CENTRUM ENERGETYKI PROSUMENCKIEJ Czyste ciepło z paliw stałych w instalacjach małej mocy Stan aktualny i przyszło ć Dr inż. Krystyna Kubica k.kubica@pie.pl eby coś stało się mo liwe trzeba stale, od nowa, pracować nad niemo liwym! www.pie.pl Konwersatorium Inteligentna energetyka 24 luty 2015 Stowarzyszenie Klaster 3x20, ul. Krzywoustego 2/618, 44-100 Gliwice
Zakres Definicje Czynniki sprawcze i presje poprawy jako ci powietrza Diagnoza stanu aktualnego Urządzenia grzewcze małej mocy opalane paliwami stałymi - inwentaryzacja emisji - paliwa - techniki spalania - emisja zanieczyszczeń Ograniczanie tzw. emisji niskiej rodki techniczne i pozatechniczne Pierwotne i wtórne metody ograniczenia emisji zanieczyszczeń Regulacje prawne Dyrektywa ekoprojekt, standaryzacja paliw i wpływ na jako ć powietrza
ródła emisji naturalne Wybuchy wulkanów chmura pyłu Żront pyłowy na Saharze Burza piaskowa na Marsie
ródła emisji działalno ć człowieka Antropogeniczne ródła emisji pyłu: termo-chemiczna konwersja paliw, ponad 75% NOx oraz SO2, około 70% CO ponad 75% pył i ponad 90% CO2 Wydobycie i transport surowców, Procesy przemysłu chemicznego hutniczego, rafineryjnego i cementowego, Składowanie surowców i produktów, transport.
Spalanie paliw w indywidualnych ródłach ciepła małej mocy (<ńmw) główne ródło PM2.5 i toksycznych zanieczyszcze!!!!! Spalanie ń tony węgla w kotle tradycyjnej konstrukcji o mocy 25 kw (przeciwprądowe spalanie) emisja PICs (produkty niecałkowitego I niepełnego spalania) o CO 120 kg o TSP (PMńŃ, PM2.5) 7 kg o VOCs, LZO (C3) 5,7 kg o ń6 WWA wg źpa Ń,9 kg o PCŹŹ/Żs 23,8 µg I-TEQ ok. 300 µg I-TźQ współspalanie odpadów!! o Żenole o Substancje smoliste Ń,86 kg 8,8 kg Kubica K. Williams A.ś et al. Influence of cocombustion coal and biomass.final Report ERB IC CT98 0503, 2001 ródłoś Na podstawie: http://www.kobize.pl/materialy/inwentaryzacje_krajowe/2014/iir%20_poland_2014.pdf
Wszyscy mamy prawo oddychać czystym powietrzem Instalacje Spalania Paliw Stałych (biomasy i węgla) Małej Mocy nie Mogą Być SPALARNIAMI MIźCI, nie muszą być ŹU YMI źmitźntami ZANIźCZYSZCZź Czynniki sprawcześ ochrona zdrowia, środowiska i infrastruktury Presje: - prawodawstwoś standardy jakości powietrza, standardy produktowe, dobrowolne zobowiązania na rzecz minimalizacji oddziaływania na środowisko (Źyrektywy CAŻź, EKOPROJEKT, ang. ECODESIGN) - świadomość społecznaś jakość życia, ochrona zdrowia i środowiska naturalnego
Redukcja niskiej emisji techniczne i poza-techniczne narzędzia Techniczne metody: Ograniczanie emisji czyste paliwa ciepło sieciowe ISMM na paliwa stałe typu BAT Poza-techniczne metody: Prawodawstwo: Dyrektywy UE Krajowe uregulowania (obligatoryjne, dobrowolne) Jakość Powietrza Zdrowie źfektywność energetyczna Oszczędność energii pierwotnej Uwarunkowania Źostępno ć ródła energii Koszty, ekonomia! Dobre praktyki ISMM (ang. SCIs) Strategiczne programy poprawy jako ci powietrza, efektywno ci energetycznej, OZE Edukacja
