1

Biomasa w bilansie energii

czyste technologie jej wykorzystania

„Energia z plantacji”

Międzynarodowe Targi Katowickie, Katowice, 20-21 kwietnia 2007r.

Krystyna Kubica
Instytut Techniki Cieplnej Politechnika Śląska w Gliwicach

Podstawy nowej polityki energetycznej dla Europy

10 stycznia 2007 Komisja Europejska przedstawiła pakiet
działań w obszarze energii i zmian klimatu stanowiący
podstawę nowej polityki energetycznej dla Europy.
Główne strategiczne założenia to:
• 20% redukcja emisji gazów cieplarnianych

• 20% udział energii odnawialnej w konsumpcji całej UE

• 20% zmniejszenie zużycia energii do roku 2020.

Polityka ekologiczna Europy

Dyrektywy UE, program CAFE

Strategia tematyczna Czystego Powietrza

(CAFE) COM(2005) 446 Bruksela, 21.9.2005

•

5 głównych oddziaływań i 5 głównych

zanieczyszczeń

•

multi-zanieczyszczenie/multi-oddziaływanie

Zanieczyszczenia:
pierwotne PM, SO2, NOx, VOC, NH3

Wpływ na zdrowie:
•

- Pyły

•

- Ozon przyziemny

Wpływ na roślinność:
•

- Ozon przyziemny

•

- Zakwaszenie

•

- Eutrofizacja

Dyrektywa 2004/107/EC Parlamentu
i Komisji Europejskiej z 15.12.2004 –
jakość powietrza

•

As, Cd, Hg, Ni, WWA - BaP i co

najmniej B(b)F, B(j), B(k)F, I(1,2,3 cd)P
oraz Db(a,h)A w otaczającym powietrzu

Propozycja Dyrektywy Parlamentu i
Komisji Europejskiej dotycząca
jakości otaczającego powietrza i
czystszego powietrza dla Europy
(CAFE)

•

ditlenek siarki, ditlenek azotu

i tlenki azotu, pyły (PM10 and PM2,5),
ołów, benzen and tlenek węgla

Strategia tematyczna Czystego Powietrza - CAFE

(Clean Air For Europe - Czyste Powietrze Dla Europy)

4.2.1.1. Małe obiekty energetycznego spalania

▪ brak uregulowań prawnych UE

▪ IPPC powinna objąć źródła o mocy
mniejszej niż 50 MWth, > 20MWth

▪ dla domowych instalacji energetycznego
spalania i ich paliw zostaną opracowane
jednolite normy techniczne

▪ mniejsze budynki mieszkalne i
handlowe mogłyby zostać objęte
rozszerzoną dyrektywą w sprawie
energetycznej charakterystyki budynków

DYREKTYWA 2002/91/EC PARLAMENTU
EUROPEJSKIEGO I RADY EUROPY z dnia
16 grudnia 2002 r. dotycząca jakości
energetycznej budynków

4.2.1. Energia

▪

zwiększenie sprawności produkcji oraz

zużycia energii; zmniejszenie zużycia
energii

▪ 12% energii oraz 21% energii

elektrycznej z OŹE do 2010

▪ etykietowanie energii, energetyczna

efektywność budynków

▪

dyrektywy dot. kogeneracji i eko –

wzoru/konstrukcji i wymagań dla
produktów zużywających energię

STRUKTURA ZUŻYCIA ENERGII PIERWOTNEJ W LATACH 1960 - 2004

Ropa naftowa

Gaz ziemny

Węgiel

Energia wodna

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1965

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

POLSKA

Ropa naftowa

Gaz ziemny

Węgiel

Energia jądrowa

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1965

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

WĘGRY

Ropa naftowa

Gaz ziemny

Węgiel

Energia jądrowa

Energia wodna

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1965

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

NIEMCY

Ropa naftowa

Gaz ziemny

Węgiel

Energia nuklearna

Energia wodna

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1965

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

FRANCJA

European non-industrial fuel use

(Pye S. et

al.;AEAT/ED48256/Draft Final Report 2004)

2

ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII – zasoby Polski

energia wiatru 36 PJ

energia Słońca 1340 PJ

energia geotermalna około 200 PJ

hydroenergia 43 PJ

biomasa na 895 PJ (równoważność: drewno - 4 mln Mg,

słoma -12,5 mln Mg węgla)

Biogaz z wysypisk odpadów, gnojowicy i obornika

Biomasa, jej rodzaje

Materiały organiczne pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, jak też wszelkie

substancje uzyskane z transformacji surowców pochodzenia roślinnego lub

zwierzęcego.

