Spis treści:
1. Wprowadzenie
1. Wprowadzenie
W XX wieku nastąpił silny rozwój gospodarczy. Rozkwitł przede wszystkim przemysł i transport. To sprawiło, że wzrosło gwałtownie zapotrzebowanie na energię. Szacunkowo podaje się, że zapotrzebowanie na energię w perspektywie roku 2020 może wzrosnąć dwukrotnie. Jednocześnie rozwój ten prowadzi do degradacji w środowisku naturalnym, które to skutkuje zmianami klimatycznymi.
Polska, jeśli chodzi o zasoby złóż energetycznych, jest krajem monokulturowym. Energia w elektrociepłowniach i ciepłowniach wytwarzania jest głównie z węgla kamiennego. W wyniku procesu spalania do atmosfery uwalniane są ogromne ilości dwutlenku węgla i tlenków azotu, a także powstaje problem ze składowaniem odpadów popaleniskowych. Polska nie ma znaczących złóż ropy naftowej, ani gazu. Jako kraj, jesteśmy uzależnieni od dostaw z zewnątrz. W ostatnim czasie ceny ropy naftowej biją wszelkie rekordy cenowe. W niedługiej perspektywie czasowej baryłka ropy może przekroczyć cenę 100 dolarów.
W związku z szybko rosnącymi cenami paliw kopalnych oraz z ochroną środowiska, coraz większą rolę w zaopatrzeniu energetycznym zaczyna odgrywać energetyka niekonwencjonalna, a zwłaszcza odnawialne źródła energii (OZE), np. biopaliwa, a tym samym biomasa. Biopaliwa są alternatywą dla paliw tradycyjnych. Co ważne, łatwo je dostosować do istniejących technologii. Lata doświadczeń wskazują na ich przydatność. Biomasę z powodzeniem stosuje się do opalania kotłów energetycznych, a biopaliwa płynne, takie jak bioestry i bioetanol, służą do napędzania silników spalinowych. W aspekcie środowiskowym, niewątpliwym plusem jest mniejszy negatywny wpływ na środowisko. Biopaliwa, biomasa mają zerowy bilans dwutlenku węgla. Oznacza to, że wykorzystanie tego paliwa uwalnia tyle CO2 , ile rośliny pobrały na ich wytworzenie. Paliwa stanowią dobry instrument dla rozwoju przemysłu, a także rolnictwa.
Po wejściu do Unii Europejskiej, a także poprzez podpisanie protokołu z Kioto, Polska jest zobowiązana do wprowadzenia biopaliw. W Polsce rynek ten dopiero zaczyna się kreować. Impulsem do rozwoju mają być odpowiednie ustawy i rozporządzenia, które dają liczne ulgi finansowe w produkcji paliw. Przeszkodę w rozwoju rynku stanowią jeszcze drogie technologie do wytwarzania biopaliw. W przyszłości, w miarę rozwoju tańszych technologii, a z drugiej strony drożejące paliwa konwencjonalne mogą pokazać, że produkcja takich paliw może się opłacać. Polska, tak jak i cała Unia Europejska w 2020 roku chce osiągnąć 20% energii z OZE. Czy to się uda, pokaże czas.
2. Cel i zakres pracy
Celem pracy jest przedstawienie sytuacji bieżącej i rozwoju rynku biopaliw w Polsce i Unii Europejskiej. W pracy skupiono się przede wszystkim na biopaliwach płynnych i biomasie. Rozdział 3 pracy przedstawia ogólny podział na paliwa konwencjonalne i alternatywne. Rozdział 4 zawiera dokładny opis paliw odnawialnych z uwzględnieniem technologii ich przetwarzania. Rozdziały 5 i 6 prezentują działania polityczne skierowane na rozwój rynku. Przedstawiono strategię unijną na rzecz biopaliw, mechanizmy wsparcia oraz rozwiązania ustawowe. Rozdział 7 wskazuje obecną sytuację dotyczącą biopaliw w Polsce i w wybranych krajach Unii Europejskiej oraz ich porównanie. Rozdział 8 - to perspektywy na przyszłość, szanse i zagrożenia rozwoju, a także prognozy do 2020 roku. Rozdział 9 pokazuje możliwości wykorzystania biomasy w energetyce, najnowsze czyste technologie spalania, ze szczególnym uwzględnieniem współspalania biomasy z węglem, a także przykładowe rozwiązania technologiczne w tej dziedzinie.
3. Konwencjonalne i alternatywne źródła energii
Podstawą rozwoju przemysłu jest energetyka, która wytwarza, gromadzi, przetwarza i wykorzystuje energię niezbędną do uruchomienia i wykonywania pracy wszechstronnych maszyn, urządzeń, automatów w procesie produkcji oraz w gospodarstwach domowych. Można różnie definiować energię, ale zawsze trzeba uwzględniać to, że jest ona czynnikiem warunkującym wszelkie działania, i umożliwia przekształcenie zasobów naturalnych w dobra i przedmioty użytkowe, służące zarówno poszczególnym ludziom, jak i całemu społeczeństwu.
Źródła energii dzielą się na:
odnawialne,
nieodnawialne.
Wyróżniamy także inne kryterium podziału źródeł energii:
konwencjonalne,
alternatywne.
Energia elektryczna wytwarzana jest z paliw kopalnych, do których zalicza się węgiel, ropę naftową, gaz bądź uran lub poprzez konwersję energii słońca, wiatru albo wody. Elektryczność z kolei bardzo łatwo zmienić na inne formy energii, jak ciepło czy światło. Obecnie elektryczność jest bardzo dużym nośnikiem energii. Dlatego stosuje się urządzenia elektryczne, takie jak prądnice, generatory czy różnego rodzaju silniki.
Globalne zapotrzebowanie na energię zależy od wielu czynników, spośród których do najważniejszych należy zaliczyć: tempo rozwoju gospodarczego poszczególnych krajów, wzrost liczby ludności, ewolucję struktur społecznych, postęp techniczny w zakresie stosowania urządzeń i tworzenia nowych rozwiązań technicznych. Przemysł energetyczny stanowi główną gałąź gospodarki kraju, ponieważ z energii elektrycznej korzystają w coraz większym stopniu wszystkie inne działy gospodarki narodowej. Współczesny postęp techniczny odznacza się elektryfikacją stosowanych urządzeń napędowych, procesami automatyzacji, powszechnym zastosowaniem elektroniki, wzrostem potrzeb oświetleniowych itp. Zwiększone użycie energii elektrycznej jest wywołane także pełniejszą elektryfikacją rolnictwa i wzrostem wyposażenia gospodarstw domowych w odbiorniki elektryczne, substytucją gazu w nich, ogrzewaniem elektrycznym oraz zastępowaniem paliw ciekłych energią elektryczną w transporcie.
Zwiększone zapotrzebowanie na energię elektryczną wynika także z zalet tego nośnika energii. Do takich zalet można zaliczyć:
łatwość przemiany w inne formy energii, czyli w energię cieplną, świetlną i mechaniczną,
znakomitą podzielność i możliwość płynnej regulacji parametrów energii elektrycznej;
łatwość błyskawicznego przesyłania na duże odległości, co umożliwia wykorzystanie odległych od miejsc zapotrzebowania zasobów surowców energetycznych,
ponoszenie małych strat w porównaniu z innymi postaciami energii w trakcie ich przesyłania.
Tak szerokie zastosowanie jakie znalazła energia elektryczna sprawiło, że powstało wiele metod jej pozyskiwania, począwszy od tradycyjnych, a skończywszy na niekonwencjonalnych [54].
3.1 Źródła nieodnawialne
Nieodnawialne źródła energii to wszelkie źródła energii, które nie odnawiają się w krótkim okresie. Ich wykorzystanie jest znacznie szybsze niż uzupełnianie zasobów. Do chwili obecnej większość wytwarzanej na świecie energii pochodzi ze źródeł nieodnawialnych. Poniższych tablicach 1 i 2 oraz na rys.1,2,3 przedstawiono wydobycie i zużycie podstawowych nośników energii. Również Polska jako nieliczny kraj korzysta prawie wyłącznie z nieodnawialnych źródeł energii, a w szczególności węgla.
Rys.1. Zasoby podstawowych nośników energii [11]
Rys.2. Zużycie poszczególnych nośników energii do wytwarzania elektryczności [9]
Rys.3. Zużycie paliw w motoryzacji w przyszłości [9]
Tablica1. Prognozy dotyczące struktury zużycia energii w ramach założeń polityki energetycznej rządu polskiego [27]
|
1997 |
2005 |
2010 |
2020 |
Zużycie ogółem [Mtoe] |
107,5 |
106,4 |
109,1 |
116,2 |
Węgiel kamienny [mln ton] |
104,5 |
91,3 |
84,3 |
81,9 |
Węgiel brunatny [mln ton] |
65,4 |
66,8 |
67,4 |
65,6 |
Ropa naftowa [mln ton] |
18,6 |
20,2 |
20,4 |
22,3 |
Gaz ziemny [mld m3] |
12.0 |
17,9 |
22,0 |
29,3 |
Energia jądrowa [Mtoe] |
0,0 |
0,0 |
0,0 |
? |
Energia odnawialna [Mtoe] |
5,5 |
5,5 |
6,0 |
7,1 |
1 Mtoe - 2.388 x 10-5 TJ
Tablica 2. Procentowy udział nośników energii w wytwarzaniu energii w latach 1980-2001 [27]
Nośniki energii (procentowy udział w wytwarzaniu energii ogółem) |
Lata |
||||
|
1980 |
1990 |
1995 |
2000 |
2001 |
Węgiel kamienny |
73,3 |
63,9 |
60,2 |
50,9 |
49,3 |
Węgiel brunatny |
5,4 |
13,4 |
12,9 |
13,3 |
13,0 |
Ropa naftowa |
13,1 |
12,6 |
13,5 |
20,2 |
19,6 |
Gaz ziemny |
7,0 |
8,8 |
9,1 |
10,9 |
12,0 |
Energia odnawialna |
1,2 |
1,3 |
4,3 |
4,7 |
6,1 |
Rys.4. Ośrodki wydobycia surowców mineralnych w Polsce [2]
3.1.1 Węgiel
Tworzenie węgla jest długotrwałe. Torf po długim czasie zmienia się w węgiel brunatny. Ten z kolei zmienia się w węgiel kamienny. Antracyt, najtwardsza i najczystsza kopalna odmiana węgla powstaje ze zwykłego węgla kamiennego po kilku milionach lat.
Przez wieki popularność węgla jako paliwa rosła szybko. Lecz miękkie, łatwo dostępne gatunki węgla miały tę niedogodność, że podczas spalania wydzielały wielkie ilości zanieczyszczeń w postaci dymu i sadzy. Zużycie węgla wzrosło gwałtownie w XVIII wieku w następstwie rewolucji przemysłowej. Początkowo używano go jako paliwa do silników parowych. Wykorzystywany był jako surowiec do wytwarzania koksu, materiału użytecznego w metalurgii oraz wykorzystywanego jako paliwo.
Najczęstsze stosowane rodzaje węgla to:
Koks - produkowany jest w procesie suchej destylacji węgla. Proces polega na prażeniu węgla bez dostępu tlenu celem usunięcia zawartego w nim gazu i smoły. Powstający w tym procesie gaz koksowniczy jest cennym, wysokokalorycznym paliwem. Cennym surowcem jest także smoła wykorzystywana szeroko w różnych gałęziach przemysłu;
Węgiel kamienny - jest paliwem kopalnym, zalegającym na różnych głębokościach, ma zróżnicowaną strukturę i różną wartość kaloryczną, co rzutuje na koszty jego wydobycia i opłacalność eksploatacji. 60% światowego wydobycia węgla spalanych jest w elektrowniach, 25% przetwarzanych w koksowniach, a 15% zużywają pozostałe gałęzie przemysłu oraz ludność. Największe zagłębia węgla kamiennego znajdują się w Chinach, Stanach Zjednoczonych, Indiach, Rosji i Australii;
Węgiel brunatny - jest paliwem kopalnym. Jego wartość kaloryczna jest niższa od wartości węgla kamiennego, ponieważ jest węglem młodszym od kamiennego, a eksploatacja odbywa się przeważnie metodą odkrywkową, która bardzo niszczy środowisko naturalne. Węgiel ten nie nadaje się do odległego transportu ze względu na dużą zawartość wody i kruchość;
3.1.2 Ropa naftowa
Jest surowcem kopalnym, a głównym jej składnikiem są węglowodory. Zbierająca się w porowatych skałach pod powierzchnią ziemi ropa naftowa nazywana bywała dawniej olejem skalnym. W normalnych warunkach ponad złożem ropy tworzy się warstwa zawierająca gaz ziemny. W pewnych warunkach ropa naftowa przesiąka do powierzchni ziemi, gdzie jej bardziej lotne frakcje odparowują , pozostawiając oleiste , na wpół stałe substancje jak np. asfalt.
