Instalacje do współspalania - w trakcie testowania Węgiel z biomasą Anna Biedrzycka Udział zielonej energii w rynku energii elektrycznej wzrasta w całej Unii Europejskiej, by w 2020 r. osiągnąć 20 proc. Polska może osiągnąć ten poziom dopuszczając współspalanie z paliwami stałymi. Od 1 lipca 2004 r. do energii ze źródeł odnawialnych można zaliczyć część energii elektrycznej wytwarzanej w jednostkach wytwórczych spalających biomasę lub biogaz razem z paliwem podstawowym. Biomasa, trzecie co do wielkości na świecie naturalne źródło energii, stanowi znaczący energetycznie substytut paliw kopalnych, zwłaszcza węgla, których zasoby są na wyczerpaniu i wymagają ochrony (w uproszczeniu 2 t biomasy są równoważne 1 t węgla kamiennego). Ponadto środowisko przyrodnicze ma ograniczoną zdolność przyjmowania zanieczyszczeń powstających w wyniku spalania paliw kopalnych, co skutkuje niebezpiecznymi zmianami w funkcjonowaniu globalnego ekosystemu. Współspalanie biomasy z węglem wydatnie wpływa na redukcję emisji CO 2, SO 2, NO x oraz zanieczyszczeń organicznych, a jednocześnie przyczynia się do zwiększenia sprawności energetycznej przetwarzania energii chemicznej węgla, szczególnie węgli trudno spalających się. Dodatkową korzyścią ze stosowania metody współspalania jest fakt zagospodarowania odpadów, w tym co pokazuje przykład Południowego Koncernu Energetycznego SA nawet tak niebezpiecznych i trudnych do utylizacji, jak mączka mięsno-kostna. Na początku drogi Kwestie wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych reguluje przede wszystkim Prawo energetyczne oraz rozporządzenie ministra gospodarki, pracy i polityki społecznej z 30 maja 2003 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązku zakupu energii elektrycznej i ciepła z odnawialnych źródeł energii oraz energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła. Ustawa z 2 kwietnia 2004 r. o zmianie ustawy Prawo energetyczne oraz ustawy Prawo ochrony środowiska stanowi pierwszy krok w kierunku zmian w przepisach dotyczących energetyki odnawialnej. Zapisy dostosowują polskie prawo do wymagań dyrektywy z 27 września 2001 r. Parlamentu Europejskiego i Rady nr 2001/77/WE o wspieraniu produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych na rynku wewnętrznym oraz częściowo do wymagań dyrektywy nr 2003/54/WE w sprawie wspólnych zasad dla wewnętrznego rynku energii elektrycznej. Niedawno ukazały się akty prawne dotyczące dopuszczalnej pomocy publicznej, w tym m.in. rozporządzenie Rady Ministrów z 27 kwietnia 2004 r. w sprawie szczegółowych warunków udzielania pomocy publicznej na inwestycje związane z odnawialnymi źródłami energii. Wskazano w nim rodzaje inwestycji, które będą mogły liczyć na finansowe wsparcie. Są to m.in. inwestycje polegające na budowie lub modernizacji instalacji wytwarzania energii elektrycznej i ciepła z wykorzystaniem biomasy lub związane ze współspalaniem. Regulacje prawne odnoszące się do energetyki odnawialnej, w tym produkcji energii z udziałem biomasy, wymagają dalszych prac. Wskazuje się bowiem na istotne luki w istniejących przepisach, które łatwo mogą stać się przedmiotem nadużyć. Najważniejszą kwestią wymagającą precyzyjnego unormowania jest zapewnienie ścisłego pomiaru udziału energii ze spalania biomasy lub biogazu w energii pierwotnej danego źródła. Jest to skomplikowane nie tylko ze względu na trudności z pomiarem ilościowym, lecz również ze względu na określenie wartości opałowej nośników ekologicznych. Nie zmienia tego również zapis 4 ust. 3 rozporządzenia z 30 maja 2003 r. mówiący o tym, że obliczenia i rozliczenia
