Moduł szkoleniowy

ANALIZA PROJEKTU SPALANIE BIOMASY

KURS ANALIZ PROJEKTÓW “CZYSTEJ ENERGII”

MATERIAŁ

PREZENTERA

Niniejszy dokument zawiera zapis prezentacji ustnej (głos I slajdy) dla tego modułu szkoleniowego i
może być wykorzystany jako materiał dla prezentera. Prezentacja ustna obejmuje podstawy technologii i
przegląd algorytmów znajdujących się w Modelu RETScreen. Materiał szkoleniowy jest dostępny
bezpłatnie na stronie internetowej RETScreen® International Clean Energy Decision Support Centre
Website:

www.retscreen.net

..

S

LAJD

1:

Analiza projektu Spalanie biomasy

Przedstawiamy moduł szkoleniowy na temat analizy

projektów ogrzewania z zastosowaniem energii z biomasy.

Omówimy w nim kontrolowane spalanie biomasy dla celów

grzewczych. Na zdjęciu widać instalację pracującą w

Szwecji. W tej instalacji spalane są zrębki drewna w celu

produkcji ciepła rozprowadzanego do budynków

zlokalizowanych w gminie.

Slajd 1

S

LAJD

2:

Zagadnienia

Niniejszy moduł koncentruje się na trzech zagadnieniach. Po

pierwsze, obejmuje przegląd systemów grzewczych na bazie

biomasy, następnie ilustruje kwestie kluczowe dla analizy

projektu ogrzewania na bazie biomasy i po trzecie zawiera

wprowadzenie do modelu obliczeniowego dotyczącego

projektów ogrzewania na bazie biomasy należącego do

narzędzia RETScreen.

Slajd 2

S

LAJD

3:

Co zapewniają systemy spalania biomasy?

W systemach grzewczych opalanych biomasą spala się materię
organiczną, taką jak zrębki drewna, odpady rolnicze lub nawet
odpady komunalne. Celem jest produkcja ciepła, które można
wykorzystywać w miarę potrzeby – dla celów wentylacji bądź
ogrzewania w budynkach lub całych gminach lub też w procesach
przemysłowych.

Spalanie biomasy stanowi bardzo łatwy sposób produkcji ciepła.
Zazwyczaj wykorzystuje się paliwo dostępne lokalnie, a ponieważ
systemy tego typu wymagają znacznej pracy w zakresie obsługi, są
korzystne jako generujące miejsca pracy. Pieniądze wydane na
systemy grzewcze zasilane biomasą pozwalają utrzymać lokalne
miejsca pracy bardziej skutecznie niż kapitałochłonne gałęzie
przemysłu, takie jak górnictwo nafty i gazu, które znajdują się daleko
od instalacji grzewczej.

Slajd 3

„ „ „ „

RETScreen

®

International

Spalanie Biomasy – Ocena Projektu

„ „ „ „

„ „ „ „

Strona

2

„ „ „ „

S

LAJD

3:

Co zapewniają systemy spalania biomasy? (ciąg dalszy)

Ponadto, w systemach spalania biomasy często wykorzystuje się odpady, takie jak
produkty uboczne z tartaków lub przetwórstwa produktów rolnych. W taki oto sposób
zobowiązanie (do utylizacji odpadów) przekształca się w zasób (źródło energii).

Systemy opalane biomasą można łatwo połączyć z systemami ciepła zdalaczynnego
oraz systemami odzysku ciepła odpadowego. Ciepło zdalaczynne pochodzi z jednego
centralnego źródła (instalacji) działającej w taki sposób, aby ciepło zostało
rozprowadzone do wielu odbiorców zlokalizowanych na obszarze wokół instalacji.
Ciepło jest transportowane podziemnymi rurociągami gorącej wody. Ilość pracy
ludzkiej potrzebnej do prowadzenia centralnej instalacji spalania biomasy jest
znacznie mniejsza, niż pracochłonność wielu mniejszych instalacji spalania biomasy,
rozmieszczonych na potrzeby poszczególnych odbiorców. Instalacja centralna może
również uzasadniać zainwestowanie w urządzenia do odzysku ciepła odpadowego,
które mogłyby wykorzystywać ciepło zrzucane do otoczenia, a pochodzące z instalacji
przemysłowych lub elektrowni. Tego rodzaju przedsięwzięcia pozwalają zredukować
zapotrzebowanie na biomasę oraz paliwa konwencjonalne.

Zdjęcie na tym slajdzie przedstawia elektrociepłownię w gminie Greussenheim
w Niemczech. W instalacji wytwarza się energię elektryczną i ciepło, spalając w tym
celu rzepak.

S

LAJD

4:

System spalania biomasy – opis

Systemy opalane biomasą, o których mówimy w niniejszej prezentacji, to
wysokosprawne instalacje, w których osiąga się prawie zupełne spalanie biomasy
w kontrolowanych procesach I które często zawierają automatyczne układy zasilania
w paliwo. Prezentacja nie obejmuje domowych pieców na drewno ani kominków.

Systemy spalania biomasy składają się z instalacji produkcji ciepła, systemu
dystrybucji ciepła oraz instalacji zasilania w paliwo.