Do połowy XIX w. ropa miała bardzo nieliczne zastosowania. W latach dziewięćdziesiątych XIX wieku znaczenie ropy wzrosło, gdyż stała się ona surowcem do produkcji paliw silników spalinowych. Wiele różnych substancji, włączając w to benzynę i naftę, otrzymuje się z ropy naftowej w trakcie procesu destylacji frakcjalnej, czyli retyfikacji. Największe złoża leżą w Rosji, Stanach Zjednoczonych, Afryce.
3.1.3 Gaz ziemny
Jest to najbardziej ekologiczne paliwo, wygodne w przesyłaniu i dystrybucji. Należy do paliw kopalnych, występuje w porowatych skałach osadowych. Jest pozyskiwane techniką otworowego wydobycia.
Zawartość składników jest zmienna i zależy od miejsca wydobycia, jednak głównym składnikiem stanowiącym ponad 90% gazu ziemnego jest zawsze metan. Oprócz niego mogą występować niewielkie ilości etanu, propanu, butanu i innych związków organicznych i mineralnych. Największym producentem gazu ziemnego w Europie Północnej jest Norwegia, która bogaci się dzięki złożom pod dnem Morza Norweskiego oraz Północnego. Zapewniają one stałe dochody oraz bezpieczeństwo energetyczne temu nordyckiemu państwu.
W światowym wydobyciu gazu ziemnego, wynoszącym w 2001 r. ok. 100 000 PJ (3,3 bln m3) przodowały: Rosja, USA, Kanada, Algieria, Iran, Holandia, Norwegia. W tablicy 3 przedstawiono udział procentowy w wydobyciu największych potentatów [53].
Tablica 3. Główni producenci surowców energetycznych w procentach produkcji światowej [17]
Lp |
Ropa naftowa |
|
Gaz ziemny |
Węgiel kam. |
Węgiel brunatny |
Uran |
||
1. |
Arabia Saud. |
12.5% |
Rosja 25,3% |
Chiny |
36.5% |
Niemcy |
21.5% |
Kanada 33.5% |
2. |
USA |
10.3% |
USA 22.9% |
USA |
23.1% |
Rosja |
10.2% |
Australia 14.3% |
3. |
Rosja |
9.7% |
Kanada 7.2% |
Indie |
7.4% |
USA |
8.3% |
Niger 9.5% |
4. |
Iran |
5.9% |
W.Bryt.. 3.8% |
RPA |
5.3% |
Polska |
6.9% |
Kazachstan 7.4% |
5. |
Chiny |
5.0% |
Indonezja 3.3% |
Rosja |
4.4% |
Czechy |
6.9% |
Uzbekistan 7.4% |
3.2 Odnawialne źródła energii
Perspektywy wyczerpania się zapasów paliw kopalnych oraz obawy o stan środowiska naturalnego człowieka znacznie zwiększyły zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii w latach dziewięćdziesiątych i w konsekwencji doprowadziły do dużego wzrostu ich zastosowań w kilku krajach. Od roku 1990 ilość energii (ciepła i energii elektrycznej) wytwarzanej z energii promieniowania słonecznego wzrosła ponad dwukrotnie, a z energii wiatru czterokrotnie. Po podpisaniu Protokołu z Kioto w grudniu 1997 roku odnawialne źródła energii weszły w nowy i ważny etap rozwoju.
Technologie odnawialnych źródeł energii rozwinęły się już do takiego stopnia, że mogą konkurować z konwencjonalnymi systemami energetycznymi. Odnawialne źródła energii są źródłami lokalnymi, dlatego też mogą zwiększyć poziom bezpieczeństwa energetycznego zmniejszając eksport paliw kopalnych, stworzyć nowe miejsca pracy, szczególnie w małych i średnich przedsiębiorstwach, promować rozwój regionalny. Modułowy charakter większości technologii odnawialnych źródeł energii pozwala na ich stopniowe rozszerzanie w miarę potrzeb, co ułatwia ich finansowanie. Pamiętać należy również o olbrzymich korzyściach dla środowiska naturalnego człowieka płynących ze stosowania tych technologii [41].
3.2.1 Energia słoneczna
Słońce jest podstawowym źródłem energii dla Ziemi. Przed milionami lat energia słońca docierająca do ziemi została uwięziona w węglu, ropie naftowej, gazie ziemnym itp. Również słońcu zawdzięczamy energię jaką niesie ze sobą wiatr czy fale morskie. Można także bezpośrednio wykorzystywać energię słoneczną poprzez zastosowanie specjalnych systemów do pozyskiwania i akumulowania energii słonecznej. Promieniowanie słoneczne jest to strumień energii emitowany przez Słońce równomiernie we wszystkich kierunkach. Gęstość strumienia energii promieniowania słonecznego na powierzchni stratosfery wynosi 1,4 kW/m2. W promieniowaniu słonecznym docierającym do powierzchni Ziemi wyróżnia się następujące składniki promieniowania:
bezpośrednie - pochodzące od widocznej tarczy słonecznej,
rozproszone - powstaje w wyniku wielokrotnego załamania w atmosferze,
odbite - skutek odbić od elementów krajobrazu i otoczenia.
W Polsce istnieją dobre warunki do wykorzystania energii promieniowania słonecznego. Systemy i właściwości urządzeń wykorzystujących tę energię muszą być dostosowane do charakteru, struktury i rozkładu promieniowania słonecznego. Największe szanse rozwoju w krótkim okresie mają technologie konwersji termicznej energii promieniowania słonecznego, oparte na wykorzystaniu kolektorów słonecznych. Ze względu na wysoki udział promieniowania rozproszonego w całkowitym promieniowaniu słonecznym, praktycznego znaczenia w naszych warunkach nie mają słoneczne technologie wysokotemperaturowe oparte na koncentratorach promieniowania słonecznego.
Rys. 5. Schemat wykorzystania energii promieniowania słonecznego do ogrzewania domu [47]
W nowych typach kolektorów słonecznych czynnikami transportującymi energię cieplną z powierzchni absorbera są woda, powietrze i glikol. O przydatności tych czynników zadecydowały w przypadku wody- duża pojemność cieplna, nietoksyczność, dostępność; w przypadku powietrza- mały ciężar właściwy, możliwość pracy w niskich temperaturach; w przypadku glikolu- możliwość pracy w niskich temperaturach gdyż czynnik ten nie zamarza. Mechanizm transportu ciepła może się opierać na przemianach fazowych: kondensacji, wrzeniu, zamarzaniu, topnieniu lub rozpuszczaniu [21].
Z punktu widzenia wykorzystania energii promieniowania słonecznego w kolektorach płaskich najistotniejszymi parametrami są roczne wartości nasłonecznienia (insolacji) - wyrażające ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni płaszczyzny w określonym czasie. Na rys. 4 i tab. 7 pokazano rozkład sum nasłonecznienia na jednostkę powierzchni poziomej wg Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej dla wskazanych rejonów kraju.
Rys. 6. Rejonizacja średniorocznych sum promieniowania słonecznego całkowitego padającego na jednostkę powierzchni poziomej w kWh/m2/rok [12]
Warunki meteorologiczne w Polsce charakteryzują się bardzo nierównym rozkładem promieniowania słonecznego w cyklu rocznym. Około 80% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na sześć miesięcy sezonu wiosenno-letniego, od początku kwietnia do końca września, przy czym czas operacji słonecznej w lecie wydłuża się do 16 godz./dzień, natomiast w zimie skraca się do 8 godzin dziennie.
Tablica 7. Potencjalna energia użyteczna w kWh/m2/rok w wyróżnionych rejonach Polski [37]
Rejon |
Rok |
Półrocze letnie |
Sezon letni |
Półrocze zimowe |
Pas nadmorski |
1076 |
881 |
497 |
195 |
Wschodnia część Polski |
1081 |
821 |
461 |
260 |
Centralna część Polski |
985 |
785 |
449 |
200 |
Zachodnia Polska z górnym dorzeczem Odry |
985 |
785 |
438 |
204 |
Południowa część polski |
962 |
682 |
373 |
280 |
Południowo-zachodnia część polski |
950 |
712 |
393 |
238 |
Innym parametrem, decydującym o możliwościach wykorzystania energii promieniowania słonecznego w kolektorach są średnioroczne sumy promieniowania słonecznego. Przedstawiono je na rysunku poniżej, podając wartości godzin usłonecznienia (ilości godzin czasu trwania promieniowania słonecznego w ciągu roku) dla reprezentatywnych rejonów Polski wg IMGiW
Rys. 7. Średnioroczne sumy usłonecznienia, godz./rok dla reprezentatywnych rejonów Polski [12]
Według ocen ekspertów, potencjał ekonomiczny kolektorów słonecznych w Polsce do produkcji ciepłej wody użytkowej wynosi 24 PJ. Natomiast potencjał kolektorów słonecznych do suszenia płodów rolnych sięga 21 PJ. Wielkość promieniowania słonecznego, która może być wykorzystywana przez kolektor jest znacznie mniejsza. Całkowite promieniowanie słoneczne które dociera ze Słońca do Ziemi wynosi 0,7 kW/m2. Przyczyną tego są straty przesyłanej energii powstałe w wyniku:
rozproszenia,
pochłaniania,
strat na kolektorze [37].
3.2.2 Energia wiatru
Wiatr jest zjawiskiem powszechnym i wykorzystywanym przez ludzi na ich użytek już od tysięcy lat. Przed pojawieniem się maszyn parowych był głównym motorem rozwoju przemysłowego. Szacuje się, że globalny potencjał energii wiatru jest równy obecnemu całkowitemu zapotrzebowaniu na energię elektryczną.
Prędkość wiatru, a więc i energia jaką można z niego czerpać, ulega zmianom dziennym, miesięcznym i sezonowym. Zarówno w cyklu dobowym jak i sezonowym obserwuje się korzystną zbieżność miedzy prędkością wiatru a zapotrzebowaniem na energię. Pozwala to na częściowe wypieranie z sieci energetycznej mocy tradycyjnych elektrowni, co przekłada się na redukcję emisji spalin. Jednak aby ten efekt stał się odczuwalny łączna moc zainstalowana elektrowni wiatrowych powinna być mierzona przynajmniej setkami megawatów. Moc zainstalowana w energetyce wiatrowej w Polsce w 2007 roku to ~280 MW [51].
Wiatr jest czystym źródłem energii, nie emitującym żadnych zanieczyszczeń. W korzystnych warunkach wiatrowych cena jednostkowa energii pochodzącej z tego źródła może być i często jest niższa od ceny energii z konwencjonalnych elektrowni cieplnych. Postępujący rozwój technologii elektrowni wiatrowych powoduje dalszy spadek kosztów energii i czyni sektor energetyki wiatrowej jeszcze bardziej atrakcyjnym dla inwestorów.
Rys. 8. Budowa elektrowni wiatrowej [52]
1) kontroler 2) siłownik mechanizmu przestawiania łopat 3) główny wał 4) chłodnica oleju 5) skrzynia przekładniowa 6) wieloprocesorowy układ sterowania 7) hamulec postojowy 8) dźwig dla obsługi 9) transformator 10) piasta łopaty 11) łożysko łopaty 12) łopata 13) układ hamowania wirnika 14) układ hydrauliczny 15) tarcza hydraulicznego układu hamowania wirnika 16) pierścień układu kierunkowania 17) fundament 18) koła zębate układu kierunkowania 19) generator 20) chłodnica generatora powłok przymocowanych do belki nośnej.
Rysunek 8 przedstawia budowę siłowni wiatrowej. Najważniejszym elementem siłowni wiatrowej jest wirnik przekształcający energię wiatru w energię mechaniczną przekazywaną do generatora. Zazwyczaj wykonuje się wirniki trójpłatowe.