Technologie spalania, paliwa źmisja zanieczyszcze - uwarunkowania TECHNOLOGIE, TECHNIKI SPALANIA organizacja procesu spalania pyłowe (w strudze) fluidalne w warstwie (złoże stacjonarne) ISMM (ang. SCIs) Zanieczyszczenia PICs - CO, TOC, VOCs, SVOCs i NVOCs:WWA, PCDD/Fs (toksyczne zanieczyszczenia organiczne), BC (TSP), PM2.5 i PM10, oraz NOx spalanie w strudze spalanie fluidalne spalanie w warstwie (różne..)!!! WŁA CIWO CI ŻIZYKOCHźMICZNź PALIWA C, H, N, S, Cl,O,Ż, HM metale ciężkie popiół rozmiar ziarna, wilgoć Zanieczyszczenia Metale ciężkie (Hg, Cd, Pb, As, Ni, V..), SOx, NOx, TSP, PM2.5 i PMńŃ, PCŹŹ/Żs gaz paliwa ciekłe paliwa stałe (węgiel, biomasa)
ISMM (ang. SCIs) i ISSM (ang. MCPs) definicje i zakres SCIs <1MW; MCPs 1-50MW Sektory Usługi Mieszkalnictwo Kotły domowe Przemysł Kotły małej mocyś Usługi Kominki Rodzaje Kotły Sredniej mocy Instiytucje/Usługi Piece Kotły dużej mocy / Usługi, Instytucje i Przemysł 5 kw 15 kw 50 kw 300 kw 5 MW 20 MW 50 MW źmisja zanieczyszcze Techniki spalnia Preparatory Studies for Eco-design Requirements of EuPs (II) [TREN/D3/390-2006/Lot15/2007/S07.74922] 2007-2009; S. Mudgal, L. Turunen BIO IS France, R. Stewart M. Woodfield, AEAT UK, K. Kubica, R. Kubica; http://www.eceee.org/ecodesign/products/solid_fuel_small_combustion_installations/bio_eup_lot%2015_task1 _Final.pdf
Paliwa stałe kopalne, odnawialne biomasa biomasaś czę ci lotne ok. 65 82%ś węgielś czę ci lotne ok. 35 42% 80 WARTOŚĆ OPAŁOWA (stan suchy): Słoma - 22,4 [MJ/kg] Drewno - 23,8 [MJ/kg] Kora - 22,6 [MJ/kg] Węgiel - 33,1 [MJ/kg] 70 Udział [% mas.] 60 50 40 30 20 10 0 węgiel wodór tlen azot x10 siarka x10 popiół
Instalacja spalania małej mocy (ISMM) PALIWOŚ jako ć brak standardów KOMINYŚ dobór do kotła (rys. 1) EKSPLOATACJA: dobre praktyki (edukacja) g/gj] Kubica K.; Dobre praktyki produkcji energii cieplnej dla indywidualnego i komunalnego ogrzewnictwa. Paliwa stałe. ISBNŚ 83-918298-7-1; Katowice 2006; httpolskiklubekologiczny.org.pl [ Paliwo Urządzenie grzewcze!! EKSPLOATACJA KOTŁYŚ sprawno ć energetyczna i emisyjna brak standardów emisji, standardy produktowe 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 CO*10 SO2 NO2 TSP TOC Rys. 1
Ogólny podział instalacji spalania małej mocy - kategorie, funkcje, techniki spalania Bezpośrednie ogrzewanie Kominki Piece Kuchnie Technika spalania dolnego przeciwprądowe w całej objętości złoża. A SPAL IN Y W arstwa paliwa P iecokuchnie P iece ceramiczne P iece stałopalne K otły komorowe współprądowe Technika spalania górnego w części objętości złoża. C SPALINY PO W IETRZE Technika spalania dolnego wprąd części objętości złoża. krzyżowy W arstwa paliwa B K otły retorto we K otły komorowe miałowe NATURALNY ŹOPŁ YW SPAL INY DOZO W AN IE PALIW A PO W IETRZE arstwa pa liwa W arstwa Wpaliwa K otły komorowe POW IETRZE Pośrednie ogrzewanie, instalacje c.o., kotły ręcznie Kotły ręcznie zasilane paliwem - ciąg kominowy naturalny - ciąg kominowy wymuszony Kotły automatycznie zasilane paliwem czyste spalanie (BAT); spalanie górne w części złoża - retortowe - podsuwowe (palnikowe) - peletowe (pelety drzewne)