ilości energii wytwarzanej z biomasy lub biogazu dokonuje się na podstawie wskazań urządzeń pomiarowych w rozumieniu przepisów o miarach i wagach. By przeciwdziałać możliwym nieprawidłowościom, takim jak np. handel fakturami na biomasę, Towarzystwo Gospodarcze Polskie Elektrownie opracowuje projekt nowego rozporządzenia oraz załącznika technicznego szczegółowo precyzującego sposób rozliczania energii odnawialnej. W ten sposób Towarzystwo wychodzi naprzeciw oczekiwaniom elektrowni i elektrociepłowni, które chcą produkować energię odnawialną metodą współspalania. Zamiast nowych inwestycji Jednym z wytwórców, który przygotowuje się do współspalania biomasy w swoich jednostkach wytwórczych jest Południowy Koncern Energetyczny SA, którego wszystkie elektrownie pracują w oparciu o węgiel kamienny (roczne zużycie to ok. 10 do 11 mln t. Jeszcze przed wejściem w życie rozporządzenia z maja 2003 r. koncern starał się o zaliczenie energii ze współspalania do energii odnawialnej, ale Urząd Regulacji Energetyki nie wyraził na to zgody. Kolejne próby podjęto dopiero po ukazaniu się rozporządzenia. Z analiz spółki wynika, że budowa bloku energetycznego oparta tylko na biomasie jest nieopłacalna. Już w 2001 r. planowano bowiem, by w Elektrowni Blachownia wybudować blok oparty na biomasie. Kreśląc promień 50-70 km wokół elektrowni w sposób jednoznaczny określono, jaką ilość biomasy można będzie pozyskać. W świetle tego bilansu okazało się, iż może być postawiony kocioł o mocy zaledwie 20-23 MW. Od planów budowy ostatecznie odstąpiono, ponieważ koszty zbudowania kotła energetycznego oraz dodatkowych urządzeń wyniosłyby ponad 20 mln euro, a nakłady inwestycyjne na pewno nie zwróciłyby się w zakładanym czasie. Postanowiono skoncentrować się na współspalaniu, jako najtańszej w warunkach funkcjonowania koncernu metodzie produkcji energii odnawialnej. Sprzyja temu posiadany przez PKE potencjał techniczny w postaci w postaci bloków energetycznych z kotłami fluidalnymi (sześć kotłów). Ich przystosowanie do współspalania biomasy (do 10 proc. udziału energii chemicznej doprowadzonej do kotła) z węglem ogranicza się głównie do dobudowania linii przygotowania i podawania paliwa do kotła i nie wymaga tak wysokich nakładów inwestycyjnych, jak budowa nowych kotłów na biomasę czy też innych źródeł energii odnawialnej. Przy założeniu, że biomasa stanowi 10 proc. wartości energetycznej strumienia energii doprowadzonego do kotła, moce zainstalowane w poszczególnych obiektach wynoszą od 5,5 MW w Elektrociepłowni Bielsko-Biała do 15 MW w Elektrowni Siersza. Wykorzystując wyłącznie istniejące kotły fluidalne PKE SA może dość szybko osiągnąć moc zainstalowaną rzędu 64 MW mocy odnawialnej, co oznacza, że mógłby produkować ok. 350 GWh energii odnawialnej rocznie. W stosunku do całej produkcji koncernu stanowi to ok. 1,7 proc. Zapotrzebowanie na biomasę dla tej wielkości produkcji oszacowano na 240 tys. t, przy wartości opałowej zrębków drzewnych 15 GJ/t. Biomasa jest paliwem o małym zagęszczeniu i dużym uwodnieniu. Wartość opałowa surowych zrębków wynosi 6-8 GJ/t, a zatem jest to paliwo niskokaloryczne. Jednak biomasa stosunkowo sucha (wstępnie przesuszana na wolnym powietrzu), a właśnie taką chce wykorzystywać PKE SA, ma wyższą wartość opałową, rzędu 15 GJ/t. Zrębki, mączka, mieszanki Próby współspalania z paliwem podstawowym (miał i muł węglowy) zrębek drzewnych przeprowadzono w Elektrociepłowni Katowice, w kotle fluidalnym ze złożem cyrkulacyjnym o mocy cieplnej 352 MW t i wydajności 483 t pary/h oraz standardowych parametrach temperatury pary wylotowej rzędu 540 st. C. Próby zostały przeprowadzone z
