Dr inŝ. Andrzej Wiszniewski Potencjał i perspektywy energetycznego wykorzystania biomasy. Globalny potencjał biomasy Globalny potencjał biomasy jest ściśle związany z powierzchnią gruntów, jaką moŝna przypisać poszczególnym jej rodzajom. W pracy [1] określono potencjał biomasy uzyskiwanej z róŝnych kategorii gruntów do roku 2040/50. Ze względu na fakt, Ŝe róŝne kategorie gruntów dla produkcji róŝnych rodzajów biomasy są dla siebie konkurencyjne, moŝliwe jest jedynie określenie zakresów potencjału energetycznego biomasy w poszczególnych jej rodzajach. Podział biomasy na 7 typów oraz ich przepływy przedstawiono na rysunku 1. Powierzchnia Przeznaczenie gruntów / produkcja pierwotna Zbiory Przeznaczenie Końcowe wykorzystanie 1,5 Gha Grunty orne ( Ŝ ywno ść, pasze) Zbiory Ŝ ywno ść / paszy 3 Ŝ ywno ś ci 3 Konsumpcja Ŝ ywno ś ci 3,5 Gha Pastwiska zwierz ę ca 5 6 4,0 Gha Gospodarka le ś na/produkcja w ł ó kien Dodatkowe grunty pod biomateria Bio-surowce ł y 7 Wycinka las ó w 4 Odpady pierwotne materia ł ó w 4 Odpady wtórne Konsumpcja materia ł ó w 6 Odpady końcowe Grunty pod ro ś liny energetyczne 1 Zbiory ro ś lin energetycznych energii Konsumpcja energii 4,2 Gha Inne grunty 2 Straty Rys. 1 Schemat przepływu róŝnych typów biomasy [1]. Czarne strzałki wskazują podstawowe przeznaczenie gruntów i główny przepływ uzyskanych z nich produktów, natomiast linie przerywane obrazują potencjalne, nie energetyczne, wykorzystanie róŝnych kategorii odpadów produkcyjnych. Szare strzałki reprezentują potencjalne energetyczne wykorzystanie odpadów produkcyjnych. Obszar zielony to róŝne metody uŝytkowania gruntów. (1 = uprawy energetyczne, 2 = uprawy energetyczne na zdegradowanych terenach, 3 = odpady z rolnictwa, 4 = odpady z gospodarki leśnej, 5 = odpady hodowli zwierzęcej, 6 = odpady organiczne, 7 = bio-surowce).
RóŜne rodzaje zasobów biomasy są ze sobą wzajemnie powiązane i wzajemnie na siebie oddziaływają. Z tego powodu nie moŝna ocenić potencjału energetycznego kaŝdego zasobu niezaleŝnie od innych. Dlatego za rzeczywisty moŝliwy wkład, obejmujący wszystkie rodzaje zasobów biomasy, nie moŝe być przyjęta średnia zakresów podanych w tabeli 1. Tab. 1. Wkład poszczególnych zasobów biomasy w globalny potencjał energii [1] Rodzaj Potencjalne zasoby bioenergii w długim okresie czasu (EJ) 1. Biomasa uprawiana na nieuŝytkach rolnych 0-988 2. Biomasa uprawiana na gruntach zdegradowanych 8-110 3. Odpady z rolnictwa 10-27 4. Odpady z gospodarki leśnej 10-16 5. Odpady a hodowli zwierzęcej 9-25 6. Odpady organiczne 1-3 (+31 a ) 7. Bio-surowce Minus 79-115 Suma 100-1130 organiczne odpady z bio-surowce W najbardziej pesymistyczny scenariusz zakłada, Ŝe przy wzroście potrzeb Ŝywnościowych, pod uprawy energetyczne będą dostępne będą tylko grunty zdegradowane. JednakŜe to teŝ nie jest pewne, gdyŝ uprawy energetyczne na terenach zdegradowanych będą musiały konkurować z uprawami do produkcji bio-surowców. Skutkiem konkurencji moŝe być brak gruntów pod rośliny energetyczne. JednakŜe dzięki duŝej produkcji Ŝywności i rozwojowi gospodarki leśnej będą do dyspozycji znaczne ilości odpadów. Najbardziej optymistyczny scenariusz