Techniczne, pierwotne metody technika spalania Kocioł retortowy Jak wyglądają ISMM Różnice pomiędzy nowymi a starymi urządzeniami Poprawa organizacji procesu spalania! Komora dopalania Kocioł dolne spalanie na węgiel, drewno Nowy kocioł na drewno kawałkowe Piec Kurtyna powietrzna szyby Wylot Wylot spalin spalin Deflektor Komora spalania Pow. wtórne Pow. pierwotne Wlot powietrza
Spalanie paliw stałych w ISMM - emisje ń. węgielś 2. biomasaś 3.stopie redukcji dla kotłów automatycznych ŹródłoŚ Kubica K., at al., Small combustion installations: Technique, emissions and measures for emission reduction., EUR 23214 EN, ISBN 97892-79-08203-0; http://publications.jrc.ec.europa.eu/ 7000 CO, VOC, PM [g/gj], PAHs [mg/gj], PCDD/F [ng/gj]. CO, VOC, PM [g/gj], PAHs [mg/gj], PCDD/F [ng/gj]. 600 0 500 0 400 0 300 0 200 0 100 0 5000 4000 3000 2000 1000 Piece Piece 0 CO VOC PM (TSP) Kotły au to. PAHs Kotły ręczne 0 CO VOC PM (TSP) Kotły au t. PAHs PCDD /F PCDD /F Automatyzacja procesu spalania wpływa naś 100 Reduction degree [% 6000 99 98 97 96 95 94 93 92 CO VOCs PM TOC PAH B(a)P wzrost. średniorocz. ŋ o około 3Ń punkt. % redukcję emisjiś CO o około 99% VOCs ponad 99% pyłu ponad 97% B(a)P ponad 99% PCDD/Fs ponad 85%
Emisja z instalacji spalania małej mocy znaczenie źródła % shares grains fractions Udziały frakcjiof ziarnowych, % 100% 90% 80% rednica ziarna grai size 70% mm 60% > 10 50% 40% 2,5-10 30% 1-2,5 20% <1 10% 0% pellets Pellet chips Zrębki logs Źr. kawałkowe coal Węgiel fuels Paliwa Źródło emisji, rodzaj paliwa ma kluczowy wpływ na rozkład uziarnienia emitowanego pyłu Im więcej części lotnych w paliwie tym większy udział pyłów drobnych - submikronowych
Techniczne środki zmniejszenia redukcji emisji z SCIs Źwa rodzaje metod redukcji zużycia energii i emisji zanieczyszcze : pierwotne organizacja procesu spalania, jakość paliwa stałego wtórne odpylanie, redukcja OGC, NOx i SOx (katalityczne, tzw. post-combustion) KOSZTY źżźkty Redukcja emisji TSP i CO z SCIs opalanych paliwami stałymi http://www.eceee.org/ecodesign/products/solid_fuel_small_co mbustion_installations/bio_eup_lot%2015_task4_final.pdf
Techniczne narzędzie poprawa jakości urządze Parametry środowiskowe kotłów typu BAT automatycznie zasilanych węglem Parametr Unit BAT % 89 Emisja CO mg/m3 190 Emisja TSP (bez wtórnej metody) mg/m3 40 Emisja NOx mg/m3 270 Emisja OGC mg/m3 10 Sprawno ć energetyczna Preparatory Studies for Eco-design Requirements of EuPs (II) [TREN/D3/3902006/Lot15/2007/S07.74922] 2007-2009; S. Mudgal, L. Turunen BIO IS France, R. Stewart M. Woodfield, AEAT UK, K. Kubica, R. Kubica; http://www.eceee.org/ecodesign/products/solid_fuel_small_combustion_installations/bio_eup_lot%2015 _Task6_Final.pdf 800 mg/m3 ; Raport..; KOBIZE Warszawa luty 2013 BAT - ponad 95% redukcji TSP