W typowych rozwiązaniach instalacja wytwarzania ciepła składa się z czterech źródeł
ciepła. Po pierwsze, jeśli to tylko możliwe, w instalacji stosuje się układ odzysku ciepła
odpadowego, który dostarcza darmowe lub tanie ciepło pochodzące z procesów
przemysłowych lub instalacji wytwarzających energie elektryczną. Po drugie,
zapotrzebowanie podstawowe na ciepło w ilości większej niż ilość
zagospodarowanego ciepła odpadowego, pozyskuje się z układu spalania biomasy.
Po trzecie, wtedy, kiedy zapotrzebowanie na ciepło przekracza łączna wydajność
układu odzysku ciepła i układu spalania biomasy, do systemu włącza się źródło
szczytowe. Źródło takie jest zaprojektowane tak, aby zapewnić niewielka część
rocznego zapotrzebowania energii. Po czwarte, w sytuacjach wyłączenia układu
spalania biomasy lub przerw w dostawie paliwa, ciepło dostarczane jest z układu
zapasowego. W niektórych rozwiązaniach źródło szczytowe pełni również rolę źródła
zapasowego; układ odzysku ciepła jest również opcjonalny.

Układ dystrybucji ciepła transportuje ciepło z instalacji ciepłowniczej do miejsc
zapotrzebowania. Te miejsca mogą znajdować się w tym samym budynku, co
instalacja, lub – w przypadku systemów zdalaczynnych – w grupie budynków
położonych w pobliżu instalacji. Gorąca woda jest rozprowadzana z instalacji za
pomocą sieci izolowanych rur, a schłodzona woda powraca do instalacji celem
ponownego podgrzania.

Operacja zasilania w paliwo obejmuje składniki i procedury wymagane do
niezawodnego podawania paliwa do instalacji. Jest to układ zazwyczaj bardziej
skomplikowany niż układy zasilania w gaz ziemny lub olej opałowy. Miejscowy
operator powinien być odpowiedzialny za gromadzenie i przetwarzanie paliwa
biomasowego i jego transport do instalacji – jeden z etapów takiej operacji
przedstawiono na tym slajdzie.

Slajd 4

„ „ „ „

RETScreen

®

International

Spalanie Biomasy – Ocena Projektu

„ „ „ „

„ „ „ „

Strona

3

„ „ „ „

S

LAJD

4:

System spalania biomasy - opis (ciąg dalszy)

W celu zapewnienia regularnej dostawy paliwa, instalacja musi posiadać teren do

odbioru biomasy, dostępny dla ciężarówek i wystarczająco rozległy na to, aby pojazdy

mogły na nim manewrować. Jeśli to konieczne, powinno być dosyć miejsca dla

ładowarek kołowych i innych pojazdów tego typu. Instalacja powinna być również

wyposażona w wewnętrzny lub zewnętrzny obiekt do magazynowania paliwa;

mniejsze place składowe są tańsze i zajmują mniej miejsca, niż duże obiekty do

magazynowania paliwa, w kontekście ich budowy i przemieszczania paliwa, ale za to

wymagają częstszych dostaw paliwa. Paliwo jest transportowane z miejsca

składowania za pomocą układu zasilania w paliwo, który podaje paliwo do urządzeń

spalania. Transport ręczny jest możliwy w bardzo małych instalacjach, ale jest

pracochłonny. W większych instalacjach wykorzystuje się ładowarki kołowe

i urządzenia automatyczne, takie jak podajniki ślimakowe. Ponieważ konsystencja

i jakość paliwa są zmienne, a nawet można natrafić na małe „wtrącenia” takie jak

pręty, druty, rękawice, automatyczny system zasilania w paliwo powinien mieć

odpowiednią konstrukcję.

Biomasa podawana przez układ zasilania w paliwo wpływa do małego bufora

magazynowego, zwanego zasobnikiem dobowym, lub jest kierowana bezpośrednio do

końcowego układu zasilania. Ten podaje odmierzone ilości paliwa biomasowego

wprost do komory spalania.

S

LAJD

5: System spalania biomasy - opis (ciąg dalszy)

Niektóre elementy składowe systemów ciepłowniczych opalanych biomasą
omówione przy okazji prezentacji poprzedniego slajdu, przedstawia ten slajd.
Z

lewej strony widać układ dostawy i magazynowania biomasy. Układ

przedstawiony na tym slajdzie jest dostosowany do spalania paliwa
przygotowanego jako drobnoziarniste. W konsekwencji, układ pobierania paliwa,
widziany na slajdzie, przemieszcza paliwo z placu składowego do małego
zasobnika dobowego, a w układzie zasilania w paliwo widzianym tutaj w fazie
przemieszczania paliwa z zasobnika dobowego do komory spalania, stosuje się
przenośniki taśmowe lub ślimakowe.

Komora paleniskowa przedstawiona jest w centralnej części slajdu. Jest to zamknięta
przestrzeń, w której wsad jest spalany w kontrolowanych warunkach, tak, aby
zmaksymalizować sprawność i zapewnić spalanie całkowite i zupełne. Wsad paliwowy
zazwyczaj jest podawany na ruszt, przy czym regulowany strumień powietrza
przepływającego poprzez ruszt i ponad nim, ku górze komory, wpływają na zmianę
szybkości spalania w zależności od bieżącego zapotrzebowania na energię.

W większych systemach czasami stosuje się ruszty wędrujące (ruchome),
pozwalające uformować warstwę paliwa i przesuwać ją poprzez strefy spalania, do
których doprowadza się powietrze w sposób stopniowany. Dzięki przesuwowi rusztu
następuje również zrzucanie popiołu w dół, przy końcu rusztu. Komora paleniskowa
często jest wyłożona materiałem ceramicznym, który zapewnia właściwe
wykorzystanie ciepła przepływającego, poprzez promieniowanie i odbicie ciepło to jest
zawracane do centrum komory i do warstwy paliwa, dzięki czemu utrzymywana jest
wysoka temperatura spalania.

Ciepło jest odbierane przez wymiennik ciepła, usytuowany albo w samej komorze
paleniskowej, albo w kanale transportującym gorące gazy spalinowe z komory
paleniskowej do układu odprowadzania spalin i do komina. W małych układach,
wymiennik ciepła może mieć prostą konstrukcję płaszcza wodnego z izolacją,
otaczającego palenisko. W dużych systemach stosuje się kotły, w których woda, para
lub olej termiczny jest medium transportującym ciepło. Wymiennik dostarcza ciepło do
odbiorów, za pośrednictwem wodnego obiegu ciepłowniczego.