powstała przy załoŝeniu, Ŝe: znaczne tereny zostaną przeznaczone pod uprawy energetyczne, plony z upraw energetycznych i rolnych będą wysokie, nie będzie potrzeby przeznaczenia dodatkowych gruntów pod uprawy do produkcji bio-surowców. Globalne zuŝycie energii w 1993 roku wynosiło ok.400 EJ/rok zaś prognozy na rok 2020 wynoszą 550 do 900 EJ/rok. MoŜliwy zakres przeszłego wykorzystania biomasy do celów energetycznych jest bardzo szeroki. Wartość maksymalna moŝe być bardzo wysoka i wynosić 1130 EJ w 2050 roku. Wartość minimalna została oszacowana na poziomie 85 EJ. Wartość maksimum jest głównie wynikiem załoŝenia duŝej liczby upraw energetycznych na nieuŝytkach rolnych (0-988 EJ) lub gruntach zdegradowanych (8-110 EJ). Na wartość maksimum i minimum mają kluczowy wpływ następujące czynniki : Dostępności gruntów pod uprawy energetyczne zaleŝnej od: Sposobu odŝywiania się populacji Systemu produkcji Ŝywności Wzrostu populacji Innych, rywalizujących z przeznaczeniem pod uprawy energetyczne opcji uŝytkowania gruntów Alternatywnych opcji uŝytkowania zdegradowanych gruntów tj. przeznaczenie na tereny zielone, sekwestracji węgla lub produkcji materiałów. WaŜnym aspektem jest równieŝ poziom wydajności upraw leśnych i energetycznych. Mają na niego wpływ w szczególności czynniki fizyczne, (jak jakość gleby, klimat, dostępność wody i
forma uŝytkowania ziemi) i uwarunkowania ekonomiczno-społeczne (jak koszty siły roboczej i cena ziemi). Wymienione czynniki wskazują, Ŝe aby dostarczyć maksymalną ilość biomasy, potrzebne są znaczące zmiany. Zwłaszcza w sposobie produkcji produktów mięsnych i roślinnych w regionach rozwiniętych. Wielkoskalowa produkcja biomasy przy jednocześnie dostatnim sposobie odŝywiania populacji moŝe być osiągnięta tylko, jeśli zwiększyłaby się wydajność produkcji rolnej z hektara. Stąd polityka zrównowaŝonego rozwoju mogłaby z jednej strony spotykać się z polityką rozwoju ekonomicznego w kwestii poprawy efektywności produkcji Ŝywności. Z drugiej strony ich ścieŝki mogą się rozejść, jeśli ekstensywna produkcja Ŝywności i biomasy dla celów energetycznych osiągnie duŝą skalę. Stan obecny energetycznego wykorzystania biomasy w Europie. Europejski system zaopatrzenia w energię w znacznym stopniu odbiega od standardów akceptowalnych ze względu na ochronę środowiska. Obecne zapotrzebowanie na energię w Unii Europejskiej jest pokrywane w 80% z paliw kopalnych, w tym ponad 40% stanowi ropa naftowa. Odnawialne źródła energii stanowią około 6% ogólnego zuŝycia, zaś strategicznym celem na rok 2010 jest osiągniecie poziomu 12%. Strukturę bieŝącego zuŝycia energii pochodzącej z OZE przedstawia rys. 2. Rys. 2 Struktura zuŝycia energii z OZE w UE w roku 1998. Obecne wykorzystanie energetyczne biomasy w 20 najwyŝej rozwiniętych krajach Europy wynosi ok.1800 PJ/a co stanowi ok. 40% zidentyfikowanych zasobów [3]. Rynek stałych bio-paliw w Europie koncentruje się głównie w Skandynawii, Niemczech i południowych krajach UE. Istotny wzrost zanotowano równieŝ w krajach kandydujących. W tabeli 2 przedstawiono minimalne, maksymalne oraz średnie ceny bio-paliw stałych w 1999 roku w 18 krajach europejskich.