Techniczne narzędzie poprawa jakości urządze Parametry kotłów typu BAT automatycznie zasilanych peletami Parametr Unit BAT % 92 Emisja CO mg/m3 150 Emisja TSP (bez wtórnej metody) mg/m3 30 Emisja NOx mg/m3 140 Emisja OGC mg/m3 4 Sprawno ć energetyczna Fig.16.1 Preparatory Studies for Eco-design Requirements of EuPs (II) [TREN/D3/3902006/Lot15/2007/S07.74922] 2007-2009; S. Mudgal, L. Turunen BIO IS France, R. Stewart M. Woodfield, AEAT UK, K. Kubica, R. Kubica; http://www.eceee.org/ecodesign/products/solid_fuel_small_combustion_installations/bio_eup_lot%2015_task6_final.pdf 340 mg/m3 Raport..; KOBIZE Warszawa luty 2013 BAT ponad 95% redukcji TSP
rodki techniczne wtórne metody ograniczania emisji Rozwój wtórnych metod ograniczania emisji. Główne kierunkiś - Odpylacze dla ograniczania emisji pyłu - Katalizatory/dopalacze dla ograniczenia emisji CO oraz LZO (PICs) Elektrofiltry najbardziej obiecującym rozwiązaniemś Na rynku urządzeń są rozwiązania elektrofiltrów dla urządzeń grzewczych opalanych paliwami stałymi, kolejne nowe i zarazem ta sze rozwiązania są sukcesywnie wprowadzane do sprzedaży. rednia sprawność odpylania waha się w zakresie 50 to 90%. Sprawno ć jest silnie uzależniona od rodzaju spalanego paliwa oraz techniki spalania (stare/nowe urządzenia). ŹródłoŚ Informacjaś R. Kubicaś Politechnika ląskaś rkubica@polsl.pl
Prawodawstwo Uregulowania UE dyrektywy Uregulowania UE; normy produktoweś dla urządzeń grzewczych wdrożone normy źn jako PN źn Uregulowania krajowe ustawy i rozporządzenia krajowe obligatoryjne, dobrowolne zobowiązaniaś Polska: brak dla instalacji spalania paliw stałych <ńmwś od 2ŃŃ4 brak kontroli jakości paliw aktualnie ustawa o monitorowaniu paliw przyjęta przez Sejm 8 pa dziernika 2014, a Rozporządz. Min. Gospodarki do końca br.
Norma produktowa kotły o mocy nominalnej Ń,5 MW PN-EN 303-5:2012 żraniczne wartości emisji PALIWO Nominalna moc cieplna w kw Załadunek ręczny Biopaliwo Paliwo kopalne Paliwo kopalne 3 CO OGC pył Klasa Klasa Klasa 4 5 3 4 5 3 50 5000 150 150 > 50 do 150 2500 100 150 >150 do 500 1200 5Ń 5000 > 50 do 150 2500 100 125 >150 do 500 1200 100 125 Załadunek automatyczny Biopaliwo mg/m3 przy 10 % O2*1 3 1200 4 700 5 100 150 3 50 4 30 5 150 125 3 50 3000 100 150 > 50 do 150 2500 80 150 >150 do 500 1200 5Ń 3000 100 125 > 50 do 150 2500 80 125 >150 do 500 1200 80 125 1000 *1 odniesiona do spalin suchych, 0 C, 1013 mbar 500 80 30 20 150 4 5 75 60 4 5 60 40
Wymagania techniczne Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE z dnia 21 października 2009 r. w odniesieniu do kotłów na paliwa stałe o mocy 500kW, przegłosowane na posiedzeniu Komitetu Regulacyjnego w dniu 13 października 2014r. Rok obowiązywania od 2020(1) Rodzaj stałego paliwa Sezonowa efekt. energ. ηson % Biopaliwa Kopalne Sezonowa emisja zanieczyszczeń(4) Pył (PM) OGC CO NOx mg/m3 mg/m3 Automatyczne zasilanie paliwem 75(2); 77(3) 75(2); 77(3) 40 40 20 20 mg/m3 mg/m3 500 500 200 350 700 700 200 350 Ręcznie zasilane paliwem Biopaliwa Kopalne 75(2); 77(3) 75(2); 77(3) 60 60 30 30 Państwa Członkowskie UE mogą wdrożyć do prawa narodowego wcześniej, przed rokiem 2020; (2)dla kotłów o mocy 20kW oznaczany tylko dla mocy nominalnej; (3)dla kotłów o mocy 20kW, (4) odniesiona do spalin suchych, 0 C, 1013 mbar, o zawartości 10%O2. (1) Sezonowa efektywność energetyczna, %, ηson = 0,85 ηp + 0,15 ηn Sezonowa wartość emisji, Es = 0,85 Es,p + 0,15 Es,n 22