Rys. 9. Energia wiatru w m2/rok [22]
3.2.3 Energia wody
Wykorzystywana energia mechaniczna płynącej wody może być sposobem do wytwarzania energii elektrycznej. Można ją także wykorzystywać bezpośrednio do napędu maszyn - istnieje wiele rozwiązań, w których płynąca woda napędza turbinę lub koło wodne. Turbina natomiast dzięki przekładni napędza generator.
Do zalet MEW można zaliczyć to, że nie zanieczyszczają środowiska i mogą być instalowane w licznych miejscach na małych ciekach wodnych, mogą być zaprojektowane i wybudowane w krótkim czasie, oraz to że są proste w budowie i niezawodne. Przykładową budowę pokazano na rys.10.
Najczęściej jest stosowany następujący podział małych elektrowni wodnych:
mikroenergetyka wodna, do której zalicza się obiekty o mocy zainstalowanej do 50 kW,
minienergetyka wodna obejmująca obiekty o mocy 50 kW do 1 MW,
mała energetyka wodna, z mocą zainstalowaną od 1 MW do 15 MW.
Elektrownie te dzieli się ponadto w zależności od wysokości spadu na trzy kategorie:
niskospadowe 2-20 m,
średniospadowe 20-150 m,
wysokospadowe powyżej 150 m,
MEW mogą wykorzystywać potencjał niewielkich rzek, rolniczych zbiorników retencyjnych, systemów nawadniających, wodociągowych, kanalizacyjnych, kanałów przerzutowych. Konstrukcja urządzeń hydrotechnicznych w MEW jest zawsze nieskomplikowana. Również budynki małych elektrowni mają niewielkie gabaryty. Całość wyglądem niczym nie różni się od zwykłych budynków gospodarczych.
Rys. 10. Schemat działania elektrowni wodnej [36]
3.2.4 Energia z biomasy
Biopaliwa, ze względu na stan skupienia podzielić można na stałe, płynne oraz biogaz występujący w postaci gazowej. Biopaliwa stałe używane mogą być na cele energetyczne w procesach bezpośredniego spalania, gazyfikacji oraz pyrolizy w postaci:
drewna i odpadów drzewnych (w tym zrębków z szybko-rosnących gatunków drzewiastych tj.: wierzba, topola),
słomy jak i ziarna (zbóż, rzepaku),
słomy upraw specjalnych roślin energetycznych osadów ściekowych,
makulatury,
szeregu innych odpadów roślinnych powstających na etapach uprawy i pozyskania jak też przetwarzania przemysłowego produktów (siana, ostatek kukurydzy, trzciny cukrowej i bagiennej, łusek oliwek, korzeni, pozostałości przerobu owoców itp.).
Różnorodność materiału wyjściowego i konieczność dostosowania technologii oraz mocy powoduje, iż biopaliwa wykorzystywane są w rożnej postaci. Drewno w postaci kawałkowej, rozdrobnionej (zrębków, ścinków, wiórów, trocin, pyłu drzewnego) oraz skompaktowanej (brykietów, pelet). Słoma i pozostałe biopaliwa z roślin nie-zdrewniałych są wykorzystywane w postaci sprasowanych kostek i balotów, sieczki jak też brykietów i pelet.
Do zalet można biomasy zaliczyć:
wytworzenie energii tanim kosztem,
redukcję opłat za korzystanie ze środowiska,
efektywne zagospodarowanie bioodpadów (bez konieczności ich utylizacji),
możliwość uzyskania pomocy finansowej z funduszy ekologicznych.
Korzyści globalne wiążą się z obniżeniem ujemnego wpływu na środowisko wynikającego z zastosowania paliw kopalnych. Stanowi to szansę zwiększenia przychodów dla rolnictwa, gospodarki leśnej czy sadownictwa oraz stworzenia nowych miejsc pracy w sektorze pozyskiwania i przygotowania biopaliw. W warunkach polskich, w najbliższej perspektywie można spodziewać się, znacznego wzrostu zainteresowania, wykorzystaniem biopaliw z drewna i słomy. Wykorzystanie osadów ściekowych i makulatury jest marginalne. Naturalnym kierunkiem rozwoju wykorzystania biopaliw z drewna i słomy jest i będzie produkcja energii cieplnej. W dłuższej perspektywie przewiduje się wykorzystanie biopaliw stałych w instalacjach kogeneracji ciepła i elektryczności (wytwarzania ciepła i elektryczności w skojarzeniu) [46].
3.2.5 Energia geotermalna
Energia geotermalna jest wewnętrznym ciepłem Ziemi nagromadzonym w skałach oraz w wodach wypełniających pory i szczeliny skalne. Jeżeli spojrzeć na Ziemię jako glob, to ogromna ilość ciepła nagromadzona jest w jądrze i w skorupie ziemskiej. W jądrze temperatura dochodzi do 4000÷4500° C, a pod skorupą ziemską do 1000 °C. Zachodzi nieustający przepływ ciepła od wnętrza Ziemi do górnych warstw skorupy i na powierzchnię Ziemi. Rysunek 11 przedstawia rozkład temperatur w przekroju Ziemi
Rys. 11. Przekrój Ziemi [40]
W skorupie ziemskiej występuje kilka rodzajów energii geotermalnej. Jest to energia magmy i energia geociśnień, energia gorących suchych skał, i energia geotermalna nagromadzona w wodach podziemnych. Energia zawarta w wodach i parach geotermalnych posiada bardzo wiele zastosowań. Należą do nich:
wytwarzanie prądu elektrycznego przy wykorzystaniu par geotermalnych
zastosowania bezpośrednie - obejmujące wykorzystywanie wód i par geotermalnych w szerokim zakresie temperatur i do różnorodnych celów. Najbardziej powszechne jest ich stosowanie do centralnego ogrzewania, klimatyzacji, w rolnictwie, a także w hodowli zwierząt, w przemyśle spożywczym, do suszenia produktów rolniczych i przemysłowych, w rekreacji i lecznictwie.
Polska należy do państw posiadających duże zasoby energii geotermalnej o niskiej entalpii (czyli zasoby wód geotermalnych). W opinii naukowców i specjalistów, energia geotermalna powinna być traktowana jako jedno z głównych odnawialnych źródeł energii w naszym kraju. Zasoby wód geotermalnych można spotkać w skałach budujących przeważającą część naszego kraju. Do praktycznego zagospodarowania nadają się obecnie wody występujące na głębokościach do 3÷4 km. Temperatury wód w złożach osiągają 20÷130°C.
4. Podział biopaliw, charakterystyka i sposób ich przetwarzania
Biopaliwa, ze względu na stan skupienia podzielić można na stałe, płynne oraz biogaz. Biopaliwa stałe używane mogą być na cele energetyczne w procesach bezpośredniego spalania, gazyfikacji oraz pirolizy. Największe możliwości wykorzystania w Polsce mają w tej chwili biopaliwa stałe i płynne. Są to między innymi: odpadki drzewne, zrębki z szybkorosnących roślin drzewiastych (np. wierzba energetyczna), słoma i inne odpady z produkcji roślinnej a także osady ściekowe oraz olej rzepakowy i etanol.
Wykorzystanie biopaliw ma bardzo duże znaczenie ekologiczne, ekonomiczne i społeczne, gdyż wytwarza się tu energię tanim kosztem, utylizując jednocześnie odpady. Tworzenie lokalnych ciepłowni, biogazowni, czy tez elektrowni wykorzystujących biopaliwa, przyczynia się do tworzenia nowych miejsc pracy i rozwoju badań naukowych.
Coraz popularniejsze jest wykorzystanie technologii stosowanych do produkcji energii ze spalania węgla kamiennego i brunatnego do produkcji energii z biomasy. Wiąże się to z koniecznością spełnienia coraz ostrzejszych norm emisji związków siarki. Jednym ze sposobów na osiągniecie niższej emisji tych związków jest mieszanie węgla z granulatem biomasy i współspalanie.
Wykorzystanie biopaliw jest również dużą szansa dla sektora rolnictwa, gdyż oprócz wykorzystywania do produkcji energii materiałów odpadowych, coraz bardziej popularne są tzw. uprawy energetyczne. Takim kierunkiem rozwoju rolnictwa są uprawy rzepaku który przeznaczony jest do produkcji paliw płynnych , którym to napędzane są silniki wysokoprężne, uprawy roślin do produkcji alkoholu etylowego czy tez uprawy drzewiastych roślin szybkorosnących przeznaczonych do spalania w kotłach do produkcji energii cieplnej. Tak więc możliwości wykorzystania są wszechstronne [38].
4.1 Technologie wykorzystania biopaliw
Istnieje wiele nowoczesnych technologii wykorzystania biomasy oraz biopaliw. W warunkach polskich technologie wykorzystujące biomasę nadal będą stanowić podstawowy kierunek rozwoju odnawialnych źródeł energii. Najważniejsze technologie, które z powodzeniem mogą być wykorzystywane przedstawiono w dalszej części.
4.1.1 Spalanie
Wykorzystywane zarówno do produkcji energii cieplnej, jak i do wytwarzania energii elektrycznej spalanie jest najbardziej rozpowszechnioną i zarazem najprostszą formą pozyskiwania energii z biomasy. Biomasa występuje we wszystkich stanach skupienia. Spalanie biomasy może tu odbywać się w:
sposób bezpośredni - w paleniskach otwartych (ogniska) lub zamkniętych (piece, kotły),
przy wstępnej gazyfikacji w odrębnych gazyfikatorach, a następnie poprzez spalanie otrzymanego w ten sposób gazu palnego np. w kotłach lub zasianie nim silników spalinowych.
Przyładowo efektywne i spełniające normy ochrony środowiska spalanie drewna powinno przebiegać w trzech fazach:
suszenia i odgazowania materiału drzewnego, w wyniku czego powstaje gaz drzewny,
spalania gazu drzewnego w temperaturze 1200 ºC,
dopalania gazu i oddawania ciepła w wymienniku.
Rys. 12. Widok kotła z podajnikiem na biomasę [34]
Wysoka temperatura, dostęp tlenu i odpowiednio długi czas spalania pozwalają utrzymać niski poziom emisji tlenku węgla (CO) i węglowodorów. Poza tym w popiele pozostaje niewielka ilość niedopalonego węgla. Do ekologicznego, efektywnego spalania biomasy w celu pozyskiwania energii służą specjalnie skonstruowane kotły, wyposażone w komory spalania ze stałymi bądź ruchomymi rusztami i charakteryzujące się zwiększoną powierzchnią wymiany ciepła.
Bezpośrednie spalanie biomasy z opłacalną sprawnością energetyczną wymaga jednak zastosowania odpowiednich rozwiązań technicznych instalacji energetycznych, które muszą być przystosowane do spalania takich surowców. W tej chwili jest wiele urządzeń grzewczych o mocy kilkunastu kW do nawet 2 MW, które są przystosowane do spalania biomasy. Urządzenia te jednak są drogie. Zastępowanie węgla biomasą jako paliwem jest jednakże korzystne i opłacalne. Przykładowo pod względem energetycznym 2 tony biomasy są równe 1 tonie węgla kamiennego. Do aspektów ekologicznych należy mniejsza emisja zanieczyszczeń do atmosfery oraz zerowy bilans emisji dwutlenku węgla (tyle jest emitowane do atmosfery, ile rośliny pobierają w procesie fotosyntezy). Ze względu na znikomą ilość siarki w biomasie, zastępowanie nią węgla wpływa korzystnie na obniżenie emisji dwutlenku siarki, przez co częściowo rozwiązuje się problem odsiarczania spalin.
Współspalanie biomasy w mieszaninie z węglem może być efektywnie realizowane zarówno w kotłach małej mocy stosowanych o ogrzewnictwie indywidualnym, jak i również w energetyce w kotłach rusztowych, pyłowych, a przede wszystkim we fluidalnych. Warunkiem tu jest zoptymalizowanie udziału biomasy w mieszance. To gwarantuje opłacalność pod względem efektywności ekonomicznej jak i ekologicznej.