Slajd 5

„ „ „ „

RETScreen

®

International

Spalanie Biomasy – Ocena Projektu

„ „ „ „

„ „ „ „

Strona

4

„ „ „ „

Slajd 5: System spalania biomasy - opis (ciąg dalszy)

Popiół denny, który gromadzi się w komorze paleniskowej, można usuwać ręcznie
lub – jak w tym przykładzie – automatycznie. Popiół lotny stanowią drobne cząstki
materii zawieszonej w gazach opuszczających komorę paleniskową. Może on
wydostawać się z instalacji poprzez układ odprowadzania spalin, przez co
przekształca się w emisję pyłową, może również opadać i podlegać wychwytywaniu
lub może gromadzić się w formie osadów (depozytów), które należy usuwać.

W tle slajdu widać kotły szczytowe i zapasowe.

Slajd 6: Obciążenie szczytowe a obciążenie podstawowe

Ważnym problemem związanym z projektowaniem instalacji ciepłowniczych

opalanych biomasą jest dobór wielkości układu spalania biomasy. Na ogół stosuje się

dwa rodzaje podejścia do zagadnienia. Projekt uwzględniający zapotrzebowanie

szczytowe zakłada układ spalania biomasy wystarczająco duży, aby zapewnił

dostawę ciepła przy maksymalnym obciążeniu, jakie może wystąpić. W projektach

bazujących na obciążeniu podstawowym, układ spalania biomasy jest tylko na tyle

rozbudowany, aby dostarczać ciepło przy obciążeniu podstawowym, czyli takim, jakie

ma miejsce przy typowych warunkach eksploatacji.

Projekt bazujący na obciążeniu szczytowym zapewnia maksimum wykorzystania

paliwa biomasowego i minimum zużycia paliw kopalnych. Jest to korzystne wówczas,

gdy koszty paliw kopalnych są bardzo wysokie. Z drugiej jednak strony, układ spalania

biomasy zaprojektowany na obciążenie szczytowe będzie większy czyli bardziej

kosztowny niż układ zaprojektowany na obciążenie podstawowe. Przy zmiennych

obciążeniach będzie pracował pod obciążeniem znacznie niższym od nominalnego

i w konsekwencji ucierpi na tym sprawność a emisja do otoczenia będzie większa.

Układ zaprojektowany na obciążenie podstawowe zazwyczaj zawiera znacznie

mniejszy układ spalania biomasy, co znacznie obniża jego koszt. Z drugie jednak

strony, ponieważ zaspokaja zapotrzebowanie podstawowe, większość rocznego

zapotrzebowania na energię może być przez ten układ zaspokojona. Taki układ może

być bardzo opłacalny. Ponadto, ponieważ układy na biomasę są eksploatowane pod

obciążeniem projektowym lub blisko takiego obciążenia, ich sprawność jest wysoka,

a

emisje zredukowane. Jednakże w takiej konfiguracji wymagany jest układ

szczytowy, przez co zwiększa się zużycie paliw kopalnych.

Podczas gdy wybór najlepszego podejścia do zagadnienia zależy od uwarunkowań
dla instalacji, dla dużych systemów o wysokim ciągłym zapotrzebowaniu na energię
raczej wybiera się opcję projektową układów szczytowych, natomiast małe instalacje
słżące tylko do produkcji ciepła grzewczego dla celów centralnego ogrzewania lub
pracujące w warunkach zmiennych obciążeń, zwykle projektuje się jak dla
zapotrzebowania podstawowego.

Slajd 6

Slajd 7: Lokalne systemy ciepłownicze

Jak wspomniano wcześniej, w układach ogrzewania zdalaczynnego (centralnego),

centralna instalacja dostarcza ciepło do pewnej liczby odbiorców zlokalizowanych

na obszarze wokół centralnej ciepłowni. Odbiorcy ciepła są często pogrupowani

w sektory złożone z budynków publicznych, komercyjnych i mieszkalnych,

rozmieszczone we wzajemnej odległości kilkuset metrów.

Slajd 7

„ „ „ „

RETScreen

®

International

Spalanie Biomasy – Ocena Projektu

„ „ „ „

„ „ „ „

Strona

5

„ „ „ „

Slajd 7: Lokalne systemy ciepłownicze – ciąg dalszy

Rury zaizolowane, poprowadzone w gruncie, na głębokości 60 do 80 cm służą do

transportowania gorącej wody w obiegu sieci. Gorącą wodę dostarcza się

o temperaturze do 130

o

C, natomiast temperatura wody powrotnej wynosi od 40 do

80

o

C. Rury nie muszą być poprowadzone poniżej granicy zamarzania gruntu,

ponieważ są zaizolowane i znajduje się w nich krążąca gorąca woda.

Ogrzewanie zdalaczynne ma sporo zalet w porównaniu z pojedynczymi instalacjami

grzewczymi w poszczególnych budynkach. Centralna ciepłownia może być

zaprojektowana w pewnym – korzystnym – stopniu skomplikowania, zatrudniać

obsługę i stosować urządzenia automatyki, co nigdy nie byłoby uzasadnione w małej

jednostce. To z kolei pozwala na to, żeby w dużej instalacji zastosować

wysokosprawne układy spalania biomasy, podczas gdy mniejsze instalacje albo

powinny być dostosowane do spalania paliw kopalnych, wówczas są prostsze

w konstrukcji i łatwiejsze w obsłudze, albo powinny stanowić niskosprawne układy na

biomasę, takie jak piece na drewno. Podstawowa wadą instalacji spalających paliwa

kopalne jest wysoki koszt paliwa. Ponadto takie instalacje wywołują poważne

konsekwencje w środowisku. W porównaniu do niskosprawnych układów na biomasę

w poszczególnych budynkach, centralna ciepłownia oferuje wyższą sprawność,

mniejsze emisje, komfort związany z łatwosterowalnym źródłem ciepła, lepsze

bezpieczeństwo, zorganizowaną i efektywną produkcję paliwa, łatwe wykorzystanie

każdego rodzaju ciepła nadmiarowego (odpadowego) i wygodę dla operatora.