Parametry jako ciowe paliw w glowych dla kotłów z automatycznym załadunkiem paliwa do komory spalania Symbol Jednostka Wartość opałowa, Qri MJ/kg Zakres parametrów paliw wysokiej jakości dostępnych na rynku 24 29 Zawartość wilgoci, % Wrt % 6 15 10 Zawartość popiołu, Ar % 3 10 8 Zawartość części lotnych Vdaf % > 28 > 28 Zawartość siarki Sat % < 1,0 0,6 Zawartość chloru Cla % < 0,3 0,15 Zawartość rtęci Hg ppm < 0,05 0,02 Zdolność spiekania RI n.d. < 20 < 10 Temperatura spiekania popiołua) ts C > 900 > 1100 Temperatura mięknienia popiołua) ta C 1200 > 1250 Uziarnienie n.d. mm 4 252, 4) 5 253) Udział podziarna n.d. % 5 3 Parametr Klasa A/A1 26-271) warto ć opałowa w stanie suchym powyżej 28 MJ/kg (zgodnie z norma PN EN 303-5:2012; 2) dla kotłów retortowych o mocy powyżej 100 kw 5 31 mm, 3) dla kotłów retortowych o mocy powyżej 100 kw 8 31 mm, 4) dla kotłów podsuwowych 1 31 mm; a) parametr mierzony w warunkach redukcyjnych. 1) Pismo PIE do Dyrektora Departamentu Energetyki Ministerstwa Gospodarki z dnia 3 stycznia 2014 roku w/s uwag i propozycji zapisu do protokołu ze spotkania w Ministerstwie Gospodarki w dniu 18 grudnia 2013r., http://www.pie.pl/materialy/_upload/pismo_pie_min.pdf 23
Stopień redukcji emisji, %, wybranych zanieczyszczeń TSP, NMVOCs, B(a)P oraz PCDD/Fs po wymianie wszystkich urządzeń grzewczych opalanych paliwami stałymi na kotły typu BAT spełniające wymagania Dyrektywy Ekoprojekt, w odniesieniu do ilo ci zużytych paliw stałych w indywidualnych gospodarstwach domowych w roku 2012. WarunekŚ odpowiednia jako ć paliwa 100 92.2 94.1 88.2 90 80 70 60 48.5 50 40 29.4 30 20 10 0 CO2 TSP NMVOCs BaP PCDD/Fs K.Kubica, R.Kubicaś Ocena możliwo ci ograniczenia emisji pyłu oraz związanych z nim zanieczyszczeń ze spalania paliw stałych w instalacjach o mocy poniżej 50MWś Ekspertyza 3 Instytut Ochrony rodowiska PIB, Warszawa, listopad 2014 24
Wprowadzenie standardów klasy 3 i 4 PN EN 303-5Ś2012 pozwoli na znacząca redukcj TSP i OGC, odpowiednioś około 80% i 70% i o około 87% i 90%. Redukcja OGC b dzie si wiązać ze zmniejszeniem emisji OC, BC oraz WWA, w tym B(a)P. 100 90 90,5 TSP NMVOC/OGC 80,5 80 Stopień redukcji, % 87,8 70,5 70 60 50 40 30 20 10 0 TSP NMVOC/OGC Klasa 3 Klasa 4 K.Kubica, R.Kubicaś Ocena możliwo ci ograniczenia emisji pyłu oraz związanych z nim zanieczyszczeń ze spalania paliw stałych w instalacjach o mocy poniżej 50MWś Ekspertyza 3 Instytut Ochrony rodowiska PIB, Warszawa, listopad 2014 25
źmisja zanieczyszcze ze spalania węgla w kotłach automatycznie zasilanych paliwem, z uwzględnieniem żwź dla klas urządze wg PN źn3ń3-5:2012; stan odniesienia 10% O2, moc nominalna Source: K. Kubica i inni. SCIs Mozliwo ci wykorzystania SCIs w PR Propozycja standaryzacji SCIs..w Polsce. Katowice dla DOP Min. rodowiska. Polska Izba Ekologii. 25 July 2013, www.pie.pl
Sprzedaż kotłów opalanych paliwami stałymi w latach 2ŃŃń-2012 oraz prognoza na lata 2013-2017; Udział różnych kotłów opalanych paliwami stałymi w sprzedaży w 2Ńń2 roku, na celeś a) z podziałem wg przeznaczenia; b)wymiany starych instalacji spalania; c) instalacji grzewczej w nowym budynku Solid Żuel Boilers, Poland BRż Building Solutions, maj 2013 27
