto podnosi jakość produktu końcowego. W przypadku linii do produkcji wielkotowarowej niezbędne jest stosowanie dozowników regulujących ilość podawanego materiału, bardziej zaawansowane wersje mają możliwość rozdzielania materiału na dwie lub więcej brykieciarek. W niektórych oferowanych mieszalnikach przewidziano możliwość współpracy z wzrastającą liczbą brykieciarek lub peleciarek a rozdzielanie materiału na poszczególne brykieciarki odbywa się samoistnie. 159

161 Jerzy KASZKOWIAK, Sylwester BOROWSKI Rys. 4. Mieszalnik zasilający 2 brykieciarki [5] 2. Pelletowanie słomy Pelleciarki (granulatory) działają na zasadzie zagęszczania materiału walcem lub rolką podczas przeciskania przez matrycę (tarcze prasującą). W małych granulatorach można spotkać ślimaki prasujące. Rys. 5. Widok pelleciarki z matrycą pierścieniową i płaską (tarczową) [3, 4, 5] Rozmieszczenie walców, ich ilość, płaszczyzna obrotu, kształt matrycy (płaska lub cylindryczna) średnica otworów w matrycy, ich kształt (stożek, walec) i sposób napędu (przeważają silniki elektryczne napędzające za pośrednictwem przekładni o stałym lub zmiennym przełożeniu, sporadycznie wykorzystuje się silniki spalinowe) różnicuje pelleciarki pod względem wydajności i stopnia sprasowania. Wydajność pelleciarek o przeznaczeniu przemysłowym waha się najczęściej od 700 kg/h przy mocy silnika około 30kW do 3500 kg/h przy silnikach o mocy kw. Praktycznie uzyskiwane wydajności według posiadanych informacji mogą znacznie odbiegać od wielkości deklarowanych. Duże zróżnicowanie wydajności może występować przy materiałach niejednorodnych, o zmiennej wilgotności. 160

162 TECHNOLOGIA PRODUKCJI BRYKIETU I PELETU ZE SŁOMY W przypadku zagęszczania słomy można spotkać się z zaleceniami instalowania w linii produkcyjnej dwóch pelleciarek w celu uniknięcia przestoju w przypadku zapchania. Dla linii pracujących na bardzo wyrównanym jakościowo materiale (np. trociny ze stolarni) stosowanie dwóch pelleciarek wydaje się mało celowe. Oczywiście ryzyko awarii zawsze może spowodować zatrzymanie całej linii produkcyjnej lecz w drugim przypadku jest to mniej prawdopodobne. Na rynku dostępne są pelleciarki do słomy o różnej wydajności. Wśród dostawców zajmujących się profesjonalnie dystrybucja pelleciarek znajdują się firmy oferujące kompleksową dostawę całych ciągów technologicznych. Proponowane wydajności pelleciarek są bardzo zróżnicowane. Przeważnie nie przekraczają 300 kg/h i często proponowane jest zwiększanie wydajności poprzez zwielokrotnienie ich liczby. Dostępne są również peleciarki-granulatory o wydajności około 3000 kg/h najczęściej oferowane w kompletnych liniach do peletowania. Parametry przykładowych peleciarek podano poniżej. Pomimo iż producenci i dostawcy oferują granulatory z podaniem parametrów materiału wyjściowego (rozdrobnienie, wilgotność) produkcja peletu wymaga wstępnego okresu badawczego i eksperymentalnego ustalenia powyższych parametrów. Również w przypadku zmiennej temperatury materiału wyjściowego (okres zimowy) konieczna może być korekta wilgotności. Parametry wybranych granulatorów (peleciarek) przedstawiono w tabeli poniżej. Tabela 1. Parametry wybranych granulatorów Nazwa Granulator PR Materiał wsadowy Parametry materiału wsadowego słoma, siano, trociny, liście, zboża, otręby zbóż, makulatura, wierzba energetyczna, miskantus, wilgotność: 16% - 18% frakcja: 2-3 mm temperatura: pokojowa GRANULATOR TL 700 Słoma, trociny, GRANULATOR RMP Słoma, trociny, 12-14%, max 18% 12-14%, max 18% Wydajność kg/h kg/h Do 2500kg/h Moc zainstalowana 115kW 75 kw 140 kw 3. Brykietowanie słomy Brykieciarki ze względu na mechanizm zagęszczający dzielą się na hydrauliczne, ślimakowe, korbowodowe i walcowe. W brykieciarkach hydraulicznych napęd tłoka prasującego wykonywany jest siłownikiem hydraulicznym. 161