wykorzystaniem typowych zrębek o wartości opałowej 8097-9759 kj/kg oraz stosunkowo dużej wilgotności (40-60 proc.) Zielony surowiec pozyskano z drzew iglastych i liściastych o granulacji powyżej 120 mm. Była to zatem masa słabo rozdrobniona. Wnioski z tych prób były następujące: podanie mieszaniny biomasy z węglem ciągami nawęglania, przez kruszarkę do zasobnika, odbyło się bez problemów; mieszanina trafiająca do zasobnika była jednorodna; spalanie odbywało się stabilnie; mierzone i rejestrowane przez system pomiarowy EC Katowice poziomy emisji pyłu oraz gazowych składników spalin, tj. SO 2, NO x i CO w trakcie przeprowadzania prób nie odbiegały od wartości uzyskiwanych podczas normalnej eksploatacji kotła (spalanie mułu i miału węglowego); na podstawie prowadzonych pomiarów własności fizykochemicznych popiołów dennego i lotnego nie stwierdzono różnic w stosunku do popiołów powstających podczas normalnej eksploatacji kotła. Zaobserwowano jednak występowanie pewnych ograniczeń w ilości biomasy, którą można spalać bezinwestycyjnie, to znaczy bez modyfikacji ciągów podawania paliwa. Przy dużej ilości biomasy (ok. 10 proc. wartości energetycznej strumienia paliwa) w zasobnikach tworzą się nawisy, występują przedmuchy powietrza i dochodzi do zaników w podawaniu paliwa do kotła. Dlatego próby ze spalaniem mieszanki biomasy z węglem zostały zakończone przy energetycznym udziale biomasy wynoszącym 5,13 proc. całkowitej energii chemicznej paliwa przy stabilnym procesie podawania do kotła i spalania. Dla takiego udziału biomasy w paliwie praca układów odbywała się bez zastrzeżeń. Próby współspalania z paliwem podstawowym zrębek drzewnych przeprowadzono również w Elektrowni Siersza, w kotle cyrkulacyjnym ze złożem fluidalnym o mocy 336MW t. Użyto dwóch ładowarek, osobnej dla miał węglowego i osobnej dla zrębek. Przegląd kotła po wykonanych próbach nie wykazał negatywnych zmian wpływających na ewentualne pogorszenie parametrów uzyskiwanych przez kocioł. Sprawdzono czystość powierzchni ogrzewalnych i stan podajników węgla. W kotle OFz-425 można spalać do 10 proc. biomasy pod warunkiem zbudowania lub zmodyfikowania linii podawania biomasy. Nie można podawać samych zrębek do zasobnika przykotłowego ze względu na możliwość zawieszania się w zasobniku, a także występujące przedmuchy z układu podajników węgla. W Elektrowni Jaworzno III/II przeprowadzono próby współspalania z paliwem podstawowym mączki kostno-zwierzęcej, zaliczanej do biomasy jako odpad pochodzenia zwierzęcego. Próby przeprowadzano w kotle cyrkulacyjnym ze złożem fluidalnym o mocy cieplnej 180 MW t i produkcji pary wodnej w ilości 260 t/h. W Polsce obowiązuje zakaz karmienia tą paszą zwierząt hodowlanych ze względu na zagrożenie chorobą wściekłych krów. Dlatego poszukuje się ekologicznego sposobu utylizacji tego odpadu, pozwalającego zarazem na pozyskanie źródła paliwa odnawialnego. Mączka jest dobrym paliwem alternatywnym, o wartości opałowej 17,5-20 MJ/kg, przy czym charakteryzuje się lekko podwyższoną zawartością chloru i stosunkowo wysoką zawartością fosforu. W celu przeprowadzenia prób została wykonana instalacja pilotażowa do rozładunku, tymczasowego magazynowania i podawania mączki do kotła. Duże znaczenie miała konieczność zastosowania szczególnych środków ostrożności, wymaganych przepisami sanitarno-weterynaryjnymi, m.in. pracownicy byli ubrani w wodoszczelne kombinezony, a cały układ rozładunku mączki był otoczony zasłonami foliowymi, aby uniknąć rozprzestrzeniania się mączki w przypadku awarii układu rozładowczego. Wystąpiło kilka problemów, m.in. z rozładunkiem pneumatycznym (skutek dużej zawartości tłuszczu w mączce), ale udało się je szybko opanować i próby zakończyły się powodzeniem.