Podsumowanie CelŚ poprawa jakości powietrza Na rynku dostępne urządzenia grzewcze spełniające wymagania techniki BAT spalania paliw stałych węgla, biomasy w instalacjach małej Źostępne paliwa stałe kwalifikowane sortymenty węgla, stałe biopaliwa sprostają Źostępne systemy oczyszczania spalin Bariery i wyzwania: uregulowania legislacyjne jakość instalacji spalania (standardy emisji) i kontrola stanu instalacji (np. służby kominiarskie); racjonalny czas implementacji Certyfikacja paliw stałych dla indywidualnego ogrzewnictwa i kontrola ich jakości Schematy wsparcia finansowego dla sektora indywidualnego ogrzewnictwa
Działania na rzecz poprawy jakości powietrza Przewaga metod pierwotnych ekonomia Metody wtórne - zabudowa w istniejących instalacjach (retrofitting) Konieczno ć stosowania regulacji prawnych racjonalny czas implementacji (brak natychmiastowego efektu) Schematy wsparcia finansowego Udział w rynku, % Podsumowanie Stan aktualny Wyłącznie normy Wyłącznie ekoznakowanie Zmiana struktury rynku Wpływ prawodawstwa Źopłaty Normy minimalnej efektywno ci energetycznej Schematy ekoznakowania B+R, promocja BAT, edukacja i szkolenie Sprawno ć energetyczna urządzeń Źródłoś EU-UltraLowDust 2nd Workshop of the Mirror Group, 3rd December 2013, Brussels, Belgium
Poprawa jako ci powietrza jest konieczno cią i niezb dnym działaniem na obszarze całego kraju. Ponieważ zasoby na Ziemi są ograniczone, to ekspansji ludzkiej towarzyszy rosnący napór na ekosystemy lądowe, słodkowodne i morskie. W wyniku tego naporu dochodzi do degradacji, kurczenia się i niszczenia środowiska życia coraz większej liczby gatunków zwierząt i roślin. Konieczne zintegrowane współdziałanie ze zwróceniem szczególnej uwagi na kapitał społeczny, na relacje mi dzyludzkie oparte na uczciwo ci, zaufaniu, współpracy Tymczasem my żyjemy w kraju, w którym współpraca to pusty slogan, ci, którzy mają prac i wpływy wciąż oddzielają si murem od biedniejszych sąsiadów. Wielu przedsi biorców robi to bezwiednie, nie rozumiejąc, że, choćby z racji, iż mogą wi cej, powinni wziąć odpowiedzialno ć za los społeczno ci, w której żyją. Prof. Augustyn Bańka, psycholog ze Szkoły Wyższej Psychologii Społecznej, Newsweek 24 luty 2015
STRENGTHENING THE AIR QUALITY MANAGEMENT SYSTEM IN POLAND, IN PARTICULAR ON VOIVODSHIP S SILESIA Wspomaganie Zarządzania Jako cią Powietrza w Polsce, w Szczególno ci w Województwie ląskim IP LIFE BETTER AIR IN POLAND Okres realizacji:2016-2022 Stan aktualny: Concept Note zaakceptowany w KE Trwa przygotowanie kompletnego wniosku Beneficjent główny (poziom krajowy)ś Ministerstwo rodowiska Współ-beneficjenci: Politechnika Warszawska, EKOMETRIA, PIE Katowice Partnerzy współ-beneficjenci z woj. ląskiegoś Urząd Marszałkowski Woj. ląskiego Konsorcjum naukowo-techniczneś Politechnika ląska, IETU, IPI PAN, IMGW Oddział w Katowicach
DZI KUJ ZA UWAG k.kubica@pie.pl 32