163 Jerzy KASZKOWIAK, Sylwester BOROWSKI Rys. 6. Schemat brykieciarki tłokowej 3-tłok, 4- podajnik [5] W brykieciarkach hydraulicznych tłok zamiast od wału korbowego napędzany jest siłownikiem hydraulicznym. Rys. 7. Schemat brykieciarki ślimakowej [5] Brykieciarki hydrauliczne cechują się wysoka kulturą pracy, stałym zapotrzebowaniem na energię elektryczną (bez zmian oporów), najczęściej możliwością płynnej zmiany zagęszczenia materiału. W brykieciarkach walcowych zagęszczanie materiału następuje w wyniku zagniatania powierzchniami bocznymi walca. 162

164 TECHNOLOGIA PRODUKCJI BRYKIETU I PELETU ZE SŁOMY Rys. 8. Widok elementu prasującego brykieciarki walcowej [3, 4] Brykieciarki ślimakowe cechują się stosunkowo cichą pracą, gdyż nie ma cyklicznego stuku tłoka jak to ma miejsce w brykieciarkach tłokowych zarówno hydraulicznych jak i korbowodowych. Podczas prasowania materiał ulega podgrzaniu, co poprawia skuteczność brykietowania. Najczęściej długość uzyskiwanego brykietu jest przypadkowa. Uzyskanie wyrównanej długości brykietu wymaga zastosowania urządzenia tnącego. Brykieciarki ślimakowe ze względu na swoją prostotę najczęściej stosowane są w małych wytwórniach brykietów. Tabela 2. Podstawowe parametry wybranych brykieciarek przedstawiono w tabeli poniżej. Nazwa Materiał wsadowy Parametry materiału wsadowego Wydajność Brykieciarka PBH-200 Hydrauliczna słoma, siano, makulatura, trociny, torf wilgotność: 14% - 18% frakcja: 1cm- 2cm temperatura: powyżej 2 C kg/h Brykieciarka BMT 080 Mechaniczno-tłokowa słoma, siano, makulatura, trociny, torf 8-12% kg/h dla trocin kg/h dla słomy Moc zainstalowana 15kW 35 kw Warunki pracy temperatura otoczenia: 10 C- 30 C (zalecana pokojowa) -10do 30 o C Mobilność tak Nie 163

165 Jerzy KASZKOWIAK, Sylwester BOROWSKI Po zbrykietowaniu niezbędne jest schłodzenie produktu, który w skrajnych przypadkach może rozgrzewać się do ponad 120 o C. Wykorzystuje się do tego ciągi transportowe, (przenośniki) wydłużając czas przemieszczenia z brykieciarki do miejsca składowania tak, aby brykiet uległ schłodzeniu do temperatury około 40 o C. W przypadku gdy brykiet jest pakowany, temperatura powinna nie przekraczać 30 o C. Schładzanie sprzyja również obniżaniu wilgotności. W przypadku brykietu, jego schładzanie następuje najczęściej podczas transportowania przenośnikami pneumatycznymi, lub w wyniku owiewania powietrzem brykietu na przenośniku taśmowym. Brykiet najczęściej jest konfekcjonowany, jego schłodzenie jest więc szczególnie ważne. W przypadku dużych wydajności konieczne jest schładzanie wyrobu w schładzalnikach. Najskuteczniej działają urządzenia o ciągłym przepływie brykietu lub i przeciwprądowym kierunku przepływu powietrza schładzającego (powietrze jest wdmuchiwane od strony wylotu brykietu). Po schłodzeniu z wytworzonego brykietu i podobnie jak przy produkcji peletu osypują się resztki pyłów które powinny być oddzielone od gotowego wyrobu. Wykonuje się to częściowo na przenośnikach poprzez odsiewanie, jak również powietrzem schładzającym. Jednak w niektórych przypadkach niezbędne jest zastosowanie dodatkowych odsiewaczy. Pelet przeznaczony dla odbiorców indywidualnych jest pakowany najczęściej w worki hermetyczne, rzadziej papierowe. Urządzenia pakujące przeważnie łączą funkcję automatycznego odważania porcji peletu. Zamknięcie worka (zgrzanie lub zszycie) kończy proces produkcji. Worki najczęściej układane są na paletach, owijane folią i składowane pod zadaszeniem (wiata). Możliwe jest krótkotrwałe składowanie bez zadaszenia. Pelet przeznaczony dla odbiorcy hurtowego (elektrociepłownie) jest składowany w silosach. Brykiety dla odbiorców indywidualnych są owijane folią w paczkach o masie najczęściej około 10 kg. Brykiet dla odbiorców hurtowych gromadzony jest w kontenerach lub na zadaszonych składowiskach. Ciekawym rozwiązaniem jest mobilny zestaw do peletowania przestawiony na rysunku 9. Rys. 9. Widok mobilnego zestawu do pelletowania [5] Przedstawiony zestaw ma zasilanie z sieci elektrycznej, łączny pobór mocy wynosi około 75 kw. Wydajność teoretyczna deklarowana jest na ponad 800kg brykietów /h. Opcjonalnie możliwe jest zasilanie z agregatu prądotwórczego. 164