/wg Unii Europejskiej/

Drewno odpadowe w leśnictwie i przemyśle drzewnym
- opałowe,
- kawałkowe,
- trociny,
- zrębki zieleni miejskiej itp.

Produkty uboczne i odpadowe rolnictwa i przemysłu rolno-spożywczego i

gospodarki komunalnej

- słoma,
- ziarno,
- trawy,
- wytłoczki roślin oleistych,
- gnojowica i obornik w hodowli zwierząt,
- osad ściekowy,
- biogaz,
- makulatura.

Produkcja, plantacje drzew i traw szybko rosnących, uprawy energetyczne
- wierzba Salix
- miskant olbrzymi / Miscantus giganteus /
- miskant chiński / M. sinensis /
- palczatka Gererda / Andropogon gerardi /
- proso rózgowate / Panicum vigantum
- spartina preriowa / Spartina pectinata /

ENERGETYCZNE PRZETWARZANIE

BIOMASY

PIROLIZA

ZGAZOWANIE

SPALANIE

Właściwości biomasy i węgla

Składnik

Oznaczenie Jedn.

Biomasa

Węgiel

Węgiel

C

daf

%

44 - 51

75 - 85

Wodór

H

daf

%

5,5 - 7,0

4,8 - 5,5

Tlen

O

d

daf

%

41 - 50

8,8 - 10

Azot

N

d

daf

%

0,1- 0,8

1,4 - 2,3

Siarka

S

t

d

%

0,01 - 0,9

0,3 - 1,5

Chlor

Cl

t

d

%

0,01 - 0,7

0,04 - 0,4

Części lotne

V

daf

%

65 - 80

35 - 42

Zawartość popiołu

A

d

%

1,5 - 8

5- 10

Ciepło spalania

Q

s

a

MJ/kg

16 - 20

21 - 32

Skład popiołu:

SiO

2

-

%

26,0 – 54,0

18,0 - 52,0

Al

2

O

3

-

%

1,8 – 9,5

10,7 – 34,0

CaO

-

%

6,8 – 41,7

2,9 – 25,0

Na

2

O

-

%

0,4 – 0,7

0,7 – 3,8

K

2

O

-

%

6,4 – 14,3

0,8 - 2,9

P

2

O

5

-

%

0,9 – 9,6

0,4 – 4,1

BARIERY

Właściwośi fizykochemiczne

• stosunkowo niskie i zróżnicowane ciepło spalania

(na jednostkę masy),

• duże zróżnicowanie zawartości wilgoci (do 50%)

• wysoka zawartość części lotnych - problemy w

kontrolowaniu szybkości spalania,

• „uziarnienie” - trudności w ciągłym dozowaniu

paliwa,

• duża powierzchnie składowania i trudności z

transportem,

• stabilizacja jakości.

Ekonomiczne

• Koszty pozyskiwania jednostki masy

• Koszty transportu

Techniczne

• dpowiednie technologie i rozwiązania techniczne

dla indywidualnego zużytkowania biomasy

Większość tych problemów można uniknąć poprzez

zwiększenie jej gęstości oraz technologie ko-

przetwarzania (współspalanie, kopirolizy itp.) z węglem –

„stabilizator” procesu

Spalanie i współspalanie biomasy

SPALANIE

•

Paleniska rusztowe

- komorowe z okresowym załadunkiem
- retortowe
- z ruchomym rusztem schodkowym
- komorowe okresowo zasilane belami
- zasilane w sposób ciągły rozdrobnioną słomą
- zasilane w sposób ciągły całymi belami

podawanymi automatycznie

•

Systemy dwustopniowe zgazowania-pirolizy i
następczego spalania powstającego gazu pirolitycznego
- przedpaleniska

WSPÓŁSPALANIE

• Paleniska rusztowe

• Paleniska fluidalne

• Paleniska pyłowe

3

K

Biomass

Fossil fuel

(a)

Biomasa

Paliwa kopalne

(b)

K

K

Biomass (100%)

Fossil fuel
(100%)

Biomasa 100%

Paliwa kopalne

100%

K

Biomass

Fossil fuel

PP

Flue gas

K

Biomass

Fossil fuel

RG

Gas from biomass

gasification

(a)

(b)

Biomasa

Paliwa kopalne

Biomasa

Paliwa kopalne

Spaliny

Gaz ze zgazowania

biomasy

Uproszczony schemat technologicznego

układu procesu współspalania:

(a) bezpośrednie współspalanie wstępnie

przygotowanej mieszanki; (b) współspalanie w

układzie hybrydowym, równoległym (K-kocioł)

Uproszczony schemat technologicznego układu

współspalania pośredniego z przedpaleniskiem

PP (a) lub zgazowaniem RG (b).