4.1.2 Gazyfikacja
Gazyfikacja jest zachodzącym w wysokiej temperaturze procesem konwersji termochemicznej. Jej produktem jest gaz, który po spaleniu dostarcza energii cieplnej. Poza wytwarzaniem ciepła, gaz ten może być wykorzystywany także w kuchenkach gazowych oraz w turbinach, służących do produkcji elektryczności i maszynach, wykonujących pracę mechaniczną. Proces gazyfikacji polega na częściowym spaleniu biomasy w temperaturze około 1200÷1400 ºC w warunkach ograniczonego dostępu powietrza bądź tlenu. Jedną z zalet tej technologii jest jej wysoka efektywność, podczas gdy małe i średnie urządzenia wykorzystywane do spalania osiągają efektywność rzędu 15÷20%, efektywność urządzeń służących do gazyfikacji w najnowszych technologiach wynosi około 35%, a w niedalekiej przyszłości sięgnie 45÷50% [34].
4.1.3 Piroliza
Będąca wstępem do procesów spalania i gazyfikacji piroliza to technologia, która w porównaniu ze spalaniem i gazyfikacją znajduje się dopiero we wczesnym stadium rozwoju. Jej produktem jest ciekłe biopaliwo zwane bioolejem lub olejem pirolitycznym, będące złożoną miksturą utlenionych węglowodorów. Zaletą pirolizy jest większa niż w przypadku spalania i gazyfikacji łatwość transportowania produktu wyjściowego, pozwalająca znacznie ograniczyć koszty transportu. Piroliza jest złożonym procesem, a właściwości jej produktu zależą od wysokości temperatury, od tego jak długo poddawano materiał jej działaniu, od obecności wody, tlenu i gazów, a także od cech poddanego pirolizie surowca.
Rys. 13. Paliwo energetyczne otrzymane w wyniku pirolizy [34]
4.1.4 Kogeneracja
Kogeneracja czyli produkcja energii w skojarzeniu to wytwarzanie energii cieplnej i elektrycznej, powoduje mniejsze zużycie paliwa i mniejszą emisję substancji szkodliwych niż proces oddzielnej produkcji elektryczności i ciepła. W układach skojarzonych wskaźnik wykorzystania energii chemicznej paliwa wynosi nawet 80÷90%, co jest możliwe dzięki odzyskiwaniu wysokiej jakości ciepła ze spalin. Kogeneracja jest więc korzystna zarówno ze względów termodynamicznych, jak i z ekonomicznego czy ekologicznego punktu widzenia.
Produkcję energii w skojarzeniu można stosować wszędzie tam, gdzie równocześnie występuje zapotrzebowanie na energię cieplną i elektryczną. Rodzaj zastosowanej technologii zależy przy tym od rodzaju wybranego paliwa: na przykład dla systemów, które w charakterze paliwa wykorzystują słomę, najodpowiedniejsza jest elektrociepłownia z turbiną parową, bądź też - przy mniejszych wartościach mocy elektrycznej - z silnikiem parowym. Podstawowe elementy układu, opartego na słomie to kocioł parowy z podgrzewaczem pary, turbina parowa i generator energii elektrycznej. Rozdrobnione w systemie obróbki wstępnej paliwo podawane jest najpierw do śluzy ogniowej, a następnie podajnikiem ślimakowym na ruszt schodkowy, gdzie następuje spalanie. Para, która podczas spalania powstaje w kotle, jest dostarczana do turbiny parowej. Ostatni element systemu skojarzonego to podłączony do sieci przemysłowej generator [34].
4.1.5 Procesy biochemiczne
Niektóre formy biomasy zawierają zbyt dużo wody, by można było skutecznie poddawać je spalaniu. Ich wykorzystanie na cele energetyczne jest jednak możliwe dzięki procesom biochemicznym. Przykładem takiego procesu chemicznego jest fermentacja. Fermentacja alkoholowa to proces rozkładu węglowodanów, zachodzący po dodaniu drożdży do takich surowców, jak zboże, winogrona czy buraki cukrowe i zapewnieniu temu materiałowi warunków beztlenowych. Produktem tego rodzaju fermentacji jest alkohol. W procesie fermentacji alkoholowej powstaje najpopularniejsze biopaliwo płynne - bioetanol, stanowiący 90% wszystkich stosowanych biopaliw ciekłych. Bioetanol wykorzystuje się najczęściej w charakterze domieszki do benzyny, stanowiącej od 5 do 10% paliwa, jest on jednak stosowany również jako samodzielne paliwo.
Fermentacja metanowa, to następujący przy ograniczonym dostępie tlenu proces rozkładu wielkocząsteczkowych substancji organicznych (głównie węglowodanów, białka, tłuszczów i ich pochodnych) do alkoholi lub niższych kwasów organicznych, a także metanu, dwutlenku węgla i wody [34]/
Rys. 14. Rodzaje i możliwości wykorzystania biomasy [34]
4.2 Biopaliwa stałe
Paliwa stałe produkowane z biomasy są wykorzystywane w procesie spalania, gazyfikacji lub pirolizy do produkcji energii cieplnej i elektrycznej. Produkcja nie potrzebuje wielkiego nakładu pracy. Aby zintensyfikować produkcję biomasy konieczne są jednak nakłady finansowe związane z nawożeniem, nawadnianiem, walką ze szkodnikami i ochroną roślin. Wyróżniamy kilka rodzajów biopaliw stałych. Charakterystykę najważniejszych zamieszczono w dalszej części.
4.2.1 Słoma energetyczna
Słoma wykorzystywana do celów energetycznych wchodzi w skład grupy paliw odnawialnych. W Polsce w strukturze produkcji dominuje słoma:
zbóż (92,6%),
roślin oleistych jak rzepak (5,1%),
roślin strączkowych (2,3%).
Tablica 5. Analiza elementarna słomy wybranych zbóż, (w %) [37]
Słoma |
Popiół |
Węgiel |
Wodór |
Tlen |
Azot |
Siarka |
pszenna |
6,53 |
48,53 |
5,30 |
39,08 |
0,28 |
0,05 |
jęczmienna |
4,30 |
45,67 |
6,50 |
38,26 |
0,43 |
0,11 |
kukurydziana |
5,77 |
747,09 |
5,40 |
39,79 |
0,81 |
0,12 |
Spalaniu słomy towarzyszy śladowa emisja SO2, a wartość emisji NOx jest porównywalna z emisją z kotłowni węglowych. Pozostałości w postaci popiołu stanowią 3-5% ilości spalanej słomy. Skład słomy przedstawia tab. 5. Głównym składnikiem popiołu jest potas, dlatego też popiół ten może być wykorzystany jako nawóz.
Roczna wielkość produkcji słomy ulega tylko nieznacznym wahaniom. Decyduje o tym powierzchnia upraw roślin, wielkości plonów, gatunek i odmiana roślin, nawożenie, warunki pogodowe. Zbiory słomy przewyższają zapotrzebowanie na nią wynikające z produkcji zwierzęcej (pasza, ściółka). Produkcja słomy w Polsce wynosi średnio 29,3 mln ton rocznie, przy nadwyżkach średnio 11,5 mln ton, co jest równoważne 7,7 mln ton węgla średniej jakości. Nadwyżki są przyorywane, bądź palone na polach. Do wykorzystania energetycznego służyć może cała słoma rzepakowa. W rejonach dominujących upraw zboża, rzepaku i roślin strączkowych mogą być one w znacznym stopniu wykorzystane energetycznie. Potencjał energetyczny słomy w kraju jest duży, a pełne wykorzystanie nadwyżek produkcji słomy może pokryć aż 4% zapotrzebowania Polski na energię pierwotną. Energia chemiczna 1 kg słomy o wilgotności 15% wynosi 14,3 MJ, co odpowiada energii chemicznej zawartej w 0,81 kg drewna opałowego lub 0,41 m3 gazu ziemnego wysokometanowego. Pod względem energetycznym 1,5 tony słomy równoważne jest jednej tonie węgla średniej jakości. W Polsce słoma może być wykorzystana jako paliwo do ogrzewania mieszkań, budynków inwestorskich w gospodarstwach rolnych, jak i kotłowniach komunalnych.
Słoma nie jest jednorodna pod względem składu, różni się zawartością części mineralnych i wilgoci. Lotne składniki słomy sięgają 70%. Zawartość części niepalnych zależy od lokalnych warunków uprawy oraz od sposobu zbioru słomy i przygotowania bel. Słoma bezpośrednio po zbiorze (tzw. słoma „żółta”) może mieć ponad 5% a nawet 10% części niepalnych (popiołu). Słoma prasowana jako „szara” po kilkudniowym okresie przebywania na polu i przemywania przez deszcz posiada zawartość popiołu obniżoną do 1÷3% i znacznie lepsze własności jako paliwo.
Słoma jest paliwem bardzo trudnym do prawidłowego spalania. Przy konwencjonalnym spalaniu, podobnym do spalania węgla, sprawności procesu wynoszą od zaledwie 35 % do 70%. Przyczyną jest niewystarczające wymieszanie paliwa z powietrzem, wskutek czego wiele części palnych nie ulega spalaniu. Warunkiem spalania słomy jest utrzymanie jej wilgotności poniżej 20%, a najlepsze rezultaty uzyskuje się przy 15%. Nowoczesne kotły do spalania słony pozwalają na spalanie słomy i innych biopaliw ze sprawnością 80÷90% i przy bardzo niskiej emisji gazów. Systemy energetyczne opalane słomą rozwinęły się intensywnie w niektórych krajach zachodnich, głównie Danii. Doświadczenia duńskie wskazują, że jest możliwe prawidłowe spalanie słomy w małych i średnich kotłach o odpowiedniej konstrukcji. Produkowane są kotły na słomę o mocy zainstalowanej od kilkudziesięciu kW dla zasilania pojedynczych gospodarstw do elektrociepłowni o mocy ponad 30 MW. W trakcie spalania słomy gazy palne i niedopalone części paliwa wymagają dopalenia w temperaturze ponad 800 ºC, przed schłodzeniem w części wymiennikowej kotła. Konstrukcje zapewniające spełnienie tego warunku są różne, decyduje w tym przypadku przede wszystkim moc kotła. Można wyróżnić trzy główne typy kotłów na słomę:
Kotły ze spalaniem „cygarowym” całych bel. Przeważnie są to duże kotły zasilające sieci ciepłownicze i elektrociepłownie wyposażone w systemy załadunku całymi belami słomy;
Kotły ze spalaniem słomy rozdrobnionej, które są stosowane dla małych i średnich mocy cieplnych. Podawanie słomy odbywa się z sieczkarni prasowanej słomy (dostosowanej typowo do określonych bel) przez układ podajników ślimakowych lub transportem pneumatycznym. Paliwo podawane jest w sposób ciągły, a wiele operacji może być zautomatyzowanych. Układ do podawania słomy zwiększa dość znacznie koszt instalacji;
Kotły ze spalaniem przeciwprądowym całych bel, które stosuje się do małych i średnich (okrągłych) beli słomy. Spalanie przeciwprądowe jest kombinacją procesów gazyfikacji biopaliwa oraz spalania gazu i cząstek paliwa w strumieniu nadmuchiwanego powietrza.
Takie kotły, o wysokiej sprawności, są produkowane w kraju. Stosowana w nich jest najnowsza technologia spalania przy zautomatyzowaniu procesu dostarczania powietrza do paleniska i kontroli temperatury spalin.
Funkcjonowanie i charakterystyka kotła ze spalaniem przeciwprądowym jest następująca:
Kocioł ładowany jest paliwem w postaci jednego lub kilku beli słomy, a spalanie odbywa się do całkowitego wypalenia wsadu;
Powietrze do spalania, nawiewane przez wentylator uderza w słomę pod kątem prostym do powierzchni balota po to, aby słoma pozostała na swoim miejscu i nie była porywana przez palące się gazy. Wylot z komory spalania do części wymiennikowej kotła odbywa się pod prąd powietrza podmuchowego, co zapewnia dopalanie gazów i niespalonych pierwotnie części palnych słomy. Odpowiedni kształt gardzieli wykonanej z ceramiki gwarantuje wysoką temperaturę spalania;
Konstrukcja komory spalania i dysz nawiewnych zapewnia jak najlepsze wymieszanie gazów powstających w procesie gazyfikacji i powietrza nawiewanego. Gazy w komorze spalania nie powinny być ochłodzone poniżej 800 ºC, zanim nie zostanie zakończone spalanie gazów i cząstek palnych;
Powietrze podmuchowe wprowadzane jest do komory spalania w sposób kontrolowany, tak aby zapewnić jego odpowiednią ilość niezbędną do całkowitego spalania części palnych. Nawiew powietrza regulowany jest przez sterownik z czujnikiem temperatury spalin w czopuchu. W trakcie spalania balotów, gdy rośnie wolna powierzchnia słomy chłodząca płomienie, nadmuch powietrza do spalania jest zwiększany dla zapewnienia odpowiedniej temperatury w komorze spalania gazów.
