Energetyka biomasowa Opracowane głównie na podstawie materiałów prof. Popczyka dr inż. Grzegorz Barzyk dr Barzyk Consulting 1
W dziedzinie stosowanych w praktyce technologii energetycznego wykorzystania biomasy obserwuje się następujące rozwiązania: - współspalanie węgla z biomasą (tzw. co-firing), - bezpośrednie spalanie biomasy (słomy w balotach, drewna w formie zrębków, osadów ściekowych w formie granulatu, trocin w formie brykietów); -zgazowanie biomasy -przetwarzanie na biogaz 2
Biomasa wykorzystywana do celów energetycznych nazywana jest biopaliwem. Biomasę można pogrupować w następujący sposób: odpady leśne, ścinki, kora, zieleń, liście, gałęzie, odpady drewna z przemysłu papierniczego i meblarskiego, odpady z likwidacji upraw ogrodniczych, odpady drewna (trociny, pył szlifierski), drewno rozbiórkowe oraz z opakowań, rolnicza (z upraw, produkcji żywności i hodowli zwierzęcej), inna biomasa roślinna powstająca w czasie uprawy i pozyskania, oraz przetwarzania przemysłowego produktów (siano, słoma, kiszonka, konopie, kukurydza, trzcina cukrowa i bagienna, łuski itp.), uprawy energetyczne (trawy, wierzba, topola, eukaliptus, słomy, ziarna upraw zbożowych), inne paliwa biopochodne (papier i karton, stałe odpady komunalne MSW, paliwa RDF, osady ściekowe).. 3
Paliwa drugiej generacji Nie ma jeszcze warunków do jednoznacznego zdefiniowania paliw drugiej generacji. Rolnicy definiują na przykład paliwa drugiej generacji jako te, których produkcja nie jest konkurencyjna względem produkcji żywności. Energetycy natomiast jako te, które mają wysoki (na przykład 1,6) stosunek energii na wyjściu z procesu pozyskiwania paliwa do energii włożonej. 4
Występuje trudność w odpowiedzi na pytanie: Do jakich paliw, pierwszej czy drugiej generacji, zaliczyć biopaliwa? Na przykład biogaz w klasyfikacji europejskiej jest zaliczany zarówno do paliw pierwszej jak i drugiej generacji W pierwszym segmencie są: gaz wysypiskowy, z oczyszczalni ścieków, z biogazowni utylizujących odpady rolnicze i z przetwórstwa rolno-spożywczego W drugim segmencie będzie natomiast (po skomercjalizowaniu technologii na skalę rynkowa) biogaz ze zgazowania celulozy (słoma, drewno, wytłoki z trzciny cukrowej) 5
Wg prof. Popczyka biogaz produkowany z całych roślin energetycznych zielonych (takich jak kukurydza, buraki pastewne/półcukrowe i inne) w procesie zgazowania biologicznego (fermentacyjnego), i ewentualnie oczyszczony do postaci gazu ziemnego wysokometanowego, jest paliwem drugiej generacji Biopaliwa płynne (etanol i estry) produkowane obecnie z ziarna zbóż (takich jak kukurydza, pszenica i inne) oraz rzepaku są paliwami pierwszej generacji Zarówno biogaz jak i paliwa płynne, które będą produkowane w nadchodzacych latach z celulozy, będą jednolicie paliwami drugiej generacji 6
7
Budowa sieciowych struktur biznesowych: gminne strefy energetyczne, rolnicze grupy producenckie, sieci małych wytwórni biopaliw (pierwszej i drugiej generacji), sieci stacji paliwowych (pierwszej i drugiej generacji) 8
Unijny Pakiet energetyczno-klimatyczny 3x20 Polityka energetyczna Polski do 2030 roku Ustawy: Prawo energetyczne, Prawo budowlane Polski (narodowy) system wsparcia energetyki odnawialnej Program Innowacyjna Energetyka. Rolnictwo Energetyczne Polska prezydencja UE (2011 rok) 9