166 TECHNOLOGIA PRODUKCJI BRYKIETU I PELETU ZE SŁOMY Bibliografia [1] SZLACHTA J. JAKUBOWSKA J.: Analiza procesu pelletowania słomy zbożowej oraz zasadności dodawania otrąb zbożowych na przykładzie wybranego zakładu produkcyjnego. Inżynieria Rolnicza 2013/4 [3] DOBEK T., DZIEWIANOWSKA M.: Energetyczna i ekologiczna ocena procesu pozyskiwania ciepła podczas spalania liści zbieranych na terenach miejskich. Inżynieria Rolnicza 2009/1 [4] NIEDZIÓŁKA, I.: Możliwości wykorzystania biomasy roślinnej do produkcji brykietów i peletów. Wieś Jutra 2010/8/9 [5] DENISIUK, W.: Słoma potencjał masy i energii. Inżynieria Rolnicza, 2008/2, TECHNOLOGY OF PRODUCTION OF BRIQUETTES AND PELLETS FROM STRAW Summary: The paper presents technical and technological conditions for straw pellet production. Compared various solutions pelletujących and briquetting machines. It presents the most important problems encountered in the implementation of technology, pellet and briquette production of straw. Keywords: Pellets, briquettes, straw, renewable fuels 165

167 166

168 IX EKO- URO-ENERGIA Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii Jerzy KASZKOWIAK 17, Ewa KASZKOWIAK 18 MożliwośCi pozyskania materiału pochodzenia roślinnego do produkcji pelletu i brykietów Abstrakt: W rozdziale przedstawiono istniejące obecne możliwości pozyskania oraz wykorzystana materiału pochodzenia roślinnego dla celów energetycznych a w szczególności produkcji pelletu i brykietów. Przeanalizowano dostępność, przydatność do pelletowania oraz uwarunkowania ekonomiczne dla podjęcia ewentualnego przetwarzania słomy na pelet. Słowa kluczowe: słoma, brykiet, pelet, spalanie 1. Wstęp Polska znajduje się w szczególnej sytuacji pod względem posiadanych zasobów energetycznych. Dominującym nośnikiem energii jest węgiel i jego pochodne. Od szeregu lat wzrasta znaczenie odnawialnych źródeł energii w tym biomasy możliwej do wykorzystania na cele energetyczne. Produkcja biomasy na cele energetyczne jest nie tylko sposobem na poprawę bilansu CO2, dodatkowo ułatwia zarówno dywersyfikację źródeł energii jak i przyczynia się do wzrostu dochodów rolników. Nie bez znaczenie jest również fakt, iż produkcja rolnicza na cele energetyczne pozwala na zachowanie gleby w kulturze. Na cele energetyczne (według zaleceń UE) powinny być wykorzystywane przede wszystkim odpady (nadwyżki) roślinne i zwierzęce, Należą do nich: nadwyżki słomy, nadwyżki traw z trwałych użytków zielonych, które można wykorzystać do produkcji peletów, brykietów lub biogazu, pozostałości poubojowe do produkcji biogazu, gnojowicę, obornik do produkcji biogazu, a także rośliny energetyczne z celowych upraw, na które można przeznaczyć 2,1 mln ha w skali kraju. W 2008 r. wyprodukowano w Polsce ok. 380 tys. ton pelletów, wyeksportowano niecałe 60%, pozostałą ilość wykorzystano w kraju (w elektrociepłowniach i ciepłowniach spalono 100 tys. ton). Natomiast w 2009 r. krajowa produkcja wyniosła 410 tys. ton, z czego w kraju zużyto 230 tys. ton. Zainteresowanie biomasą pochodzenia rolniczego do produkcji peletów i brykietów wzrasta również w całej Europie. Największym importerem pelletu i brykietów są Holandia, Dania i Belgia. Oprócz względów ekologicznych za wykorzystanie biomasy na cele energetyczne przemawia korzystna relacja cen w stosunku do paliw kopalnych. Wykorzystanie na cele energetyczne produktów pochodzenia roślinnego w Polsce nabiera coraz większego znaczenia szczególnie w świetle wymagań Unii Europejskiej doty- 17 Wydział Inżynierii Mechanicznej, UTP w Bydgoszczy, al. Prof. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz, , jerzy.kaszkowiak@utp.edu.pl 18 Wydział Rolnictwa i Biotechnologii, UTP w Bydgoszczy, ul. Bernardyńska 6/8, Bydgoszcz, , ewa.kaszkowiak@utp.edu.pl 167