Nakłady początkowe w przypadku układów ciepła zdalaczynnego są wysokie.

Najłatwiej jest dostosować taki układ do nowoprojektowanych osiedli. Połączenie

układu spalania biomasy i układu ciepłowniczego wymaga większej uwagi, niż proste

układy spalania paliw kopalnych. Wszystkie te czynniki wymagają znacznego stopnia

wyspecjalizowania urządzeń i organizacji.

S

LAJD

8: Paliwa biomasowe

Jako paliwo wsadowe można wykorzystać wiele rodzajów materii organicznej,

o niskim koszcie. Możliwości zastosowania obejmują drewno i odpady drzewne

w formie klocków, trocin, zrębków, wiórów, odpady z produkcji rolnej, takie jak słoma,

sieczka, plewy, odpady zwierzęce, szybkorosnące rośliny energetyczne hodowane

specjalnie w celu pozyskania biomasy, w tym wierzba, niektóre gatunki traw, topola,

czy też stałe odpady komunalne. Na slajdzie przedstawiono dwa możliwe rodzaje

paliwa wsadowego: drewno i łupiny orzecha.

Paliwa z biomasy charakteryzują się wahaniami jakości i konsystencji w stopniu

znacznie większym niż paliwa konwencjonalne, które są rafinowane do uzyskania

produktu o zunifikowanej konsystencji. Z uwagi na tę zmienność, istotne jest to, aby

ocenić potencjalne dostawy paliwa pod względem wilgotności, zawartości popiołu

i wartości opałowej. Większość rodzajów paliw wsadowych pochodzących z biomasy

zawiera wilgoć, a im więcej paliwo zawiera tejże wilgoci, tym większą ma masę

(gęstość), co jest istotne podczas transportu i przetwarzania i tym mnie efektywnie

będzie spalane, z uwagi na konieczność odparowania zawartej w nim wody. Mokry

wsad może również prowadzić do wyższych emisji tlenku węgla i niespalonych

węglowodorów z uwagi na niska temperaturę panującą w układzie spalania. Ponadto

wilgoć jest przyczyną aktywności biologicznej zachodzącej podczas magazynowania

biomasy.

Popiół stanowi niepalna substancja nieorganiczna pozostała z wsadu. Substancja ta
nie wyzwala energii podczas spalania wsadu i może powodować powstawanie
stanowiących problem depozytów w komorze paleniskowej, urządzeniach do
odpopielania i w wymiennikach ciepła.

Wartość opałowa jest to ilość ciepła generowana podczas spalania paliwa. Stanowi
ona funkcję względnych proporcji zawartości w paliwie węgla pierwiastkowego,
wodoru i tlenu i jest ograniczana zawartością popiołu i wilgoci.

Slajd 8

„ „ „ „

RETScreen

®

International

Spalanie Biomasy – Ocena Projektu

„ „ „ „

„ „ „ „

Strona

6

„ „ „ „

S

LAJD

8: Paliwa biomasowe – (ciąg dalszy)

Cena biopaliwa zależy od jego źródła pochodzenia. Jeśli wsad stanowi produkt
uboczny, który należy unieszkodliwić, to koszt może być ujemny, ponieważ
zastępowane lub ograniczane są opłaty za utylizację. Pozostałości takie jak kora
z tartaków, których nie trzeba unieszkodliwiać ale które nie znajdują innego
zastosowania, są dostępne bez kosztów. Produkty uboczne, takie jak ścinki
i trociny maja niewielka wartość użytkową w sensie alternatywnego wykorzystania
i dlatego będą dostępne po niskich kosztach. Biomasa zbierana w formie żniw lub
hodowana celowo dla pozyskania biopaliwa, będzie dostępna po wyższych
kosztach, a przygotowane paliwa, takie jak granulki (pelety) czy brykiety drzewne
mogą kosztować więcej, niż paliwa kopalne.

Podstawowe znaczenie ma niezawodność i długoterminowość dostaw biopaliwa.
Na cenę takiego paliwa ma wpływ możliwość zastosowania innych paliw. Na
przykład, cena za odpadową korę drzewną może szybko wzrosnąć, jeśli kora może
być wykorzystana do działań związanych z kształtowaniem krajobrazu. Należy
zawierać kontrakty długoterminowe. Aby zapewnić niezawodne, pewne dostawy,
trzeba starannie dobrać dostawcę.

Sposób, w jaki paliwo jest dostarczane do instalacji a także metody jego obróbki
i magazynowania zależą od rodzaju paliwa. To z kolei ma wpływ na postać
konstrukcyjną układów i urządzeń odbioru i magazynowania paliwa.

S

LAJD

9: Atrybuty środowiskowe biomasy

Biomasa zbierana z zachowaniem reguł zrównoważonego podejścia do środowiska

jest źródłem energii odnawialnej, ponieważ krąży w cyklu nieskończonym.

Przyrastająca masa pobiera z atmosfery tę samą ilość węgla pierwiastkowego, jaka

jest uwalniana podczas spalania, tak że produkcja netto gazów cieplarnianych

powodujących zmiany klimatyczne jest zerowa. Większość biopaliw zawiera pomijalne

ilości siarki i dlatego nie przyczynia się do powstawania kwaśnych deszczów.