Z energetycznego punktu widzenia, tzn. pod względem wartości opałowej, mączka mięsnokostna okazała się atrakcyjnym paliwem alternatywnym i może być współspalana z węglem w kotłach fluidalnych. Wyniki analiz chemicznych popiołów lotnego i dennego nie różnią się przy porównaniu ich dla samego węgla i przy współspalaniu mączki. Również wyniki pomiarów stężenia emisji pyłowej i gazowej nie wykazują istotnych różnic pomiędzy spalaniem samego węgla i współspalaniem mączki mięsno-kostnej. Z uwagi na intensywny nieprzyjemny zapach, zbiornik magazynowy i instalacja transportowa muszą zapewnić odpowiednią szczelność. Korzyści ekonomiczne? Wykorzystując wyniki przeprowadzonych prób współspalania, a także biorąc pod uwagę istniejące zasoby, koncern opracowuje obecnie wariantowe koncepcje instalacji podawania biomasy do kotłów, aby móc wybrać najkorzystniejsze ekonomicznie i technologicznie rozwiązanie, które zostanie przyjęte do realizacji. Równocześnie prowadzone są prace studialne w zakresie możliwości pozyskania biomasy i paliw alternatywnych po uzasadnionych ekonomicznie cenach i loco elektrownia. Cena energii odnawialnej produkowanej z procesu współspalania musi być możliwa do zaakceptowania przez odbiorców energii. Rynek biomasy trzeba jednak dopiero rozpoznać i stworzyć mechanizmy, które spowodują podaż wymaganej ilości i jakości zielonego dodatku. Opracowywana jest logistyka dostaw biomasy i jej przygotowania dla potrzeb PKE w każdym z wariantów. Większość potencjału technicznego PKE stanowią kotły pyłowe. Najprostszym sposobem ich wykorzystania do produkcji energii odnawialnej jest spalanie gotowych mieszanek biomasy z węglem, aczkolwiek może to dotyczyć tylko niewielkiej ilości biomasy wprowadzonej do kotła. Rozważa się możliwość rozbudowy tych instalacji o np. przedpaleniska fluidalne, a także zgazowania biomasy i następnie wprowadzania gazów ze zgazowania do istniejącego kotła czy też spalania biomasy na dodatkowym ruszcie dobudowanym do kotła pierwotnego. Jedną z głównych przesłanek, którymi kierować się będzie PKE SA podejmując decyzję o rozpoczęciu współspalania biomasy z węglem, jest opłacalność produkcji energii z odnawialnych źródeł. Od 1 lipca br. za zieloną energię energetycy mają uzyskiwać kwoty o 100 zł wyższe od ceny energii produkowanej z węgla. Przyjmując, że rynkowa cena 1 MWh energii elektrycznej wynosi 110-125 zł, to za 1 MWh energii odnawialnej będzie można uzyskać średnio ok. 220 zł. Obecnie opłacalność produkcji zależy więc od tego, za jaką kwotę PKE pozyska biomasę. Koncern stoi na stanowisku, że cena tego surowca powinna kształtować się zdecydowanie poniżej 100 zł/t. Jednak w opinii rolników to za mało. W tej sytuacji niezbędna wydaje się pomoc państwa i zarządzanie procesem rozwoju tego obszaru rolnictwa. Poddanie go jedynie prawom wolnego rynku nie wpłynie na zwiększenie podaży biomasy, zwłaszcza że należy zwiększyć areał upraw o wierzbę krzewiastą, a nie tylko polegać na zrębkach. Obecnie cena biomasy jest 1,5 do 2,5 razy wyższa za 1 GJ niż w przypadku węgla, nie mówiąc o mułach węglowych. Drugą przesłanką jest możliwość zapewnienia sobie stabilnych i w odpowiedniej ilości dostaw biomasy. PKE SA jest przygotowany do spalania stosunkowo dużych ilości biomasy bez konieczności przeprowadzenia procesów inwestycyjnych, problemem jest jednak pozyskanie biomasy. Zorganizowany przez koncern ogólnopolski przetarg ma dać odpowiedź na pytanie, jakie są rzeczywiste możliwości zaopatrzenia w ten surowiec. Firma zamierza pozyskiwać biomasę już przygotowaną, a także biomasę surową, którą zdecydowanie łatwej jest pozyskać na rynku. Podobnie dzieje się w innych krajach europejskich, zwłaszcza w Skandynawii, gdzie poszczególne firmy energetyczne kupują surową biomasę, natomiast już w elektrowniach wykonują stosowne inwestycje do przygotowania biomasy.
I wreszcie, kolosalne znaczenie dla funkcjonowania sektora ma wypracowanie procedur rozliczania energii odnawialnej wytwarzanej poprzez współspalanie biomasy z paliwem podstawowym. Właściwe uregulowania prawne to dziś najważniejszy problem, przed jakim stoją producenci energii elektrycznej metodą współspalania.