169 Jerzy KASZKOWIAK, Ewa KASZKOWIAK czących ograniczenia emisji CO2. Polska jest w szczególnie niekorzystnej sytuacji, gdyż przeważająca ilość energii cieplnej i elektrycznej uzyskiwana jest w wyniku spalania węgla kamiennego lub brunatnego. Oba te surowce traktowane są jako wysoko emitujące zarówno CO2 jak i równie istotne dla ochrony środowiska pyły i popioły. Montowanie drogich i kosztownych w eksploatacji filtrów przeciwpyłowych nie zmienia aspektu emisji CO2. W obecnej sytuacji spalanie materiałów pochodzenia roślinnego spotyka się z aprobatą urzędów zajmujących się ochroną środowiska. O tyle, o ile w przypadku małych i średnich odbiorców możliwe jest spalanie nieprzetworzonych lub nisko przetworzonych surowców to w przypadku dużych odbiorców warunkiem jest koncentracja materiału. Najpopularniejszym sposobem skoncentrowania energetycznego są pelletowanie i brykietowanie. Polegają na działaniu siłami (ciśnieniem), temperaturą i ewentualnie substancjami chemicznymi w celu zagęszczenia i nadania określonego i trwałego kształtu. 2. Surowce do produkcji brykietów i pelletów z uwzględnieniem produktów ubocznych pochodzenia rolniczego, upraw energetycznych i innych. Paliwa pochodzące z zasobów roślinnych mają coraz większy udział w ogólnej ilości paliw, a produkcja roślinna na cele energetyczne ma coraz większy udział w produkcji rolniczej. Substraty roślinne do produkcji brykietów i pelletu pomimo znacznego zróżnicowania, posiadają szereg cech zbliżonych, stwarzających podobne uwarunkowania przy przechowywaniu, brykietowaniu i pelletowaniu. Charakterystyczną cechą praktycznie wszystkich substratów pochodzenia roślinnego jest znaczna zmienność właściwości. Przede wszystkim zmienna jest zawartość wody (wilgotność). Wynika to zarówno z różnych faz dojrzałości jak i oddziaływania czynników atmosferycznych. Jest to w przypadku brykietowania i pelletowania materiałów szczególnie ważny parametr. Wilgotność w większości przypadków jest jednym z czynników warunkujących uzyskanie stabilności kształtu i łatwości spajania. Podczas zagęszczania następuje odparowanie nadmiaru wody, jednak w fazie rozruchu brykieciarek i pelleciarek do momentu rozgrzania elementów formujących występują problemy z formowaniem. Również podczas magazynowania substratów występuje niebezpieczeństwo zwiększenia (lub rzadziej spadku) wilgotności. Materiały pochodzenia roślinnego są materiałami o niskim stopniu zagęszczenia dlatego wymagają znacznej powierzchni (objętości) do magazynowania. Niejednokrotnie składowanie substratów wymaga dysponowania powierzchnią zadaszoną lub stosowanie okrycia folią, w niektórych przypadkach ekspozycja na czynniki atmosferyczne poprawia zdolność do spajania i zagęszczania i wskazane jest przechowywanie bez zabezpieczenia. W wielu przypadkach czynniki atmosferyczne wpływają w znaczący sposób na zawartość zanieczyszczeń, szczególnie zapiaszczenie. Należy liczyć się również ze zmiennością składu chemicznego, a co za tym idzie wydajności energetycznej. Przykładem takiego substratu są uprawy jednoroczne (np. zboża). Szczególnie problematyczna, jest zmienna podaż, spowodowana miedzy innymi niestabilnością plonów. Oprócz zmiennej dostępności zróżnicowane plonowanie skutkuje niestabilnością cen surowca. W przypadku gdy koszty materiałowe stanowią znaczącą pozycję w kosztach produkcji może to powodować zmiany opłacalności, szczególnie w przypadku 168

170 MożliwośCi pozyskania materiału pochodzenia roślinnego do produkcji pelletu i brykietów długoterminowych umów na dostawy brykietu i peletów, przy stałej lub niewielkiej możliwej zmienności cen zbytu [1]. 3. Podział materiałów pochodzenia roślinnego Materiały pochodzenia biologicznego do spalania można podzielić na 3 grupy: I grupa to materiały stanowiące odpady. Należą do nich liście, igły drzew i krzewów, gałęzie pozostałe po pracach porządkowych i pielęgnacyjnych w sadach, ogrodach i parkach, trawa ścinana na trawnikach i terenach położonych przy drogach. Do grupy tej należą również odpady z zakładów przetwórstwa owoców i warzyw, pestki, ścinki, łupiny orzechów. Często traktowane są jako kłopotliwy odpad, a ich utylizacja jest kłopotliwa i kosztowna. II grupa to materiały stanowiące produkt uboczny. Należą do niej przede wszystkim słoma, na którą zapotrzebowanie w produkcji zwierzęcej