Spalanie biomasy nie generuje emisji, które mogłyby wpływać na lokalną jakość

powietrza i powinny być przedmiotem uregulowań prawnych. Dotyczy to pyłu

zawieszonego, sadzy, zanieczyszczeń powietrza takich jak tlenek węgla, tlenki siarki,

tlenki azotu i węglowodory czy niskie zawartości związków rakotwórczych. Te emisje

oraz uregulowania prawne, które mogłyby się do nich odnosić zależą od rodzaju

paliwa a także od wielkości i typu układu spalania.

Zdjęcia na tym slajdzie przedstawiają dwa rodzaje paliw biomasowych, które są
produktami ubocznymi ważnych gałęzi przemysłu. Tartaki produkują wióry, a wytłoki
z trzciny cukrowej stanowią substancje włóknistą, pozostałą po ekstrakcji soku z trzciny
cukrowej.

Slajd 9

S

LAJD

10: Przykłady spalania biomasy. Koszty instalacji

Tablica w górnej części slajdu przedstawia porównanie nakładów początkowych
i kosztów rocznych układu spalania biomasy, z takimi nakładami i kosztami dla kotła
opalanego olejem. Oba układy służą do ogrzewania budynku o powierzchni
ogrzewanej wynoszącej 800 m

2

i mogą zapewnić dostawę ciepła przy

zapotrzebowaniu szczytowym wynoszącym 150 kW. Nakłady początkowe dla układu
spalania biomasy są cztery razy wyższe niż nakłady na kocioł olejowy. Układ na
biomasę wymaga budowy oddzielnego budynku na urządzenia a także kosztownego
systemu przygotowania paliwa, podczas gdy kocioł olejowy można zainstalować
w narożniku, w istniejącym budynku. Koszty eksploatacyjne i utrzymania układu na
biomasę są również znacznie wyższe od takich kosztów w przypadku kotła
olejowego.

Slajd 10

„ „ „ „

RETScreen

®

International

Spalanie Biomasy – Ocena Projektu

„ „ „ „

„ „ „ „

Strona

7

„ „ „ „

S

LAJD

10: Przykłady spalania biomasy. Koszty instalacji (ciąg dalszy)

Natomiast z uwagi na wysokie koszty paliwa, eksploatacja kotła olejowego kosztuje
o około $19000 rocznie, natomiast układ na biomasę, w którym wykorzystuje się
odpadowe wióry drzewne z miejscowego tartaku, kupowane po bardzo niskiej cenie,
jest eksploatowany przy kosztach rocznych poniżej $10000. W dłuższej perspektywie
układ na biomasę stanowi najtańszą opcję.

Cechą charakterystyczną układów spalania biomasy jest to, że nakłady początkowe
są wysokie, ale za to koszty paliwa są bardzo niskie. Dolna tablica na tym slajdzie
przedstawia porównanie kosztów energii na ogrzewanie dla kilku kotłów
konwencjonalnych i na paliwa z biomasy. Koszty różnią się w zależności od regionu
i

czasu, ale tabelę tę można uważać za dobrą ilustrację ogólnej tendencji.

Zdecydowanie najdroższym nośnikiem energii do wytwarzania ciepła do ogrzewania
jest energia elektryczna. Olej i gaz lokują się w środku zakresu. Mniej więcej tyle samo
kosztują wióry drzewne, tutaj rozumiane jako paliwo specjalnie wytwarzane do
spalania jako biomasa. Najniższy koszt reprezentowany w tej tablicy dotyczy
pozostałości z tartaku, które nie znajdują innego zastosowania i dlatego są dostępne
po kosztach niewiele wyższych od kosztów transportu.

S

LAJD

11: Uwarunkowania projektu spalania biomasy

W przeciwieństwie do paliw kopalnych, które są standardowymi produktami
dostępnymi u wielu dostawców, paliwa z biomasy charakteryzuję się dużą
zmiennością składu i różnią się jakością w zależności od dostawcy. Aby projekt układu
spalania biomasy mógł być korzystnie zrealizowany, powinno się mięć dostęp do
paliwa o jakości możliwej do zaakceptowania, w długiej perspektywie czasowej i po
cenie konkurencyjnej w stosunku do cen za paliwa konwencjonalne. Taka sytuacja
występuje często wtedy, gdy odpadowa biomasa jest wytwarzana w pobliżu, a koszty
paliw konwencjonalnych są wysokie. Powinno się oszacować wielkość
zapotrzebowania na paliwo w przyszłości, które może wynikać z alternatywnego
wykorzystanie materiałów, podobnie jak wpływ przewidywanej przyszłej ceny paliwa.
Kontrakty długoterminowe pomagają zapewnić stabilność cen.

Układy grzewcze opalane biomasa działają najlepiej wtedy, gdy mogą pracować pod
znacznym obciążeniem prze cały rok, tak jak ma to miejsce w procesach
przemysłowych. W takich sytuacjach potencjalnie osiągalne są znaczne korzyści
w zakresie gospodarki energią, co równoważy wysokie nakłady początkowe i koszty
eksploatacyjne, a układ zasilany biomasa może pracować w zakresie mocy
nominalnej, kiedy to osiąga się najwyższą sprawność.

Układy spalania biomasy wymagają znacznie więcej miejsca, niż konwencjonalne
układy zasilane paliwami konwencjonalnymi. Na ogół na terenach wiejskich
i przemysłowych istnieje dosyć miejsca niezbędnego na dowóz, magazynowanie
i przygotowanie paliwa do spalania.