Rys. 15. Widok i przekrój kotła na bele słomy prostokątne firmy EKOPAL [46]
Zapewnienie tych warunków jest możliwe poprzez odpowiednią konstrukcję oraz automatyczną regulację zapewniającą utrzymanie odpowiedniej temperatury w komorze spalania. Praca kotła nie może być obciążona natomiast zmiennym zapotrzebowaniem ciepła przez odbiorniki. Dla zapewnienia właściwego spalania, pomiędzy kotłem a odbiornikami instaluje się zbiornik akumulacyjny odbierający ciepło produkowane przez kocioł. Specyfika pracy instalacji grzewczych z kotłami na słomę polega na zdolności akumulacji ciepła powstałego w procesie spalania sprasowanej słomy i następnie jego powolnym oddawaniu do instalacji centralnego ogrzewania. Sam proces spalania słomy trwa około 1 do 2 godzin, po czym palenisko wygasa, a instalacja centralnego ogrzewania zasilana jest przez ok. 4 do 7 godzin ciepłem ze zbiornika akumulacyjnego. Dla akumulacji ciepła wytwarzanego w kotle potrzebny jest zasobnik ciepła, którego objętość wynosi od 3 m3 dla małych kotłów do 30 m3 dla kotłów średnich na okrągłe bele.
Ciepło na potrzeby grzewcze lub ciepłej wody użytkowej przekazywane jest do obiegów połączonych bezpośrednio lub pośrednio z zasobnikami w zależności od systemu grzewczego.
Szacuje się, że do ogrzania domu jednorodzinnego potrzebne są zbiory słomy z powierzchni ok. 5 ha. Dom o powierzchni ogrzewanej 100 m2 i potrzebach energetycznych 100 kWh/m2 rok można ogrzać zużywając rocznie 5 ton słomy przy sprawności kotłów 75 %.
Kotły na słomę są w większości gospodarstw włączone do sieci centralnego ogrzewania obok tradycyjnego pieca, co pozwala zachować bezpieczeństwo energetyczne na wypadek braku słomy. Takie rozwiązanie jest możliwe w przypadku wystarczającej powierzchni pomieszczeń kotłowni.
Czynnikiem ograniczającym szerokie zastosowanie słomy jako paliwa są wysokie koszty inwestycyjne, przy niższych kosztach eksploatacyjnych. Niezależne szacunki kosztów słomy do celów energetycznych wskazują, że okres zwrotu nakładów inwestycyjnych w przypadku kotłowni opalanych na słomę wynosi ok. 6 lat.
Rys. 16. Schemat ciepłowni opalanej słomą [16]
1-osiedlowa sieć ciepłownicza, 2- spalin do komina, 3- cyklon, 4-szarpacz słomy, 5-przenośnik słomy, 6-transporter balotów, 7-wentylator, 8-przenośnik popiołu, 9-transporter pneumatyczny
4.2.2 Pelety
To wysoko wydajne, odnawialne paliwo, które produkowane jest z biomasy. Pelety są używane do ogrzewania budynków użytkowych i gospodarstw domowych od kilkunastu lat. Również w Polsce pelety zdobywają coraz większą rzeszę zwolenników. Surowcem do produkcji granulatu są odpady drzewne z tartaków, zakładów przeróbki drewna oraz leśne odpady drzewne. Najpopularniejszymi odpadami do produkcji granulatu są trociny i wióry. Możliwe jest także produkowanie granulatu z kory, zrębków, upraw energetycznych i słomy.
Produkcja pelet polega na poddaniu biomasy trzem kolejnym procesom. Jest to suszenie, mielenie i prasowanie. Pelety wytłacza się z rozdrobnionej suchej biomasy pod dużym ciśnieniem w prasie rotacyjnej, bez substancji klejącej. Produktem końcowym są małe granulki o kształcie cylindrycznym o średnicy 6-25mm i długości do kilku centymetrów. Bardzo duże siły działające podczas wyciskania powodują, że w małej objętości zostaje zmieszczona duża ilość produktu. Paliwo to posiada niską zawartość wilgoci (8-12%), popiołów (0,5%) i substancji szkodliwych dla środowiska oraz wysoką wartością energetyczną. Dlatego to paliwo przyjazne jest środowisku naturalnemu, a jednocześnie łatwe w transporcie, magazynowaniu i dystrybucji. Granulat z odpadów drzewnych jest konkurencyjny dla oleju i węgla pod względami ekonomicznymi i ze względu na mniejsze emisje gazów i pyłów.
4.2.3 Uprawy roślinne
Jedną z roślin najczęściej stosowanych na plantacjach energetycznych jest wierzba energetyczna. Wierzba energetyczna jest rośliną krzewiastą. Materiałem sadzeniowym do zakładania plantacji energetycznych są zrzezy długości 25cm i średnicy powyżej 7 mm. Plantację prowadzi się w cyklu jedno, dwu lub trzyletnim. Zbioru dokonuje się od połowy listopada do końca marca. Wierzba może być uprawiana na różnych typach gleb, najistotniejsze jest dobre nawodnienie.
Rośliny energetyczne powinny charakteryzować się dużym przyrostem rocznym, wysoką wartością opałową, znaczną odpornością na choroby i szkodniki oraz stosunkowo niewielkimi wymaganiami glebowymi. Niezwykle istotną sprawą jest również możliwość mechanizacji prac agrotechnicznych związanych z zakładaniem plantacji oraz zbieraniem plonu. Uprawa roślin energetycznych może być średnio użytkowana przez okres 15-20 lat [48].
Rośliny energetyczne uprawiane w Polsce to:
wierzba wiciowa,
ślazowiec pensylwański,
słonecznik bulwiasty,
róża wielokwiatowa,
rdest sachaliński,
trawy wieloletnie,
szykorosnąca topola.
Rys. 17. Zdjęcie przedstawia plantację szybkorosnącej topoli [37]
4.2.4 Zboża energetyczne
W celach energetycznych uprawia się wiele słabo rozpowszechnionych gatunków roślin. Ale także uprawia się jednak także rośliny znane już od dawna, lecz hodowane najczęściej z innym przeznaczeniem. Taką rośliną jest wykorzystywany zazwyczaj jako pasza dla zwierząt i pożywienie dla człowieka owies. Na świecie uprawy owsa zajmują około 17,9 mln ha, w Polsce zaś 570 tys. ha. Plony wydawane przez owies są stosunkowo niewielkie. Choć na świecie uprawy owsa zajmują 3% powierzchni wykorzystywanej pod uprawę zboża, jego zbiory stanowią zaledwie 1,7% wszystkich plonów zboża. W Polsce zbiory owsa stanowią 6,2% wszystkich plonów zboża i wynoszą 2,53 t/ha, czyli tylko 43% potencjału. Najwyższe plony owsa są osiągane w Irlandii (6 t/ha), w Holandii (5,8 t/ha) i w Anglii (5,5 t/ha). Ziarno owsa i innych zbóż jest już od lat wykorzystywane do celów grzewczych w Skandynawii. Takie zastosowanie ziarna rozpowszechnione jest też w Kanadzie i w Stanach Zjednoczonych, gdzie badania przeprowadzone na uniwersytecie w Minnesocie wykazały, że ogrzewanie ziarnem kukurydzy jest ekonomicznie konkurencyjne w stosunku do ogrzewania olejem, gazem bądź energią elektryczną. Wykorzystanie owsa do celów grzewczych wymaga wyposażenia kotła w specjalny palnik (przystawkę) do spalania ziarna, który można zainstalować w każdym kotle na paliwa stałe. Ziarno podawane jest do palnika za pomocą podajnika, a stamtąd trafia do komory spalania, gdzie zostaje napowietrzone (przy pomocy wentylatora) i spalone. Następnie płomień wypychany jest z komory spalania do komory grzewczej. Szacunkowo 150kg ziarna wystarcza do ogrzewania mieszkania o powierzchni 200 m2 przez ponad trzy doby.
4.3 Biopaliwa płynne
W krajach Unii Europejskiej i w Polsce obserwuje się wzrost zainteresowania wykorzystaniem biopaliw płynnych, które w procesie konwersji powstają z biomasy stanowiącej podstawowe odnawialne źródło energii. Do produkcji biopaliw płynnych stosuje się nasiona roślin oleistych i roślin o dużej zawartości skrobi. Historia produkcji sięga początku ubiegłego wieku. Oleje roślinne zastosował po raz pierwszy jako paliwo napędowe w skonstruowanym przez siebie silniku Rudolf Diesel. Dopiero później, po nieudanych próbach z olejem roślinnym, do zasilania silnika zastosował paliwo otrzymane z ropy naftowej. Paliwa płynne można otrzymać poprzez konwersje w następujących procesach: hydrolizy, fermentacji, estryfikacji, pirolizy [39]. Wykorzystanie biopaliw przedstawia tab. 6.
Tablica 6. Wykorzystanie biopaliw płynnych [4]
Biopaliwo |
Surowiec |
Proces konwersji |
Bioetanol |
Zboża, ziemniaki, pseudo zboża itp. Buraki cukrowe itp. Drewno, słoma, rośliny trawiaste itp. |
Hydroliza i fermentacja Fermentacja Obróbka wstępna, hydroliza i fermentacja |
Biometanol |
Uprawy energetyczne, drewno |
Zgazowanie lub synteza metanolu |
Olej roślinny |
Rzepak, słonecznik i inne rośliny oleiste |
- |
Biodiesel FAME |
Rzepak, słonecznik i inne rośliny oleiste Odpadowe tłuszcze zwierzęce i inne |
Estryfikacja |
Bioolej |
Uprawy energetyczne, drewno |
Piroliza |
4.3.1 Oleje roślinne
Olej roślinny różni się od olejów napędowych brakiem lotności, większą lepkością i mniejszą podatnością na samozapłon. Oleje takie nie mogą być bez wcześniejszego przetworzenia stosowane jako paliwo napędowe. Wyjątek stanowi wykorzystanie olejów roślinnych w specjalnie zaprojektowanych silnikach. To rozwiązanie nie jest jednak zbyt rozpowszechnione z uwagi na wysokie koszty produkcji. Pomysłodawcą wykorzystania oleju roślinnego jako paliwa napędowego był Rudolf Diesel, który zastosował olej w silniku własnej konstrukcji. Ponieważ pierwsze próby wykorzystania oleju roślinnego zakończyły się niepowodzeniem, konstruktor zastąpił go paliwem otrzymywanym z ropy naftowej [35].
4.3.2 Bioolej
Zamiast przystosowywać silnik do paliwa można przystosować paliwo do silnika. Przykładem jest tu poddanie biomasy szybkiej pirolizie to znaczy krótkotrwałemu oddziaływaniu temperatury 400-600 ºC w wyniku czego otrzymuje się biolej. Jest to ciemnobrązowa, gęsta ciecz o wartości opałowej stanowiącej 45-50% wartości energetycznej oleju napędowego może być wykorzystywana w kotłach, palnikach, turbinach czy generatorach prądu. Spalanie biooleju nie przyczynia się do emisji dwutlenku siarki (SO2), jest neutralne z punktu widzenia bilansu tlenku węgla (CO), zaś spowodowane nim emisje dwutlenku azotu (NO2) należą do śladowych.
4.3.3 Biodiesel
Biodiesel czyli inaczej biopaliwo z rzepaku pozyskiwane jest w znanym już na przełomie XIX i XX wieku procesie chemicznym. Polega ono na przetworzeniu oleju rzepakowego w estry metylowe. Stosuje się przy tym jedną z dwóch technologii:
technologia zimna która jest odpowiednia dla małych, produkujących zakładów przetwórczych, w której biopaliwo pozyskiwane jest w temperaturze 20÷70 ºC
technologia gorąca, która wymaga dostaw energii cieplnej, w której do produkcji biopaliwa potrzebna jest temperatura 240 ºC i ciśnienie około 10 MPa [35].