zmalało w znaczącym stopniu, i większość gospodarstw -zwłaszcza w sytuacji zwiększenia udziału zbóż w strukturze produkcji- boryka się z problemem jej zagospodarowania. Od niedawna próbuje się wykorzystać wysłodki buraczane na cele energetyczne. III grupa to produkty roślinne celowo uprawiane dla potrzeb energetyki. Można wyodrębnić dwie podgrupy rośliny stosowane w żywieniu ludzi i zwierząt ale o zmienionym wykorzystaniu (zboża, trawy, kukurydza, buraki) i druga grupa rośliny uprawiane specjalnie na cele energetyczne (wierzba energetyczna, miskantus olbrzymi, róża bezkolcowa, ślazowiec pensylwański, topinambur, rdest sachaliński, mozga trzcinowata). Pojawiają się odmiany roślin wyhodowane specjalnie dla potrzeb energetycznych (np. odmiany buraków dla biogazowi charakteryzujące się wyższą zawartością związków sprzyjających produkcji metanu, o gładszej powierzchni korzenia skutkującej mniejszym przyleganiem gleby). W I grupie materiałów występuje duże zróżnicowanie pod względem przydatności energetycznej oraz stopnia trudności w przetworzeniu dla potrzeb spalania. Liście, igły i trawa z trawników, pomimo iż posiadają stosunkowo wysoką wartość energetyczną, są jednak często silne zanieczyszczenie. Zmienna, przeważnie bardzo wysoka jest również ich wilgotność. Liście są zbierane najczęściej już w momencie zakończenia gubienia listowia przez drzewa co wiąże się w polskiej strefie klimatycznej ze znaczna ilością opadów. Trawa z trawników zbierana jest bezpośrednio bez dosuszania, często ze znaczną ilością gleby. Dodatkowym problemem jest skład spalin zarówno w przypadku spalania liści jak i igieł. Szczególnie dużo niebezpiecznych związków chemicznych powstaje podczas spalania tych materiałów w niskiej temperaturze. Brak również doświadczeń w brykietowaniu i pelletowaniu liści pozwalających na uzyskanie stabilnego wyrobu. Pomimo pozytywnych wyników prac badawczych nad wykorzystaniem liści (głównie pochodzących z parków i sadów) ich praktyczne wykorzystanie nie wyszło poza fazę prób lub stosowania dla potrzeb własnych. Łupiny orzechów i pestek spalane są bezpośrednio bez przetwarzania, jednak ich spalanie ma na celu głównie ich utylizację (wyjątkiem są łupiny orzechów kokosowych). W przypadku spalania igieł (w formie czystej lub domieszek) występuje niebezpieczeństwo uwalniania w spalinach związków aromatycznych mogących powodować uszkodzenia pieca, przewodów kominowych. Zrębki drzewne często pozostawiane są często jako materiał biologiczny w miejscu ich pozyskania, gdyż niejednokrotnie ich wilgotność uniemożliwia lub ogranicza ich wykorzystanie do spalania. W przypadku zamiaru wykorzystania zrębków na cele energetyczne najczęściej pozostawia się nierozdrobniony materiał do podsuszenia. Poprawia to skuteczność dosychania jednak wymaga najczęściej przewozu dużej objętościowo ilości materiału 169

171 Jerzy KASZKOWIAK, Ewa KASZKOWIAK i miejsca do składowania. Zwiększa to również energię niezbędna do rozdrobnienia drewna na zrębki. W przypadku większej ilości, zrębki poddawane są kondycjonowaniu i brykietowaniu lub pelletowaniu. W związku z coraz częstszymi próbami ograniczenia wykorzystania na cele energetyczne produktów roślinnych mogących stanowić źródło żywności grupa ta jest wolna od potencjalnych obaw o ograniczeniu ich wykorzystania na cele energetyczne, jednak leśnicy próbują zwiększyć ich udział w dopływie biomasy do gleb leśnych. Wartość energetyczna zrębków po wysuszeniu wynosi około 17 MJ/kg [2]. Koszt pozyskania liści jest uzależniony od stopnia zmechanizowania ich zbioru i wzrasta ze wzrostem zaangażowania większej ilości środków technicznych. Wartość opałowa liści jest zróżnicowana, w zależności od gatunki i stopnia zanieczyszczenia. Waha się w granicach MJ/kg [3]. II grupa materiałów to przede wszystkim słoma zarówno zbożowa jak i rzepakowa. Wykorzystywana jest zarówno do spalania w postaci nisko zagęszczonej (kostki z pras tradycyjnych) głównie przez gospodarstwa indywidualne, jak i w postaci bel cylindrycznych i