Układy ciepłownicze I grzewcze opalane biomasą wymagają na ogół więcej pracy
w zakresie bieżącej obsługi, niż ma to miejsce w przypadku instalacji na paliwa
kopalne. Wymagają zaangażowania operatorów przez cały sezon grzewczy. Paliwo
z biomasy musi być wytwarzane i ładowane do przenośników lub zasobników, należy
prowadzić regularne odpopielanie spod komory paleniskowej lub zasobników na
popiół, a działanie układu należy ściśle monitorować. Niewłaściwe decyzje dotyczące
zatrudnienia osób do obsługi układu mogą skutkować wyłączeniem instalacji
i wymusić przestawienie układu na paliwa konwencjonalne, których koszty są
wyższe.

Układy grzewcze zasilane biomasą często wymagają szczególnej uwagi w zakresie
bezpieczeństwa przeciwpożarowego, standardów jakości powietrza, opcji
unieszkodliwiania popiołów I w ogólności względów bezpieczeństwa. Te wymogi
należy przeanalizować na wstępnym etapie projektowania.

Slajd 11

„ „ „ „

RETScreen

®

International

Spalanie Biomasy – Ocena Projektu

„ „ „ „

„ „ „ „

Strona

8

„ „ „ „

S

LAJD

12: Zbiorowe systemy energetyczne

Przykłady: Austria, Niemcy i Słowenia

Układy ciepłownicze opalane biomasą można łączyć z układami centralnego
(zdalaczynnego) ogrzewania, które zaopatrują w ciepło grupy budynków lub
budynki, czy też całe gminy. Takie komunalne systemy energetyczne zapewniają
dostawę ciepła grzewczego, podgrzewanie powietrza wentylacyjnego, ogrzewanie
wody i ciepło procesowe. Ciepło może być dostarczane do budynków użyteczności
publicznej, takich jak szpitale, magazyny, sklepy oraz budynków mieszkalnych czy
też budynków przemysłowych. Systemy ciepłownicze mogą nawet zaopatrywać
w ciepło budynki pojedyncze, zwłaszcza, jeśli są one zlokalizowane w grupy,
przyłączanie pojedynczych domów (stojących w rozproszeniu) do systemów
centralnego ogrzewania jest mniej korzystne.

Zdjęcie z lewej strony slajdu przedstawia gminę w Słowenii, posiadającą system
centralnego ogrzewania. Instalacja ciepłownicza pracująca dla tego systemu została
niedawno przystosowana do spalania paliwa z biomasy, przy czym poprzednio była
dostosowana do paliw konwencjonalnych. Dwa środkowe zdjęcia przedstawiają kocioł
dla małego systemu opalanego biomasą, zdjęcie z prawej strony przedstawia
urządzenia do automatycznego zasilania w paliwo, stosowane w dużych systemach
na biomasę.

Slajd 12

S

LAJD

13: Budynki użyteczności publicznej i handlowo-usługowe.

Przykład Kanada

W poszczególnych budynkach można zaspokajać zapotrzebowanie ciepła poprzez
zastosowanie systemów spalania biomasy. Ponieważ w takiej sytuacji należy
zapewnić znaczne oszczędności paliwa, z uwagi na konieczność zrównoważenia
wysokich nakładów początkowych i rocznych nakładów pracy związanych
z systemem zasilanym biomasą, jest raczej rzadkością sytuacja, aby ogrzewanie
na biomasę było instalowane w domach mieszkalnych. Raczej biomasa znajduje
zastosowanie w budynkach użyteczności publicznej takich jak szkoły, szpitale czy
budynki komunalne, a także budynki komercyjne, jak sklepy, garaże czy hotele.

Zdjęcie z lewej strony przedstawia kanadyjski budynek użyteczności publicznej,
który jest ogrzewany biomasą. Mniejsze komercyjne instalacje widać na zdjęciu
z prawej.

Slajd 13

S

LAJD

14: Ciepło technologiczne

Przykład: Brazylia i USA

W tych gałęziach przemysłu, w których równocześnie wytwarza się odpadową
biomasę i ma miejsce zapotrzebowanie na ciepło, istnieją znakomite możliwości
zastosowania ogrzewania w oparciu o biomasę. Jeśli odpady i produkty uboczne
zawierające biomasę nie są wartościowe jako surowce dla alternatywnego
wykorzystania, lub stwarzają konieczność unieszkodliwiania, to mogą one stanowić
bardzo tanie paliwo. Pierwszy przykład to tartaki, które wytwarzają wióry, trociny czy
korę, a równocześnie potrzebują ciepła dla pieców suszarniczych. Cukrownie
pracujące na bazie trzciny cukrowej wytwarzają wytłoki, to kolejny przykład
przedstawiony na zdjęciu z lewej. Inny przykład dużych możliwości wykorzystania
biomasy to mleczarnie, farmy drobiarskie, zakłady produkcji mebli, gorzelnie,
przemysłowe suszenie i przetwórstwo ziarna (zboża).

Slajd 14

„ „ „ „

RETScreen

®

International

Spalanie Biomasy – Ocena Projektu

„ „ „ „

„ „ „ „

Strona

9

„ „ „ „

S

LAJD

15: RETScreen Moduł spalania biomasy

Moduł spalania biomasy narzędzia RETScreen Biomass Heating Project jest
prostym, ale użytecznym narzędziem do wstępnego przeanalizowania technicznej
i finansowej wykonalności projektów obejmujących ogrzewanie na bazie spalania
biomasy. Dla instalacji zlokalizowanej gdziekolwiek na świecie może on dostarczyć
wyników analizy w zakresie produkcji energii, kosztów w cyklu żywotności i redukcji
emisji gazów cieplarnianych. Narzędzie można stosować do analiz projektów
dotyczących instalacji dla pojedynczych budynków aż po duże grupy budynków
(osiedla, bloki), połączonych systemem centralnego ogrzewania. Instalacja
ciepłownicza może obejmować źródła ciepła zasilane biomasą, źródła szczytowe,
rezerwowe i układy odzysku ciepła odpadowego. Narzędzie pomaga również przy
wstępnym ustalaniu wymiarowania i estymacji kosztów sieci ciepłowniczej
w systemie ciepła centralnego.