4.3.4 Etanol
Ma on największe znaczenie wśród bioalkoholi wykorzystywanych do celów paliwowych. Otrzymuje się go przez odwodnienie alkoholu gorzelnianego, zawierającego 97,2% objętości etanolu. Podobnie jak biodiesel, etanol może być stosowany bądź jako:
paliwo napędowe - silniki, przystosowane do zasilania etanolem wyprodukowały między innymi takie firmy, jak Ford, Fiat czy Volkswagen,
ulepszający proces spalania dodatek do benzyny, który pozwala zredukować emisje tlenków węgla, tlenków azotu, związków ołowiu i węglowodorów aromatycznych [35].
4.4 Biopaliwa gazowe
Człowiek przez swoją działalność przyczynił się do powstania wielkich ilości odpadów oraz ścieków. Odpady te pochodzą z gospodarstw domowych, rolnictwa oraz produkcji przemysłowej. W Polsce jest ok. 800 ewidencjonowanych wysypisk odpadów komunalnych i bardzo wiele dzikich wysypisk śmieci. Dzikie niekontrolowane wysypiska są zagrożeniem dla zdrowia i życia człowieka oraz środowiska. Zagrożenie to wynika z wydzielania przez odpady gazu.
Zalety produkcji energii z biogazu to:
energia odnawialna i czysta, która nie zanieczyszcza środowiska,
mniejszy wpływ na efekt cieplarniany dwutlenku węgla uzyskanego ze spalania biogazu niż biogazu,
zdecentralizowana produkcja tej energii nie wymaga budowli linii transmisyjnych, nie występują straty przy jej przesyłaniu,
możliwość oszczędniejszego gospodarowania wodą,
umożliwienie krajom rozwijającym się podniesienie poziomu cywilizacyjnego przez dostarczenie mieszkańcom światła, elektryczności, wody,
koszty produkcji są porównywalne z kosztami energii elektrycznej z sieci elektroenergetycznej, a przy wyższym stopniu oprocentowania mogą być nawet niższe,
poprawa stanu higieniczno-sanitarnego dzięki zaprzestaniu wylewania odcieków bezpośrednio na pola.
Najważniejsze wady produkcji biogazu to:
konieczność ścisłego przestrzegania reżimów procesu fermentacji, temperatury, pH, hermetyczności,
duże nakłady inwestycyjne na budowę zbiorników fermentacyjnych, silnika, prądnicy, aparatury kontrolnej.
Biogaz
Biogaz powstaje w procesie beztlenowej fermentacji odpadów organicznych, podczas której substancje organiczne rozkładane są przez bakterie na związki proste. W procesie fermentacji beztlenowej do 60% substancji organicznej zamienianej jest w biogaz. Zgodnie z przepisami obowiązującymi w Unii Europejskiej składowanie odpadów organicznych może odbywać się jedynie w sposób zabezpieczający przed niekontrolowanymi emisjami metanu. Gaz wysypiskowy musi być spalany w pochodni lub w instalacjach energetycznych, a odchody zwierzęce fermentowane. Biogaz wykorzystywany do celów energetycznych powstaje w wyniku fermentacji:
odpadów organicznych na składowiskach odpadów,
odpadów zwierzęcych w gospodarstwach rolnych,
osadów ściekowych w oczyszczalniach ścieków.
Biogaz powstający w wyniku fermentacji beztlenowej składa się w głównej mierze z metanu (od 40% do 70%) i dwutlenku węgla (około 40÷50%), ale zawiera także inne gazy, m.in. azot, siarkowodór, tlenek węgla, amoniak i tlen. Do produkcji energii cieplnej lub elektrycznej może być wykorzystywany biogaz zawierający powyżej 40% metanu. Biogaz może być wykorzystywany na wiele różnych sposobów. Gaz wysypiskowy może być dostarczany do sieci gazowej, wykorzystywany jako paliwo do pojazdów lub w procesach technologicznych. Biogaz może być spalany w specjalnie przystosowanych kotłach, zastępując gaz ziemny. Uzyskane ciepło może być przekazywane do instalacji centralnego ogrzewania. Energia elektryczna wyprodukowana w silnikach iskrowych lub turbinach może być sprzedawana do sieci energetycznych. Biogaz jest również wykorzystywany w układach skojarzonych do produkcji energii elektrycznej i ciepła [48].
Gaz wysypiskowy
Odpady organiczne stanowią jeden z głównych składników odpadów komunalnych. Ulegają one naturalnemu procesowi biodegradacji, czyli rozkładowi na proste związki organiczne. W warunkach optymalnych z jednej tony odpadów komunalnych może powstać około 400÷500 m3 gazu wysypiskowego. Jednak w rzeczywistości nie wszystkie odpady organiczne ulegają pełnemu rozkładowi, a przebieg fermentacji zależy od szeregu czynników. Dlatego też przyjmuje się, że z jednej tony odpadów można pozyskać maksymalnie do 200m3 gazu wysypiskowego.
W 2006r. na świecie działało ponad 800 instalacji energetycznego wykorzystania gazu wysypiskowego. W Europie najbardziej zaawansowana jest pod tym względem Wielka Brytania, gdzie w 2000 roku moc zainstalowana wynosiła 292 MW elektrycznych. W Polsce zarejestrowanych jest obecnie ok. 700 czynnych składowisk odpadów. Oszacowano, że produkują one rocznie ponad 600 mln m3 metanu. W praktyce zasoby gazu wysypiskowego możliwe do pozyskania nie przekraczają 30÷45% całkowitego potencjału powstającego na wysypisku gazu.
Biogaz z oczyszczalni ścieków
Potencjał techniczny dla wykorzystania biogazu z oczyszczalni ścieków do celów energetycznych jest bardzo wysoki. W Polsce jest 1759 przemysłowych i 1471 komunalnych oczyszczalni ścieków i liczba ta wzrasta. Standardowo z 1m3 osadu (4÷5% suchej masy) można uzyskać 10-20 m3 biogazu o zawartości ok. 60% metanu. Do bezpośredniej produkcji biogazu najlepiej dostosowane są oczyszczalnie biologiczne, które mają zastosowanie we wszystkich oczyszczalniach ścieków komunalnych oraz w części oczyszczalni [48].
5. Rozporządzenia w sektorze biopaliw
Propagowanie wykorzystywania biopaliw jest głównym założeniem europejskiej strategii politycznej w obliczu znacznego wzrostu cen ropy oraz zwiększonych starań o zapewnienie trwałych, bezpiecznych i przyjaznych dla środowiska dostaw energii. Biopaliwa stanowią obecnie jedyną możliwość znacznego ograniczenia zależności sektora transportu od dostaw ropy. Punkty wyjścia europejskiej polityki energetycznej określają dziś trzy zadania: walka ze zmianami klimatycznymi, potęgowanie wzrostu gospodarczego i rozwoju rynku pracy oraz ograniczanie zależności UE od zewnętrznych dostaw gazu i ropy [44]. W ramach europejskiej polityki energetycznej Komisja Europejska zachęca do produkcji i wykorzystywania biopaliw, proponując ustalenie wiążącego minimalnego udziału biopaliw w 2020 r. w paliwach do pojazdów mechanicznych na poziomie 10% [24]. Polityka europejska bezpośrednio przekłada się na politykę polską. W Polsce, jak i w innych krajach Unii Europejskiej, rynek biopaliw stymulowany jest poprzez odpowiednie ustawy, rozporządzenia, decyzje itp. To zasadniczo wpływa na rozwój rynku.
5.1 Unijna strategia w sektorze biopaliw
Komisja Europejska w kwestii biopaliw koncentruje się w głównej mierze na zagadnieniach związanych z transportem. Wg szacunków transport odpowiada za powstanie 21% gazów cieplarnianych [14]. Komisja Europejska zaangażowała się w działania wdrażające paliwa ekologiczne na szeroką skalę. Do takich działań zalicza się:
wprowadzenie stosownych ulg podatkowych na biokomponenty,
promowanie w zamówieniach publicznych do kupna pojazdów ekologicznych, głównie napędzanych biopaliwami,
zabieganie o ustanowienie instytucji, zajmującej się badaniem możliwości rozwoju regionów wiejskich ukierunkowanych na biomasę,
zachęcanie państw członkowskich do uprzywilejowanego traktowania biopaliw,
weryfikowanie możliwości usunięcia barier technicznych wlogistyce biopaliw,
zalecenia do wprowadzania szerszej gamy olejów roślinnych do produkcji biodiesla, bez znaczących ujemnych skutków dla jakości paliwa,
wspieranie pozaunijnych krajów rozwijających się na produkowanie bioetanolu, co ma ułatwić unijnym producentom zbyt surowca,
promowanie do stosowania bioetanolu w silnikach diesla oraz zastąpienie metanolu etanolem w produkcji estrów [23]. Komisja Europejska wprowadziła siedem osi polityk grupujących środki, które zostały podjęte w celu promocji produkcji i stosowania biopaliw [16].
Pobudzanie zapotrzebowania na biopaliwa.
W 2001 r. Komisja Europejska przyjęła komunikat, któremu towarzyszyły wnioski legislacyjne w sprawie paliw alternatywnych, które mogą być wykorzystane w transporcie drogowym. Zidentyfikowano trzy główne paliwa (biopaliwa, gaz ziemny oraz wodór) wykazujące potencjał rozwojowy [15]. Wnioski legislacyjne zostały przyjęte w zmienionej formie w 2003 r.
Dyrektywa biopaliwowa z dnia 8 maja 2003 r. w sprawie wspierania użycia w transporcie biopaliw lub innych paliw odnawialnych określa „wartości odniesienia” w wysokości 2 % udziału w rynku w 2005 r. w odniesieniu do biopaliw i 5,75 % udziału w rynku w 2010 r. W celu wdrożenia dyrektywy wiele państw członkowskich zastosowało zwolnienia od podatku paliwowego. Szereg krajów wprowadziło zobowiązania dotyczące biopaliw obligujące firmy dostarczające paliwo do zawarcia określonej ilości procentowej biopaliw w paliwie wprowadzanym do obrotu krajowego. Docelowy wskaźnik 2 % udziału biopaliw w paliwach znajdujących się na rynku w 2005 r. nie został osiągnięty.
W 2006 r. Komisja sporządziła sprawozdanie w sprawie wykonania dyrektywy biopaliwowej mając na względzie jej ewentualną zmianę. Sprawozdanie dotyczyło między innymi następujących kwestii:
krajowych docelowych wskaźników udziału biopaliw w rynku,
stosowanie zobowiązań w odniesieniu do biopaliw,
wprowadzenie wymogu, dzięki któremu do wielkości docelowych zaliczane będą
tylko biopaliwa wytwarzane w UE i krajach trzecich z upraw, które spełniają minimalne normy zrównoważonego rozwoju.
Zobowiązania w odniesieniu do biopaliw są obiecującym sposobem przezwyciężenia trudności związanych ze zwolnieniami podatkowymi. Ułatwiłyby one także przychylniejsze traktowanie tych biopaliw, a to pozwala na większą redukcję emisji gazów cieplarnianych. Dyrektywa w sprawie opodatkowania produktów energetycznych i energii elektrycznej umożliwia państwom członkowskim udzielanie obniżek i zwolnień podatkowych promujących stosowanie biopaliw. Takie ulgi podatkowe traktowane są jak pomoc państwa, która nie może być udzielana bez uprzedniej zgody Komisji. Ocena Komisji ma na celu unikanie nieuzasadnionych zakłóceń konkurencji i oparta jest na wytycznych Wspólnoty Europejskiej w sprawie pomocy państwa na rzecz ochrony środowiska naturalnego. Wytyczne te uwzględniają korzystne skutki energii wyprodukowanej z biomasy w porównaniu z energią pozyskaną z paliw kopalnych.
Publiczne i prywatne floty pojazdów, ale także pojazdy rolnicze i ciężarowe stanowią również obiecujący rynek dla rozwoju biopaliw. W tym wypadku zwolnienia podatkowe lub obniżenie podatku przyniosły szczególnie dobre efekty w zachęcaniu do stosowania mieszanek paliwowych zawierających wysoki procent biopaliw. Na szczeblu gospodarstw rolnych, obecnie dostępne są małej skali procesory i systemy tłoczenia nasion umożliwiające ekonomiczną produkcję biopaliw z odpadów rolnych lub upraw oleistych.