WSPÓŁSPALANIE

BARIERY

♦ udział wprowadzanej biomasy uzależniony od organizacji

procesu spalania

♦ konieczność wprowadzenia węzła homogenizacji mieszanki

paliwowej

ZALETY

♦ najmniejsze koszty inwestycyjne,
♦ efektywna realizacja procesu przy stosunkowo niewielkich

modyfikacjach tradycyjnych układów kotłowych spalających
węgiel,

♦ realizacja procesu zarówno w jednostkach kotłowych o mocy z

zakresu kilkuset kW do kilkuset MW

Względna ekologiczna efektywność współspalania węgla i

biomasy w porównaniu do spalania węgla WR10

100

100

100

100

100

100

100

92,5

46,3

76,5

91,9

82,6

82,4

52,8

88,5

99,8

77,8

67,6

59,7

81,1

36,6

0

20

40

60

80

100

120

Zużycie paliwa

CO

SO2

NO2

Zan.org.

16 WWA

B(a)P

[%

]

węgiel

25% biomasy

35% biomasy

0

20

40

60

80

100

120

140

Sprawność,

%

CO

SO2/10

NO2/10

TOC

16

WWA/10

B(a)P

[m

g

/m

3

n

]

w

p

rz

el

ic

ze

n

iu

n

a

6

%

O

2

węgiel

3,3% biomasy mas.

5,0% biomasy mas.

Efektywność energetyczna i emisyjna współspalania

węgla i biomasy w kotle OP-130

Względna efektywność energetyczna i emisyjna współspalania węgla i

biomasy w kotle fluidalnym

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

Sprawność

CO

S O 2

NOx

P ył

TO C

16 WWA

B(a)P

[%

]

węgiel

9,4 % biomas y (2 tes t)

9,4 % biomas y (3 tes t)

9,4 % biomas y (4 tes t)

Współspalanie węgla i biomasy w kotle

komorowym EKO C30

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

CO/10

SO2

NO2

C3

Dust

Organic

matter

PAHs*10

g

/G

J

CW-II

MSCW-II

4

Emisja zanieczyszczeń [g/GJ] z procesu spalania miału węglowego

(A) oraz mieszaniny miału i wierzby 80:20 (D) kocioł 25kW

podsuwowy (spalanie współprądowe)

0

100

200

300

400

500

600

700

pył

CO/10

TOC

16WWA/10

B(a)P, m g /GJ

VOCs (C3)

e

m

is

ja

z

a

n

ie

c

z

y

s

z

c

z

e

ń

,

[g

/G

J

]

te s t A

te s t D

Profile stężeń WWA ze spalania miału węglowego (•) oraz jego mieszaniny

z biomasą – zrębki wierzby Salix (o) , (80:20) kocioł z rusztem podsuwowym

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11+12 13 14+16 15

WWA

[m

g

/m

3

]

w

p

rz

e

lic

z

e

n

iu

n

a

1

0

%

O

2

6300

7600

Zastosowanie kotła grzewczego opalanego biomasą o mocy 65

kW w miejsce kotła węglowego takiej samej mocy spowoduje

następujące zmniejszenie emisji podstawowych zanieczyszczeń

•

tlenku węgla (CO)

1700 kg/rok

(o 90%)

•

dwutlenku siarki (SO

2

)

140 kg/rok

(o 88%)

•

tlenków azotu (NOx)

82 kg/rok

(o 62%)

•

pyłu

397 kg/rok

(o 68%)

•

zanieczyszczeń organicznych 408 kg/rok

(o 96%)

•

wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA)

47 kg/rok

(o 99%)

•

benzo(a)pirenu (B(a)P)

0,5 kg/rok

(o 99%)

Bilans emisji CO

2

jest zerowy

W obliczeniach uwzględniono okres sezonu grzewczego równy 4400

godz./rok oraz współczynnik obciążenia równy 0,4 ,a także wielkości

wskaźników emisji pochodzące z badań IChPW

Wskaźniki emisji dla urządzeń grzewczych małej mocy

zasilanych drewnem

Kubica K., et al.., Chapter of Emission Inventory Guidebook „Small Combustion

Installations”, TFEIP 2004

CO

VOC

PM (T SP)

PAHs

PCDD/F

Kotły aut.