Temperatura w strefie utleniania powinna być utrzymana w zakresie 700-900oC (dla biopaliwa nie może przekroczyć 1000oC). Gdy jest niższa od zalecanej wartości, dwutlenek węgla nie jest całkowicie redukowany do tlenku węgla, nawet jeśli czas kontaktu CO2 z węglem zawartym w paliwie jest długi. Jeśli temperatura przekracza wartość wymaganą, to popiół topi się i formuje się żużel, powodujący zawieszanie wsadu w strefie redukcji i w konsekwencji zatykanie przepływu gazu 10
11
12
Powstawanie biogazu Jak sama nazwa wskazuje, biogaz powstaje w procesie biologicznym. Z masy organicznej przy braku obecności tlenu powstaje mieszanina gazów, tak zwany biogaz. Ten szeroko rozpowszechniony w przyrodzie proces odbywa się na przykład na torfowiskach, na dnie mórz, w gnojowicy oraz w żwaczach przeżuwaczy. Masa organiczna zamienia się prawie w całości w biogaz i oprócz tego powstają dodatkowo niewielkie ilości nowej biomasy lub ciepła. 13
Utworzona mieszanina gazów w około dwóch trzecich składa się z metanu i w około jednej trzeciej z dwutlenku węgla. Oprócz tego w biogazie znajdują się jeszcze niewielkie ilości wodoru, siarkowodoru, amoniaku i innych gazów śladowych. Aby uzmysłowić sobie proces powstawania biogazu, możemy go podzielić na kilka etapów: 14
W pierwszym etapie, hydrolizie, dochodzi do rozkładu złożonych związków materiału wyjściowego (np. węglowodanów, białek, tłuszczy) na proste związki organiczne (np. aminokwasy, cukier, kwasy tłuszczowe). Uczestniczące w tym procesie bakterie uwalniają enzymy, które rozkładają materiał na drodze reakcji biochemicznych. 15
Następnie utworzone produkty pośrednie rozkładają się w tak zwanej fazie zakwaszania przy udziale bakterii kwasotwórczych na kwasy tłuszczowe (kwas octowy, propionowy i masłowy) oraz dwutlenek węgla i wodór. Oprócz tego powstają niewielkie ilości kwasu mlecznego i alkoholu. Produkty te w następnej fazie tworzenia się kwasu octowego, przy udziale bakterii zamieniają się w substancje poprzedzające powstanie biogazu (kwas octowy, wodór i dwutlenek węgla). Ponieważ zbyt wysoka zawartość wodoru szkodzi bakteriom octowym, muszą one współpracować z bakteriami metanowymi. 16
Podczas tworzenia metanu zużywają one wodór i przez to zapewniają odpowiednie warunki do życia bakterii octowych. W kolejnej fazie, metanogonezie, ostatnim etapie tworzenia biogazu, z produktów acetogenezy powstaje metan. 17
Jeśli cztery etapy rozkładu przebiegają wspólnie w jednym fermentatorze, mówimy wtedy o instalacjach jednozakresowych. Ponieważ bakterie z poszczególnych etapów posiadają różne wymagania co do swoich warunków życia, musimy w tym miejscu znaleźć odpowiedni kompromis. Ponieważ bakterie metanowe są najbardziej wrażliwe na zakłócenia i namnażają się bardzo wolno, warunki środowiskowe w takich systemach będziemy dopasowywać do tych właśnie bakterii. Natomiast w instalacjach dwuzakresowych hydroliza i zakwaszanie są rozdzielone następującymi po sobie zakresami rozkładu. Dzięki temu możliwe jest lepsze dopasowanie warunków otoczenia do określonych grup bakterii oraz możliwe jest uzyskanie lepszej skuteczności rozkładu. 18
W opisie warunków środowiskowych musimy rozróżnić fermentację mokrą od fermentacji suchej, ponieważ głównie ze względu na zawartość wodoru wynikają między nimi różnice. W praktyce przyjęto się, że o fermentacji mokrej mówimy wtedy, gdy zawartość masy suchej w fermentorze wynosi od 12 do 15% i przy tej zawartości wody możliwe jest pompowanie materiału. Jeśli zawartość masy suchej wzrośnie powyżej 16%, to materiał przeważnie traci zdolność do pompowania i mówimy wtedy o fermentacji suchej. 19