wielkowymiarowych bel prostopadłościennych. Ze względu na niską koncentrację materiału wszystkie te formy wymagają zapewnienia bardzo dużej objętościowo przestrzeni do magazynowania opału w bezpośredniej bliskości pieca oraz znacznej ilości środków transportu. Ogranicza to ich transport na większe odległości. Dodatkowo magazynowanie słomy w belach cylindrycznych lub prostopadłościennych stwarza zagrożenie pożarowe a w szczególności naraża na niebezpieczeństwo podpalenia. Dodatkową uciążliwością jest zanieczyszczenie otoczenia. Stąd brykietowanie i pelletowanie słomy są atrakcyjnymi formami zagęszczania słomy jako paliwa stałego. W takiej formie słoma może być spalana lub współspalania zarówno w małych piecach przeznaczonych do ogrzewania małych obiektów jak i w elektrociepłowniach czy elektrowniach. Niewątpliwą zaletą słomy jako materiału wyjściowego jest jej dostępność, nawet w warunkach obszarów o słabych glebach. Ponadto jej pozyskanie nie wymaga dodatkowych nakładów inwestycyjnych (zakup maszyn, technologii) dla jej produkcji. Podstawowym zyskiem z uprawy jest produkcja ziarna a ewentualna sprzedaż słomy stanowi dodatkowy przychód. Ilość możliwej do pozyskania słomy jest niestety dość zmienna, zależy od rodzaju uprawianego zboża, jego odmiany, stosowanych środków chemicznych (np. retardanty), intensywności nawożenia i stosowanej ochrony roślin. Prowadzone badania jak i doświadczenia producentów wskazują na celowe stosowanie technologii uproszczonych, niskonakładowych, o ograniczonym nawożeniu i ograniczonym stosowaniu środków ochrony roślin. Przy takim sposobie uprawy na glebach lekkich można przyjąć iż plon słomy rzepakowej z 1ha powinien wynosić około 2,0 do nawet według niektórych źródeł 5 ton. Realne wydaje się przyjęcie wartości 2,5 tony/hektar. Dla zbóż z dużym przybliżeniem można przyjąć iż plon słomy wynosi 3-5 ton z hektara. Przy założeniu, że plon słomy wynosi 3,5 tony z hektara i przykładowym wykorzystania na cele energetyczne uprawy o powierzchni 500 ha oraz stosunku uprawy zbóż i rzepaku 75/25% zestawiono w tabeli poniżej przewidywane plony słomy. Przy założonej wielkości plonu oraz założeniu dwuzmianowej pracy wydajność linii do pelletowania lub brykietowania powinna wynosić około 500 kg/h. Parametry pelletu i brykietów otrzymanych ze słomy, trawy i trocin wykazują dużą stabilność właściwości. Przeważnie wartość opałowa waha się w zakresie MJ/kg, a wilgotność zawiera się w granicach 6-10%. W polskich warunkach klimatycznych możliwa do wykorzystania na cele energetyczne jest pozostająca po uprawie kukurydzy na ziarno słoma kukurydziana, której przeznaczenie na cele paszowe jest mało efektywne. Wysoka masa słomy kukurydzianej (10 ton suchej 170

172 MożliwośCi pozyskania materiału pochodzenia roślinnego do produkcji pelletu i brykietów masy/ha) oraz dość wysoka wartość energetyczna (około 15MJ/kg) czyni ją atrakcyjnym materiałem energetycznym. Do III grupy surowców należą wspomniane rośliny uprawne, w szczególności zboża przeznaczone do spalania jako całe rośliny lub część plonu przykładowo samo ziarno, plewy, łuszczyny, słoma z domieszką zbieranych chwastów. Jest to sposób naddający się szczególnie dla niskiej jakości ziarna, pozyskanego w niskonakładowej uprawie. Uprawa zbóż na cele energetyczne może być alternatywą dla odłogowania pól, jak również dla uprawy specjalistycznych roślin energetycznych. Ich uprawa w Polsce najczęściej nie posiada tradycji, a producenci nie dysponują specjalistycznym sprzętem do ich zbioru i uprawy, ani doświadczeniem w ich uprawie. Często rośliny te są również nie w pełni tolerujące klimat Polski. Uprawianie roślin na cele energetyczne może być bezpiecznym, nie budzącym wątpliwości sposobem wykorzystania roślin GMO. Spalanie całych roślin jest problematyczne technicznie, gdyż podobnie jak w przypadku słomy stanowią one materiał o niskim zagęszczeniu. Wyjątkiem jest ziarno, którego zagęszczenie podczas brykietowania lub pelletowania zmienia się w stosunkowo nie duży stopniu. Ziarno można spalać