Floty autobusów zarządzane przez władze miejskie i firmy prywatne zazwyczaj dysponują dedykowanymi dostawami paliwa, w związku z czym mogą z łatwością przestawić się na biopaliwa. Inny obszar gdzie można by dodatkowo pobudzić popyt na biopaliwa i który stanowi potencjalny rynek do stosowania biodiesla związany jest z flotą rybacką i statkami [16].
Wykorzystywanie ekologicznych zalet biopaliw
By wykorzystać potencjalne ekologiczne zalety biopaliw, strategia w sprawie biopaliw musi skoncentrować się na:
optymalizacji korzyści z redukcji gazów cieplarnianych w stosunku do poniesionych kosztów,
unikaniu powodowania szkód dla środowiska związanych z produkcją biopaliw i upraw energetycznych,
zapewnianiu, że stosowanie biopaliw nie powoduje problemów ekologicznych lub technicznych.
Powiązanie korzyści wynikające z redukcji gazów cieplarnianych z zachętami do dostarczania biopaliw przyczynia się do zwiększenia korzystnych skutków biopaliw i daje sygnał jak ważna jest dalsza poprawa ścieżki produkcyjnej w tym zakresie. Pozwala to również producentom paliw i roślin energetycznych, na dostarczenie rynkowych sygnałów do dalszej redukcji emisji. Mechanizm może być zastosowany się zarówno do produktów krajowych jak i importowanych w sposób niedyskryminujący i być w pełni zgodny z postanowieniami Światowej Organizacji Handlu.
Niezbędne jest stosowanie minimalnych norm środowiskowych w produkcji roślin energetycznych, które byłyby przystosowane do warunków lokalnych w UE i krajach trzecich. W szczególności, wyrażono pewne obawy związane z wykorzystywaniem gruntów odłogowanych z uwagi na potencjalny skutek dla bioróżnorodności gleby. Odniesienie się do tych obaw wymaga zwrócenia uwagi na miejsce upraw energetycznych w ogólnym systemie płodozmianowym, unikania negatywnych skutków takich upraw w odniesieniu do bioróżnorodności, zanieczyszczenia wody, degradacji gleby oraz zakłócenia siedlisk i gatunków w obszarach o istotnych walorach środowiskowych. Tym niemniej, stosowanie kryteriów zrównoważonego rozwoju do produkcji w UE nie powinno być ograniczone do upraw energetycznych, ale powinno obejmować wszystkie użytki rolne. Kryteria te powinny również uwzględniać zalety upraw energetycznych w systemach płodozmianowych oraz na obszarach nieurodzajnych. Takie standardy i kryteria muszą być zgodne z postanowieniami Światowej Organizacji Zdrowia oraz być skuteczne i nie nadmiernie biurokratyczne”
W trakcie praktycznego stosowania różnego rodzaju biopaliw wyłaniają się różne kwestie techniczne oraz związane z ochroną środowiska. „Dyrektywa w sprawie jakości paliwa” z dnia 13 października 1998 r. odnosząca się do jakości benzyny i olejów napędowych ustanawia specyfikacje benzyny i diesla ze względów na wymogi ochrony środowiska i zdrowia. Są to graniczenia w odniesieniu do zawartości etanolu, etanu i innych natleniaczy w benzynie. Norma EN590 ustanawia dalsze ograniczenia ze względów technicznych i ustala, że diesel nie może zawierać więcej niż 5% biodiesla w kategoriach objętości (4,6 % w kategoriach energetycznych) [16].
Rozwijanie produkcji i dystrybucji biopaliw
Wspieranie rozwoju odnawialnych i alternatywnych źródeł energii takich jak biomasa, w tym biopaliw, jest istotnym celem polityki spójności. Wsparcie może być udzielone przy przekwalifikowaniu rolników, poprzez dostarczanie sprzętu producentom biomasy oraz inwestycje w urządzenia do produkcji biopaliw. „Komisja wzywa państwa członkowskie i regiony do tego, by przy opracowywaniu krajowych strategicznych ram odniesienia i programów operacyjnych w pełni uwzględniły potencjalne korzyści z biopaliw. Inwestycje na terenie gospodarstw rolnych lub w ich pobliżu, na przykład w przetwórstwo biomasy, oraz uruchomienie niewykorzystanej biomasy przez właścicieli lasów, również mogą uzyskać wparcie w ramach polityki rozwoju obszarów wiejskich. Komisja przedstawiła propozycje strategicznych wytycznych Wspólnoty w zakresie rozwoju obszarów wiejskich, które podkreślają znaczenie energii odnawialnej, w tym biopaliw. Przy ocenie wpływu polityk i programów na wspieranie produkcji i dystrybucji biopaliw, Komisja wzięła pod uwagę ich potencjalne oddziaływanie na tradycyjne rynki etanolu, żywności, leśnictwa i ropy [16].
Rozszerzanie dostaw roślin energetycznych
Obowiązkowe odłogowanie gruntów, które wprowadzono poprzez reformę z 1992 r. jako narzędzie równoważenia rynku zbóż, zostało włączone do nowego jednolitego systemu płatności. Grunty odłogowane zwykle nie mogą być wykorzystywane do prowadzenia jakiejkolwiek produkcji, ale dopuszcza się uprawę roślin wykorzystywanych w celach energetycznych pod warunkiem, że wykorzystanie biomasy będzie zagwarantowane na mocy kontraktu lub przez rolnika. Ponadto Komisja wprowadziła specjalną pomoc z tytułu upraw energetycznych. Możliwe jest otrzymanie dopłat do plantacji energetycznych. W przypadku, gdy wnioski pomocowe przekroczą wspomniany pułap, dopłaty będą proporcjonalnie redukowane. Odpady organiczne pochodzące z przemysłu papierniczego, tłuszczów zwierzęcych oraz produktów ubocznych, olejów spożywczych poddanych recyklingowi i wielu innych źródeł są niewystarczająco wykorzystywane jako źródło energii. Dlatego Komisja przyjęła strategię tematyczną w sprawie zapobiegania powstawaniu odpadów i ich recyklingu oraz wniosek w sprawie nowego prawodawstwa ramowego dotyczącego odpadów [16].
Zwiększanie możliwości handlowych
Ponieważ rośnie zapotrzebowanie na biopaliwa, Komisja dąży do odpowiedniego rozwoju zarówno krajowej produkcji biopaliw w UE jak i zwiększenia możliwości eksportowych biopaliw i roślin energetycznych oraz rozwoju ich ekonomicznej opłacalności. By zaspokoić interesy krajowych producentów jak i partnerów handlowych Unii Europejskiej, Komisja dąży do zajęcia zrównoważonego stanowiska wielostronnych negocjacji handlowych z krajami produkującymi etanol. Przykładem jest Brazylia, która jest dużym producentem biopaliw i strategicznym punktem UE [16].
Wspieranie krajów rozwijających się
Wewnętrzne wysiłki Unii Europejskiej są skierowane na rzecz promowania energii odnawialnej, ale także są ściśle związane z gotowością do wzmocnienia współpracy z innymi krajami, w szczególności z krajami rozwijającymi się. W wielu krajach rozwijających się istnieje potrzeba rozwijania polityk i strategii na rzecz biopaliw. Rozwój platform biopaliwowych, które grupują wszystkie odpowiednie zainteresowane podmioty sektora prywatnego i publicznego są kluczowym krokiem w tym procesie. Na szczeblu regionalnym plany działania na rzecz biopaliw, opracowane są przez organizacje regionalne. Rozwój rynków regionalnych odgrywa zasadniczą rolę w rozwijaniu biopaliw [16].
Wspieranie badań i rozwoju
Rozwój badań i technologii w dziedzinie biopaliw przyczynia się do spadku cen energii z biopaliw. Badania finansowane przez Wspólnotę już odegrały zasadniczą rolę w rozwoju i wzroście przemysłu biopaliwowego w UE. Przykładem jest projekt EUROBIODIESEL uruchomiony w 1992 r. Wykazał on techniczną i ekonomiczną wykonalność produkcji i stosowania biodiesla w ciągnikach rolniczych, autobusach i samochodach bez powodowania istotnych problemów technicznych [16].
5.2 Polskie zobowiązania dotyczące odnawialnych źródeł energii i możliwości ich realizacji
Polska włączając się w globalną akcję ochrony środowiska zgodziła się i zobowiązała poczynić kroki w celu promowania i wdrażania odnawialnych źródeł energii na swoim terytorium. Jednym ze zobowiązań jest uzyskanie 6% redukcji dwutlenku węgla w latach 2008-2012 w stosunku do roku 1988 w ramach Ramowe Konwencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu wraz z Protokółem z Kioto. Polska jest stroną Protokołu Kioto od 1994 r., a Protokół ten ratyfikowała w 2002 roku. Wejście do Unii Europejskiej zmusił Polskę do ratyfikowania kolejnych dyrektyw Unijnych. Zobowiązaniem w ramach Unii Europejskiej jest uzyskanie 7,5% udziału energii elektrycznej wytworzonej w źródłach odnawialnych w krajowym zużyciu brutto energii elektrycznej do końca 2010 roku, którą to narzuca Dyrektywa 2001/77/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 września 2001 roku w sprawie wspierania produkcji na rynku wewnętrznym energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych [16]. Kolejną dyrektywa zobowiązuje do zyskania 5,75% udziału biopaliw w rynku paliw płynnych do końca 2010 roku-Dyrektywa 2003/30/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 8 maja 2003 roku w sprawie wspierania użycia w transporcie biopaliw i innych paliw odnawialnych [6]. Do pozostałych dokumentów, które przyjęła Komisja Europejska w ramach promowania OŹE należą:
Komunikat Komisji z dnia 7 grudnia 2005 r. COM(2005) 627 - Wsparcie dla wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych,
Komunikat Komisji z dnia 7 grudnia 2005 r. COM(2005) 628 - Plan działania w sprawie biomasy,
Komunikat Komisji z dnia 8 lutego 2006 r. COM(2006) 34 - Strategia UE na rzecz biopaliw [13].
Wykorzystanie OZE w Polsce
Obecnie, w naszym kraju, biomasa stanowi główne źródło „zielonej energii”, natomiast w mniejszym stopniu wykorzystywana jest energia wodna, geotermalna, wiatru i promieniowania słonecznego.
Rys. 18. Udział biokomponentów w ogólnej ilości paliw zużywanych w transporcie [26]
Tablica 7. Udział energii wyprodukowanej w odnawialnych źródłach energii w zużyciu energii ogółem [13].
Rok |
Produkcja energii OZE |
Zużycie energii ogółem |
Udział w produkcji OZE |
||||
|
Razem |
w tym |
|
|
|||
|
|
geoterm |
biomasa |
wiatr |
woda |
|
|
|
tys. ton oleju ekwiwalentnego umownego |
tys. toe |
% |
||||
1999 |
3754 |
2 |
3541 |
0,33 |
185 |
93550 |
4,01 |
2000 |
3801 |
3 |
3587 |
0,46 |
181 |
90050 |
4,22 |
2001 |
4076 |
3 |
3830 |
1 |
200 |
90039 |
4,53 |
2002 |
4139 |
6 |
3901 |
5 |
196 |
89185 |
4,64 |
2003 |
4157 |
7 |
3929 |
11 |
144 |
93189 |
4,46 |
2004 |
4315 |
8 |
4062 |
12 |
179 |
91705 |
4,71 |
W 2005 roku ilość energii elektrycznej z OZE sprzedanej odbiorcom końcowym stanowiła 3,51 % udziału energii z OZE w całkowitej ilości energii sprzedanej odbiorcom końcowym. Obowiązek został wykonany z nadwyżką, udział energii z OZE zbliżył się do poziomu przewidzianego na rok 2006 (3,6 %) [13]. Tablica 7 i rys.18 przedstawiają udział energii wyprodukowanej w ramach OZE.