W celu przeprowadzenia analizy użytkownik wprowadza projektową temperaturę
i liczbę stopnio-dni dla każdego miesiąca. Program zawiera dużą bazę danych tych
parametrów dla wielu lokalizacji na świecie. Użytkownik zaznacza również
wymagania dotyczące gorącej wody, które można wykorzystać do określenia
obciążeń cieplnych, które pozostają stałe w okresie roku.
O ile RETScreen można wykorzystać do analizowania ogromnej większości
zastosowań i systemów, jego wykorzystanie dla projektów systemów ciepłowniczych
na dużą skalę, czyli projektów powyżej 2,5 MW nie zostało zweryfikowane.

Slajd 15

S

LAJD

16: RETScreen spalanie biomasy – obliczenia energetyczne

Obliczenia wykonywane przez narzędzie RETScreen w zakresie projektów
ogrzewania na bazie biomasy pozwalają obliczyć ilość energii, która może być
wytworzona w projektowanej instalacji w skali roku. Przedstawiamy przegląd tych
obliczeń. Aby uzyskać dodatkowe informacje należy skorzystać z dokumentów
dostępnych nieodpłatnie, on-line na stronie internetowej RETScreen Engineering and
Cases Textbook.

Pierwszy krok obliczeniowy w modelu RETScreen dotyczy przeliczenia wartości
zapotrzebowania na gorącą wodę, przedstawionego przez użytkownika, na
równoważną liczbę stopnio-dni dla każdego miesiąca. W RETScreen-ie zakłada się,
że zapotrzebowanie na gorąca wodę jest stałe w skali roku i uwzględnia poprzez
odpowiednie przeliczenia zapotrzebowanie na ciepło grzewcze zdalaczynne dla
każdego miesiąca. Aby zwiększyć obliczeniową wartość zapotrzebowania na ciepło,
zwiększa się liczbę stopnio-dni grzewczych dla każdego miesiąca.

Następnie RETScreen stosuje empiryczna procedurę w celu określenia krzywej
przebiegu obciążenia I krzywą przebiegu zapotrzebowania. Krzywa przebiegu
obciążenia wykreślana jest w układzie współrzędnych takim, że na osi X podany jest
czas, w godzinach, począwszy od 0 do wartości odpowiadającej liczbie godzin w roku,
a obciążenie cieplne przedstawia się na osi Y, w formie procentu obciążenia
szczytowego. Krzywa obrazuje wartość procentu obciążenia cieplnego wobec
procentowej części roku, kiedy to obciążenie cieplne jest większe niż lub równe tej
wartości. Na przykład, przypuśćmy, że obciążenie cieplne jest większe niż 50%
obciążenia szczytowego w sumie przez 2000 godzin w roku, wówczas krzywa
powinna zawierać ten punkt w miejscu przecięcia współrzędnych x=2000 i y=0,5.
A zatem, krzywa przecina oś y w punkcie 1, który dotyczy obciążenia szczytowego.

Slajd 16

„ „ „ „

RETScreen

®

International

Spalanie Biomasy – Ocena Projektu

„ „ „ „

„ „ „ „

Strona

10

„ „ „ „

S

LAJD

16: RETScreen spalanie biomasy – obliczenia energetyczne (ciąg dalszy)

Krzywa przebiegu zapotrzebowania jest powiązana z krzywą przebiegu obciążenia,
przy wartościach obciążenia przedstawionych na osi Y i wyrażonych jako ułamek
(procent) obciążenia szczytowego. Natomiast na osi X, zamiast czasu, znajduje się
skala zapotrzebowania. Dlatego też, ta krzywa wskazuje jaki ułamek całkowitego
zapotrzebowania pojawia się na lub poniżej danego poziomu mocy. RETScreen
oblicza także równoważna liczbę godzin pełnego obciążenia, co jest równe
całkowitemu zapotrzebowaniu na energię, podzielonemu przez obciążenie szczytowe.
A zatem, ciepłownia dobrana tak, aby zaspokoić zapotrzebowanie szczytowe będzie
musiała pracować z pełną mocą przez taką liczbę godzin aby wygenerować ilość
energii stanowiącą zapotrzebowanie roczne. Ponieważ całkowite zapotrzebowanie na
energię jest w tym momencie obliczeń jeszcze nieznane, to RETScreen musi je
określić poprzez obliczenie wielkości pola pod krzywą przebiegu obciążenia.

Następnie RETScreen oblicza szczytowe obciążenie cieplne. Jest to suma
szczytowych obciążeń cieplnych dla każdego budynku w systemie ciepłowniczym.
Użytkownik określa szczytowe obciążenie cieplne dla każdego budynku w odniesieniu
do jednostkowej powierzchni ogrzewanej. RETScreen sugeruje wówczas konkretne
wartości, w oparciu o projektowaną temperaturę w przestrzeni ogrzewanej oraz
poziom zaizolowania cieplnego budynku. Całkowite zapotrzebowanie na energię
można zatem obliczyć poprzez mnożenie szczytowego obciążenia grzewczego przez
równoważną liczbę godzin pełnego obciążenia.