Kotły ręczne

Piece

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

C

O

,

V

O

C

,

P

M

[

g/

G

J]

,

P

A

H

s

[m

g/

G

J]

,

P

C

D

D

/F

[

ng

/G

J]

.

PM10 emissions (2000-2020) from non-industrial SCIs by country

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

FR

PL

NO

DE

FI

SE

ES

GB

PT

IT

CZ

AT

GR

LT

LV

HU

NL

IE

DK

EE

BE

SL

SK

CH

LU

2000

2010

2020

Pye S. Jones G., Stewart R.,
Woodfield M.; Costs and
environmental effectiveness ….
AEAT/ED48256/Draft Final Report
2004

NAJLEPSZA DOSTĘPNA TECHNIKA (Best Available Technique - BAT)-

wg Dyrektywy IPPC standard BAT służyć ma określaniu granicznych

wielkości emisji dla zakładów przemysłowych w UE

• BAT - to najbardziej efektywny oraz zaawansowany poziom

rozwoju technologii i metod prowadzenia danej działalności,

jako podstawa ustalania granicznych wielkości emisyjnych,

mających na celu eliminowanie emisji lub ograniczanie emisji i

wpływu na środowisko jako całość

• „technika” oznacza zarówno stosowaną technologię, jak i

sposób

• „dostępne techniki” oznacza techniki o takim stopniu rozwoju,

który umożliwia ich praktyczne zastosowanie w danej

dziedzinie przemysłu, z uwzględnieniem warunków

ekonomicznych i technicznych oraz rachunku kosztów

inwestycyjnych i korzyści dla środowiska

• „najlepsza technika” oznacza najbardziej efektywną technikę

w osiąganiu wysokiego ogólnego poziomu ochrony środowiska

jako całości

United Nations Environment Programme UNEP/POPS/COP.1/INF/7

odnosi do SCIs

5

WNIOSKI

Bezpośrednie współspalanie

rozdrobnionej biomasy w

mieszaninie z węglem może być efektywnie realizowane
w kotłach rusztowych, pyłowych (i fluidalnych)

•

ograniczenie emisji CO

2

, SO

2

, NOx, zanieczyszczeń

organicznych

•

zmniejszenie strat niecałkowitego spalania

•

zmniejszenie zużycia węgla

Krytyczne uwarunkowania

•

udział biomasy w mieszance (wilgoć)

–

kotły rusztowe do

10% m/m

10% m/m

–

kotły pyłowe

do 5% m/m

•

homogenizacja mieszanki paliwowej

•

optymalizacja jej składu oraz właściwości, zwłaszcza
wilgoci z uwzględnieniem typu i rodzaju instalacji
energetycznej

•

zabezpieczenie stabilności dostaw; transport i
magazynowanie

KORZYŚCI

•

Ekologiczne

»

zmniejszenie emisji substancji szkodliwych dla środowiska, w tym
SO

2

, NO

x

i zanieczyszczeń organicznych, metali ciężkich,

»

redukcja emisji CO

2

, odpowiedzialnego za efekt cieplarniany

(współzależność z ilością biomasy wprowadzanej do spalania)

»

ograniczenie degradacji środowiska w wyniku wydobywania paliw
kopalnych oraz i deponowania w środowisku odpadów o charakterze
biomasy

»

ograniczenie degradacji środowiska w wyniku niezorganizowanych,
procesów bio-rozkładu deponowanej biomasy

•

Ekonomiczne i społeczne

»

oszczędzanie zasobów paliw kopalnych, nieodnawialnych

»

wykorzystanie potencjału energetycznego biomasy

»

zmniejszenie kosztu surowców energetycznych

»

stymulacja rozwoju nowoczesnych technologii

»

rozwój lokalnych rynków pracy

»

rozwój wielu sektorów gospodarki

»

poprawa warunków życia ludności

»

zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego kraju

»

realizacja międzynarodowych zobowiązań w zakresie redukcji emisji
szkodliwych substancji do atmosfery

Dziękuję za uwagę!

Biomasa lokalnym nośnikiem energii ?