Tabela 2 Typ paliwa Min, /GJ Max, /GJ Średnia, /GJ Odpady leśne 1,02 Niemcy 8,33 Włochy 3,42 Odpady przemysłowe 0,58 Rumunia 9,07 Polska 2,38 Drewno opałowe 1,01 Słowacja 14,00 Wlk. Brytania 5,26 Odpady drewniane - 4,00 Irlandia 3,31 Polska 0,97 Paliwa powstałe z rafinacji drewna 3,24 Łotwa 18,22 Niemcy 8,37 Inne zasoby biomasy 0,83 Słowacja 12,00 Polska 4,68 Torf 2,10 Finlandia Łotwa 3,75 Irlandia 2,83 CięŜki olej opałowy 1,40 Słowacja 12,00 Irlandia 4,26 Lekki olej opałowy 3,10 Słowacja 14,30 Dania 6,74 Gaz ziemny 1,10 Słowacja 16,21 Włochy 5,80 Węgiel 1,19 Polska 12,78 Niemcy 4,53 Szczególnie dobrze rozwinięty jest rynek paliw stałych pochodzenia drzewnego dla potrzeb małych kotłowni (1 5 MW). Średnie ceny tych paliw w wybranych krajach europejskich podano w tabeli 3. Tabela 3. Ceny paliw pochodzenia drzewnego w /GJ bez VAT. Kraj Zrębki drewniane Kora, trociny, ścinki Pelety drzewne Dania 4,5 4,2 5,0 Finlandia 3,0 1,6 7,5 Niemcy 3,7 3,1 6,1 Szwecja 3,4 2,9 4,8 Francja 4,0 1,1 10,6 Łotwa 1,6 0,8 3,3 Perspektywy energetycznego wykorzystania biomasy. Głównymi czynnikami napędowymi dla rozwoju energetycznego wykorzystania biomasy są: konieczność zapobiegania zmianom klimatu oraz wzrastająca zaleŝność krajów UE oraz krajów kandydujących od importu surowców energetycznych, głównie ropy naftowej. Szczególnie istotnym zadaniem jest zapewnienie jak największego stopnia samowystarczalności energetycznej Europy. W 1985 roku import surowców energetycznych wynosił 40% potrzeb obecnie wzrósł do 50% zaś przewiduje się dalszy 20% wzrost w ciągu najbliŝszych lat [2]. Podstawowym narzędziem odwrócenia tej tendencji jest wzrost efektywności energetycznej. Nowoczesne technologie pozwalają na ograniczenie zuŝycia energii o 20 do 50% co z kolei jest warunkiem wdraŝania na szeroką skalę odnawialnych źródeł energii. Kombinacja tych
dwóch czynników pozwala na utrzymanie a nawet spadek kosztów uŝytkowania energii. Mniejsze zuŝycie kompensuje większe koszty jednostkowe energii odnawialnej. Ilustrację tej idei przedstawia rys.3. Podstawowym pytaniem jest, które rodzaje biomasy będą miały dominującą pozycje na rynku i jaki będzie kierunek rozwoju podstawowych technologii energetycznego wykorzystania biomasy: Fermentacji beztlenowej oraz spalania odpadów; Bezpośredniego spalania bio-paliw; Gazyfikacji i pirolizy; Współspalania. Ocenę pozycji rynkowej oraz niezawodności technologii konwersji dla poszczególnych rodzajów biopaliw przedstawiono poniŝej, na rys. 4.
Wydaje się, Ŝe technologie gazyfikacji oraz pirolizy biomasy mają największą przyszłość ze względu na najwyŝszą sprawność procesów konwersji oraz jakość uzyskiwanej energii końcowej. Ocenę jakościową potencjału rynkowego oraz stopnia rozwoju technologii wykorzystania poszczególnych rodzajów paliw uzyskiwanych w procesie gazyfikacji i pirolizy przedstawiono na rys. 5 Obecny status i perspektywy rynkowe zaawansowanych technologii energetycznego wykorzystania biomasy przedstawiono w diagramie ( road map) na rysunku 6. Egzystująca Technologia Penetracja rynku Współspalanie - gazyfikacja Czyste odpady + biomasa Kogeneracja Pelety do ogrzewania Rozwój rynku Elektrociepłownie w cyklu kombinowanym na biogaz Bioolej dla kogeneracji Biopaliwa dla transportu Literatura: Nowa Technologia Rozwój produktu IGCC biomasa 30 75 MWe Gazyfikacja 1 5 MWe Etanol z lignocelulozy Metanol, biodiesel, DME Urozmaicenie Biowodór Biochemikalia Regeneracja monomerów Wychwytywanie CO2 Istniejące rynki Nowe rynki 1. Monique Hoogwijka, André Faaija, Richard van den Broekb, Göran Berndes, THE GLOBAL POTENTIAL OF BIOMASS ENERGY, 12th European Conference on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, 17-21 June 2002, Amsterdam, The Netherlands. 2. K. MANIATIS, A. KOTRONARO; THE BIOENERGY POLICY OF THE EUROPEAN COMMISSION; 12th European Conference on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, 17-21 June 2002, Amsterdam, The Netherlands. 3. Alakangas, E., Hillring, B., Nikolaisen, L.S; TRADE OF SOLID BIOFUELS, AND FUEL PRICES IN EUROPE; 12th European Conference on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, 17-21 June 2002, Amsterdam, The Netherlands. 4. WEC Commission; Energy for Tomorrow s World, Kogan Page, St. Martin s Press Inc. NY 1993.