Ilość biogazu, jaką możemy wyprodukować w instalacji biogazowej zależy zasadniczo od składu podawanych podłoży. W praktyce wykonanie odpowiednich obliczeń jest praktycznie niemożliwe, ponieważ z reguły nie znamy stężeń poszczególnych substancji pokarmowych wchodzących w skład przeważnie podłoży mieszanych. Ponadto we wszystkich obliczeniach tego rodzaju przyjmuje się stan stuprocentowego rozkładu substancji organicznej, co w praktyce jest niemożliwe. (występują także inne czynniki, takie jak czas aktywności podłoży w reaktorze, zawartość substancji suchej, ewent. występujące inhibitory i temperatura fermentacji). 20
21
22
Plony kukurydzy zbierane na hektar z roku na rok są różne, ale jeśli wyciągniemy średnią, to wynoszą one 45 t świeżej masy (sm). Zbiór ziaren żyta wynosi w przybliżeniu od 5 do 6 t na hektar, stosunek ziarna do słomy wynosi około 1:1,6. Daje to łączny zbiór w ilości od 13 do 15 t suchej masy na hektar. Zbiory buraka są różne w zależności od warunków glebowych i w przypadku buraka cukrowego wynoszą od 500 do 600 dt/ha (600 do 700 dt/ha dla pastewnych a nawet 900 dt/ha dla roślin o zwiększonej masie) 23
Wykorzystanie biogazu odbywa się przede wszystkim w silnikach spalinowych napędzających generatory prądotwórcze. W przyszłości będzie też istnieć możliwość stosowania biogazu w mikroturbinach gazowych, ogniwach paliwowych oraz silnikach Stirlinga. Również i te techniki są służą w pierwszej kolejności przetwarzaniu uzyskanego biogazu w energię elektryczną. Dalsza możliwość wykorzystania istnieje w wyłącznym termicznym stosowaniu go w przystosowanych do tego urządzeniach spalających wzgl. kotłach grzewczych. Do opcjonalnych możliwości zastosowania biogazu należą także zastosowanie go jako paliwa do napędzania pojazdów spalinowych lub zasilania przy jego pomocy sieci gazu ziemnego. 24
Bezpośrednie wykorzystanie uzyskanego gazu surowego z zasady nie jest możliwe ze względu na obecne w gazie różne, specyficzne dla biogazu składniki jak np. siarkowodór. Z tego powodu biogaz poddawany jest oczyszczaniu, które traktowane jest jako warunek do możliwości wykorzystania biogazu. 25
Biogaz nasycony jest parą wodną i obok metanu (CH4) oraz dwutlenku węgla (CO2) zawiera m.in. także śladowe ilości siarkowodoru (H2S). Siarkowodór jest toksyczny i ma nieprzyjemny zapach zepsutych jaj. Poprzez połączenie siarkowodoru oraz zawartej w biogazie pary wodnej dochodzi do powstawania kwasu siarkowego. Kwasy działają negatywnie na stosowane do obróbki biogazu silniki jak i dołączone do nich elementy (instalacja gazownicza, instalacja odprowadzająca spaliny itd.). Z tego powodu w rolniczych instalacjach biogazu przeprowadza się odsiarczanie i wysuszanie uzyskiwanego biogazu. W zależności od zawartych w biogazie domieszek innych substancji lub stosowanej technologii korzystania z biogazu (np. ogniwa paliwowe) może okazać się konieczne przeprowadzenie dalej idącego jego uzdatniania. 26
Producenci elektrociepłowni blokowych stawiają pewne wymagania minimalne wobec właściwości stosowanych paliw gazowych. Zasada ta obowiązuje także przy zastosowaniu biogazu. Właściwości paliwa gazowego powinny zostać zachowane, by uniknąć wzmożonej częstotliwości konserwacji lub uszkodzenia silników. Przykład takich minimalnych właściwości stosowanego paliwa gazowego został przedstawiony w tabeli. 27
28
ZASTOSOWANIE Wykorzystanie przez sprzężenie mocy i ciepła Oddawanie biogazu do sieci gazu ziemnego Paliwo dla pojazdów silnikowych Zasilanie ogniw paliwowych 29
ZASTOSOWANIE Kotłownia zrębkowa 30
Dziękuję za uwagę 31