zarówno w małych piecach adoptowanych z piecy do spalania ekogroszku, jak i w formie zagęszczonej. Brykietownie samego ziarna jest stosunkowo kłopotliwe łatwiejsze jest brykietowanie w mieszance np. z trocinami drzewnymi lub zrębkami. Wierzba energetyczna lub wiklina uprawiane na cele energetyczne wymagają najczęściej przetworzenia do postaci zrębków a następnie brykietów lub pelletu. Ich uprawa jest kłopotliwa, wysokie nakłady na założenie plantacji, wysokie wymogi wodne, a przede wszystkim kłopotliwy zbiór. Wbrew niektórym opiniom nie naddają się do ich zbioru (po za pierwszymi latami uprawy) normalne kosiarki czy wręcz sieczkarnie. Po kilku latach średnica roślin u podstawy może przekraczać kilkanaście centymetrów. Również wyrugowanie plantacji jest bardzo trudne a często wręcz nie możliwe. Wprawdzie w rejonie Kujaw przypadki odłogowania ziem są stosunkowo rzadkie i najczęściej dotyczą gleb o bardzo niskiej przydatności rolniczej jednak w Polsce, szczególnie na obszarach działania dawnych Państwowych Gospodarstw Rolnych a szczególnie na terenie Warmii i Mazur znaczna część pól została zamieniona w ostoje ptactwa. Ich ponowne wykorzystanie rolnicze w praktyce wydaje się obecnie nie możliwe, a mogłyby być wykorzystane do niskonakładowej produkcji roślin na cele energetyczne. Kolejną rośliną jest miskantus jednak jego znaczenie jest jeszcze znikome, roślina dość trudno aklimatyzuje się w Polskich warunkach, i wysokie plonowanie uzyskuje się przeważnie tylko w latach bardzo suchych o wysokiej średniej temperaturze (są to przeważnie lata niskich plonów innych roślin). Jej spalanie stwarza podobne wymogi jak spalanie słomy zaletą są wysokie plony, a ponadto nie ma zagrożenia w przypadku zmian w prawie ograniczających wykorzystanie na cele energetyczne roślin mogących być źródłem żywności. Plonowanie miskantusa wynosi około 20 ton biomasy / ha (przy wilgotności 20%). Założenie plantacji wymaga nasadzenia rozsady. W pierwszych 3 latach plonowanie jest znacząco niższe, a sadzonki są szczególnie wrażliwe na wymarzanie. Wymagają okrywania w okresie zimowym. Również do momentu pełnego rozwoju plantacja jest narażona na zachwaszczenie, a brak w pełni bezpiecznych środków do ich zwalczania. Przyjmuje się że żywotność plantacji wynosi około 15 lat. Wartość opałowa miskantusa wynosi od MJ/kg. Ślazowiec pensylwański jest rośliną która może być z powodzeniem wykorzystana zarówno na cele paszowe (zawiera około 20% białka) jak i na cele energetyczne. Wartość opałowa ślazowca może dochodzić do 20 MJ/kg. Ślazowiec pensylwański jest rośliną wieloletnią, w warunkach klimatycznych Polski przyjmuje się żywotność plantacji według różnych 171

173 Jerzy KASZKOWIAK, Ewa KASZKOWIAK źródeł około lat. Mimo iż plantację można teoretycznie założyć poprzez wysianie nasion, ze względu na bardzo niskie wschody (nawet poniżej 7%) powszechnie stosuje się wysadzanie odcinków pędów lub korzeni. Plantacje zakładane metodą wysiewania poprawnie rozwijają się jedynie w bardzo ciepłych i wilgotnych latach. Jednak są szczególnie wrażliwe na zachwaszczenie (ograniczenie dostępu światła). Podobnie jak w przypadku miskantusa brak skutecznych i bezpiecznych metod chemicznej ochrony plantacji przed chwastami. Zbiór przeprowadzany jest późną jesienią lub nawet zimą, najczęściej po przymrozkach. Zaletą jest łatwość zbioru, mimo iż średnica łodyg może przekraczać 3 cm jego zbiór można przeprowadzić sieczkarnią do kukurydzy. Plonowanie ślazowca nawet na słabych glebach dochodzi do 12 ton suchej masy z hektara. W przypadku roślin uprawianych przez wiele lat na tym samym siedlisku jak to ma miejsce w przypadku ślazowca lub miskantusa, dochodzi niebezpieczeństwo koncentracji patogenów. W przypadku obu wyżej wymienionych roślin są to przede wszystkim zagrożenia nadmiernego rozwoju szkodników (przędziorkowate, pluskwiaki) i chorób (zgnilizna, plamistości liści, fuzarioza). Podobnie jak przy ochronie przed nadmiernym zachwaszczeniem brak skutecznych i bezpiecznych metod ochrony chemicznej. W warunkach planowanej inwestycji wydaje się najkorzystniejsze wykorzystanie słomy zbożowej i rzepakowej jako materiału do produkcji pelletu i brykietów, gdyż nie wymaga to okresu przejściowego przy zakładaniu nowej plantacji. 