RETScreen określa jaka część całkowitego zapotrzebowania na energię, jaka będzie
dostarczona przez każdy z układów: odzysku ciepła odpadowego, biomasowego,
i szczytowego. Zakłada się, że dla poziomów mocy aż po moc nominalną układu
odzysku ciepła odpadowego (nadmiarowego), całe ciepło będzie pochodzić z układu
odzysku ciepła. Następnie, dodatkowe ciepło będzie generowane na bazie biomasy,
aż do osiągnięcia przez ten układ mocy nominalnej. Moc generowana powyżej tego
poziomu będzie dostarczana z układu szczytowego. Ciepło wytwarzane przez każdy
z systemów może być zatem „odczytane” z krzywej przebiegu zapotrzebowania.
Paliwo, jakie jest konieczne do wytworzenia takiej ilości energii (ciepło) jest obliczane
dla systemu pracującego na bazie biomasy. Obejmuje to podzielenie wymaganej ilości
energii ze strony systemu biomasowego przez okresową sprawność tego systemu
oraz ilość energii grzewczej jaka jest generowana z jednostki masy paliwa
biomasowego podczas spalania.

Końcowy krok obliczeniowy dostarcza informacji, które pomagają użytkownikowi
zaprojektować sieć ciepłowniczą. Wielkości przepływów potrzebne w różnych
odcinkach sieci są określane na podstawie ilości ciepła, jaka należy przesłać, co
z

kolei jest funkcją temperatur zasilania i powrotu. Dokonuje się założenia

dotyczacego maksymalnych dopuszczalnych strat ciśnienia, aby określić maksymalną
wielkość przepływu, która może być osiągnięta w rurze o danej średnicy.

S

LAJD

17: Przykłady weryfikacji modelu RETScreen Spalanie Biomasy

Narzędzie RETScreen zostało zweryfikowane poprzez porównanie z innymi

programami służącymi do obliczeń projektowych dotyczących ogrzewania na bazie

biomasy, oraz analiz chemicznych paliw wsadowych pochodzących z biomasy.

Weryfikację oparto na trzech zagadnieniach: obliczeniach krzywej obciążenia,

obliczeniach wartości opałowej drewna i wymiarowaniu rur tworzących sieć

przesyłową.

Slajd 17

„ „ „ „

RETScreen

®

International

Spalanie Biomasy – Ocena Projektu

„ „ „ „

„ „ „ „

Strona

11

„ „ „ „

S

LAJD

17: Przykłady weryfikacji modelu RETScreen Spalanie Biomasy (c.d.)

Obliczenia, które wykonuje RETScreen dotyczące przebiegu krzywej obciążenia
porównano z wynikami uzyskanymi przez szwedzki specjalistyczny model
obliczeniowy o nazwie DD-IL. Model ten opracowano w oparciu o znaczne ilości
danych zgromadzonych w dwóch dużych, ściśle monitorowanych projektach układów
centralnego ogrzewania – jednym w Minnesota i drugim w Szwecji. Krzywe przebiegu
obciążenia uzyskano na podstawie danych z czterech miast w Kanadzie, USA
i Szwecji. Były to: Edmonton, Toronto, St. Paul (Minnesota) i Stockholm. Jak widać
z wykresu na tym slajdzie, oba programy dały wyniki o zgodności w granicach 1%.

Algorytm obliczeniowy dotyczący sieci ciepłowniczej w narzędziu RETScreen

zweryfikowano z wykorzystaniem programu komputerowego ABB o nazwie R22. Ten

program jest często stosowany w krajach skandynawskich przy projektowaniu sieci

ciepłowniczych. Wymiarowanie średnic rur tworzących sieć według RETScreen ściśle

odpowiada wynikom uzyskanym w programie R22, chociaż ogólnie program

RETScreen nieznacznie przewymiarowuje wymaganą średnicę rury.
Oszacowanie RETScreen dotyczące wartości opałowej biomasy pochodzącej
z drewna porównano z analizami chemicznymi 87 próbek kory zebranych z różnych
gatunków drzew we wschodniej Kanadzie. Wyniki programu RETScreen posiadały
dokładność w granicach 5% w stosunku do wartości zmierzonej dla większości
próbek.

S

LAJD

18: Wnioski

Systemy spalania biomasy mogą wytwarzać ciepło dla budynków komercyjnych
i przemysłowych, ciepło technologiczne, a także zasilać gminne systemy ciepłownicze.
Tam, gdzie biomasa jest dostępna jako odpad mający niewielkie lub nie mający innych
możliwości alternatywnego wykorzystania, może ona stanowić bardzo tanie paliwo.
W

porównaniu z systemami zasilanymi paliwem konwencjonalnym, instalacje

ciepłownicze są większe, charakteryzują się większymi nakładami początkowymi
i wymagają więcej obsługi w czasie eksploatacji. Jednakże wówczas, gdy obciążenia
cieplne są duże przez znaczną część roku, zredukowane koszty paliwa i redukcja
emisji gazów cieplarnianych a także zmniejszenie emisji substancji powodujących
kwaśne deszcze, powodują, że systemy ciepłownicze na bazie biomasy są bardzo
atrakcyjne.

Model RETScreen dotyczący systemów ciepłowniczych pracujących na bazie biomasy
pozwala obliczyć obciążenia cieplne i przebieg krzywej obciążenia, wymagane moce
cieplne instalacji na biomasę i urządzeń szczytowych, a także pozwala określić
minimalne średnice rur tworzących sieć przesyłową ciepła. Wykorzystanie narzędzia
RETScreen znacząco obniża koszty i zmniejsza trudności realizacji studiów
wykonalności dla projektów systemów grzewczych działających w oparciu o biomasę.

Slajd 18

S

LAJD

19: Pytania?

Na tym kończymy moduł szkoleniowy kursu na temat ogrzewania na bazie biomasy,
według RETScreen International Clean Energy Project Analysis Course.

Slajd 19