4. Pozyskanie surowca Rośliny uprawiane celowo na cele energetyczne mogą pochodzić z upraw własnych lub zakupu na warunkach podobnych jak powyżej. Do niedawna głównym kosztem pozyskania materiałów pochodzenia roślinnego był koszt ich gromadzenia i transportu. Niemniej takie możliwości w związku z coraz popularniejszym ich wykorzystywaniem na cele energetyczne pojawiają się coraz rzadziej, najczęściej w rejonach oddalonych od miejsc lokalizacji spalarni, biogazowi i przetwórni. Również w przypadku liści, należy liczyć się z kosztem ich uprzątania i składowania. W przypadku słomy możliwe jest uzyskanie wieloletnich umów na jej dostawę. Możliwe są różne formy dostaw- od kupna słomy na polu najniższa cena (od 30 zł za tonę) jednak wymaga zakupu lub wynajęcia sprzętu i ludzi, do najwygodniejszej zakup z dostawą do przetwórni we wskazanym momencie-dostawca wykonuje zbiór słomy, jej magazynowanie na własnym terenie oraz dostawę we wskazanym momencie (cena ponad 120 zł za tonę). Metoda ta oprócz najwyższej ceny pozwala na minimalizację nakładów własnych oraz ograniczenie ilości gromadzonej słomy w sąsiedztwie zakładu. Wybór sposobu zapewnienia dostaw surowca zależy nie tylko od preferencji producenta, ale również od uwarunkowań lokalnych i zwyczajów rolników. Opcją jest wykorzystanie słomy pochodzącej z własnej uprawy. Należy jednak zwrócić uwagę iż nie wskazane jest wykorzystywanie całej masy wyprodukowanej słomy do przetwórstwa, gdyż w perspektywie wieloletniej prowadzi to do obniżenia żyzności gleby. We wszystkich przypadkach występuje okresowa podaż surowca, często jak w przypadku słomy, jest dostępna w stosunkowo krótkim okresie i zapewnienie ciągłej produkcji wymaga zgromadzenia zapasu surowca. 172

174 MożliwośCi pozyskania materiału pochodzenia roślinnego do produkcji pelletu i brykietów 5. Magazynowanie surowców pochodzenia roślinnego Ze względu na okresową podaż niezbędne jest magazynowania surowców pochodzenia roślinnego przeznaczonych do spalania w formie przetworzonej lub nieprzetworzonej. Odbywa się przeważnie na niezadaszonej powierzchni. Wskazane jest okrycie wierzchniej warstwy folią co skutecznie ogranicza wsiąkanie nadmiaru wody z opadów. Ze względu na stosunkowo niedużą masę objętościową (nawet po zagęszczeniu prasą jej masa objętościowa wynosi kg/m3) słoma zajmuje znaczną objętość. Przy założeniu iż słomę zbieramy z 500 ha, i jej średnia wydajność wynosi 3,5t/ha daje to około 6500 m3. Przy wysokości składowania 5m daje to powierzchnię 1200m2. W przypadku słomy zbieranej w formie bel cylindrycznych objętość składowiska wzrasta nawet o ponad 30% w stosunku do słomy zbieranej w wielkogabarytowych belach prostopadłościennych. Zagrożeniem dla przechowywanego materiału pochodzenia roślinnego są procesy pleśniowe, rozwój grzybów, utrata suchej masy [4]. Również istotnym problemem może być niebezpieczeństwo przegrzewania się wilgotnej słomy a nawet jej samozapłon[5]. Zgodnie z wymogami bezpieczeństwa pożarowego, składowanie słomy powinno odbywać się w odległości co najmniej: - 20m od budynków wykonanych z materiałów niepalnych lub słabo palnych o pokryciu niepalnym, - 30m od budynków palnych, - 30m od dróg publicznych i linii kolejowych, - 100m od lasów i terenów zadrzewionych, - 30m od linii wysokiego napięcia, Wielkość pojedynczej strefy składowania nie może przekraczać 1000m2, lub objętości 5000m 3 a odległość między strefami nie może być mniejsza niż 100m. Wokół każdego stogu-pryzmy należy oczyścić podłoże i utrzymywać w stanie wolnym od resztek roślin (przeoranie, kultywatorowanie lub bronowanie). Szerokość pasa oczyszczonego to co najmniej 2m, powinien przebiegać w odległości 3m od obrysu pryzmy lub stogu. Rys. 1. Widok składowiska słomy w formie bel prostopadłościennych [opracowanie własne]. 173