Finansowanie projektów OZE
W Polsce istnieje kilka instytucji zajmujących się wspieraniem odnawialnych źródeł energii, tym również biomasy i biopaliw. Do takich instytucji należy EkoFundusz. Udziela dofinansowania na projekty w zakresie pięciu sektorów:
I - ochrona atmosfery,
II - ochrona wód,
III - ochrona klimatu,
IV - ochrona przyrody,
V - gospodarka odpadami.
Odnawialne źródła energii przy takim podziale znajdują się w sektorze I, III, V. Dofinansowaniem mogą być objęte projekty inwestycyjne i nie inwestycyjne. Środki EkoFunduszu maja charakter bezzwrotnej pomocy zagranicznej. Wsparcie EkoFunduszu może dotyczyć pomocy finansowej przyznanej zarówno projektom w fazie początkowej jak i tym już realizowanym, jeśli stopień zaawansowania finansowego projektu, w dniu złożenia wniosku o przyznanie pomocy, nie przekroczy 60%. Dotacja EkoFunduszu dla pojedynczego projektu nie może być niższa niż 50 tys. zł.
Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej - celem działalności tego funduszu jest finansowe wspieranie inwestycji ekologicznych o znaczeniu i zasięgu ogólnopolskim i ponadregionalnym oraz zadań lokalnych, istotnych z punktu widzenia potrzeb środowiska Jedną z dziedzin, na którą przeznaczane są środki finansowe z Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej jest ochrona powietrza poprzez wspieranie OZE. W Narodowym Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej stosowane są trzy formy dofinansowywania:
finansowanie pożyczkowe - pożyczki udzielane przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, lub kredyty udzielane przez banki ze środków NFOSiGW,
finansowanie dotacyjne- dotacje inwestycyjne, dotacje nieinwestycyjne, dopłaty do kredytów bankowych, umorzenia,
finansowanie kapitałowe- obejmowanie akcji i udziałów w zakładanych bądź już istniejących spółkach w celu osiągnięcia efektu ekologicznego).
Wnioskodawcami ubiegającymi się o środki finansowe mogą być:
jednostki samorządu terytorialnego,
przedsiębiorstwa,
instytucje i urzędy,
szkoły wyższe i uczelnie,
jednostki organizacyjne ochrony zdrowia,
organizacje pozarządowe (fundacje, stowarzyszenia),
administracja państwowa.
Wojewódzkie Fundusze Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej - fundusze są powołane dla poszczególnych województw i wspierają projekty proekologiczne zgodnie z kryteriami i priorytetami przyjętymi w danym województwie. Wojewódzkie Fundusze działają w oparciu o własny statut. Pomoc jest udzielana w formie dotacji, pożyczek oraz dopłat do kredytów i pożyczek udzielanych przez banki. Beneficjentami pomocy mogą być jednostki samorządu terytorialnego, przedsiębiorstwa, instytucje i urzędy, szkoły wyższe i uczelnie, jednostki organizacyjne ochrony zdrowia, administracja państwowa oraz osoby fizyczne.
Bank Ochrony Środowiska - podstawowymi instrumentami kredytowymi, stosowanymi przez BOŚ w ochronie środowiska są:
kredyty preferencyjne,
montaże finansowe,
kredyty komercyjne.
Kredyty preferencyjne charakteryzują się mniszym w stosunku do rynkowego oprocentowaniem, możliwością uzyskania karencji w spłacie kapitału, dostosowaniem warunków kredytu do specyfiki inwestycji. Bank podejmuje ciężar obsługi finansowej, ale również weryfikację planowanego efektu ekologicznego, monitoruje inwestycję oraz rozliczenia przedsięwzięcia od strony realizacji efektu rzeczowego i ekologicznego. Duże znaczenie w finansowaniu inwestycji proekologicznych przez Bank mają umowy z Wojewódzkimi Funduszami Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Umożliwiają one udzielanie kredytów preferencyjnych ze środków tych funduszy, ze środków własnych Banku z dopłatami funduszy do oprocentowania [18].
5.3 Wspieranie odnawialnych źródeł energii w Polsce
Wspieranie rozwoju odnawialnych źródeł energii oraz uzyskanie 7,5% udziału energii, pochodzącej z tych źródeł, w bilansie energii pierwotnej w 2010 r. jest istotnym elementem polityki Polski. Cele te zostały zawarte w dokumentach rządowych, w szczególności:
Strategii rozwoju energetyki odnawialnej,
Polityki ekologicznej Państwa na lata 2002-2006 z uwzględnieniem perspektywy na lata 2007-2010,
Polityki energetycznej Polski do 2025 roku.
4 stycznia 2005 roku przez Radę Ministrów został przyjęty dokument „Polityka energetyczna Polski do 2025 roku”, który zapewnia rozwój OZE poprzez podjęcie działań w następujących kierunkach:
utrzymanie stabilnych mechanizmów wsparcia wykorzystania odnawialnych źródeł energii,
wykorzystywanie biomasy do produkcji energii elektrycznej i ciepła,
intensyfikacja wykorzystania małej energetyki wodnej,
wzrost wykorzystania energetyki wiatrowej,
zwiększenie udziału biokomponentów w rynku paliw ciekłych,
rozwój przemysłu na rzecz energetyki odnawialnej.
Produkcja ciepła z odnawialnych źródeł energii
W Polsce do produkcji ciepła w systemach energetycznych wykorzystywana jest przede wszystkim biomasa (w mniejszym stopniu energia geotermalna oraz słoneczna).
Mechanizmem wspierającym produkcję ciepła z OZE w systemach sieciowych jest obowiązek zakupu takiego ciepła ze źródeł odnawialnych, który to nakazuje ustawa o prawie energetycznym.
Biomasa wykorzystywana jest zarówno w systemach sieciowych jak i indywidualnych. Głównymi kierunkami wykorzystania biomasy są:
lokalne, rozproszone systemy ciepłownicze, a także małe instalacje skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, które wykorzystują uprawy energetyczne, a także słomę oraz odpady z rolnictwa i leśnictwa (tab. 8),
zagospodarowanie biogazu pochodzącego ze składowisk odpadów, oczyszczalni ścieków oraz ferm hodowlanych, a zwłaszcza potrzeba uruchomienia biogazowni rolniczych przy istniejących fermach hodowlanych,
indywidualne systemy grzewcze [13].
Tablica 8. Charakterystyka kotłów cieplnych wg mocy i rocznej produkcji w 2004r. [10]
Rodzaj kotła |
Moc |
Udział procentowy |
Produkcja ciepła |
Udział procentowy |
|
MW |
% |
GJ |
% |
Kotły na p stałe bez biomasy |
65432 |
72,59 |
421225042 |
68,16 |
Kotły na biomasę |
2134 |
2,37 |
23286982 |
3,77 |
Kotły olejowe |
7370 |
8,17 |
2578476 |
4,46 |
Kotły gazowe |
7303 |
8,10 |
42294651 |
6,84 |
Kotły dwupaliwowe |
7428 |
8,24 |
53473425 |
8,65 |
inne |
489 |
0,54 |
50118648 |
8,11 |
RAZEM |
90196 |
100,0 |
617977224 |
100,0 |
Produkcja biopaliw
Wzrost zapotrzebowania i wykorzystania biomasy na cele energetyczne stwarza szansę rozwoju dla obszarów wiejskich. Przyczynia się to do ożywienia gospodarczego i społecznego na tych terenach Można przyjąć, Poprzez rozwój rynku biomasy z użytków rolnych powiększa się rynek produktów rolniczych oraz powstają nowe miejsca pracy. Jednakże, aby nastąpił pełny rozwój upraw energetycznych istnieje potrzeba stworzenia systemu skutecznej pomocy dla potencjalnych plantatorów w zakresie:
doboru optymalnych na danym obszarze sadzonek poszczególnych roślin energetycznych,
przygotowania ziemi pod uprawę,
stosowania środków ochrony roślin i nawożenia,
oceny warunków tworzenia plantacji akceptowanych z punku widzenia ochrony środowiska takich jak wielkość plantacji, rodzaje roślin możliwych do uprawy, lokalizacja w stosunku do obszarów chronionych.
Aspektem, który ma istotny wpływ na wzrost energetycznego wykorzystania biomasy jest ukształtowanie się rynku odbiorców biomasy [13].
Wykorzystanie biokomponentów w paliwach ciekłych
„Działania w zakresie zwiększenia udziału biokomponentów w rynku paliw ciekłych prowadzone są przez rządowy resort gospodarki i koncentrują się będą przede wszystkim na wdrażaniu przepisów wspólnotowych. W przyjętym przez Komitet Europejski Rady Ministrów w dniu 3 stycznia 2006r. dokumencie pn. Propozycja zmian legislacyjnych koniecznych do pełnej implementacji do krajowego porządku prawnego dyrektywy 2003/30/WE w sprawie promowania użycia w transporcie biopaliw i innych paliw odnawialnych znalazła się propozycja zmian legislacyjnych prowadzących do stworzenia jeszcze korzystniejszych warunków dla dalszego dynamicznego rozwoju rynku biopaliw w Polsce i zapewniających osiągniecie celów zawartych w dyrektywie 2003/30/WE, tj. uzyskanie 5,75 % udziału biopaliw w rynku paliw płynnych do końca 2010 roku.” Jednym z elementów tej propozycji, który ma zasadniczy wpływ na dalszy rozwój rynku biopaliw, jest możliwość wprowadzenia w Polsce obowiązku dodawania określonej ilości biokomponentów do paliw wprowadzanych do obrotu, z jednoczesnym poszanowaniem wolności działalności gospodarczej, na której opiera się społeczna gospodarka rynkowa Polski.
Prócz działań legislacyjnych zmierzających do rozszerzenia oferty biopaliw dostępnych na rynku (z jednoczesnym zapewnieniem ich wysokich standardów jakościowych) planowane są działania, których celem będzie zastosowanie biopaliw w wybranych flotach pojazdów np. w transporcie publicznym, rolnictwie, administracji publicznej, służbie zdrowia itp [13].
6. Przepisy regulujące polski rynek biopaliw
Polska, jak i pozostałe państwa członkowskie Unii Europejskiej, ma obowiązek wspierania zastosowania biopaliw i innych paliw odnawialnych. Obowiązek ten został nałożony przepisami dyrektywy 2003/30/WE. W celu realizacji zobowiązań Sejm przyjął 25 sierpnia 2006 r. pakiet dwóch nowych ustaw o biopaliwach. Są to:
Ustawa o biokomponentach i biopaliwach,
Ustawa o systemie monitorowania i kontrolowania jakości biopaliw.
Przepisy te weszły w życie 1 stycznia 2007 roku. Określają one zasady wykonywania działalności w zakresie wprowadzania do obrotu biokomponentów i biopaliw oraz produkcję na własny użytek. Ustawa daje rolnikom możliwość wytwarzania na własny użytek wszystkich rodzajów biopaliw ciekłych, stanowiących samoistne paliwa w ilości maksymalnej 100 l/hektar. Określono również sposób oznaczania paliw. Jeżeli udział biokomponentów w paliwach standardowych wynosi 5%, to nie musi być specjalnie oznaczane. Dopiero dodatek powyżej 5% może być sprzedawany w specjalnie oznaczanych dystrybutorach. Ustawa o systemie monitorowania i kontroli jakości paliw stwarza możliwości badania paliw stosowanych w pojazdach. Kontrole prowadzone są przez Inspekcję Handlową u wszystkich podmiotów zajmujących się obrotem paliwami.
W dniu 27 kwietnia 2007r. Sejm przyjął nowelizację ustawy o podatku akcyzowym oraz kilku innych ustaw. Na jej podstawie ustalono odliczenie od akcyzy w wysokości 1,565 złotych za każdy dodany litr biokomponentów do benzym i 1,048 złotego za każdy dodany litr biokomponentów do oleju napędowego. Ustalono stawkę akcyzy do biopaliw samoistnych w wysokości 1 grosza od 1 litra. Ponadto zniesiono opłatę paliwową dla biopaliw, która wynosi dla paliw konwencjonalnych 9 groszy na litr. Dla rolników, którzy zakontraktują rzepak na cele energetyczne, otrzymają oprócz dopłaty bezpośredniej dopłatę energetyczną w wysokości 45 euro/hektar [31].
6.1 Dokumenty Unii Europejskiej
Polityka państw Unii Europejskiej nakierowana jest na szersze wykorzystanie zasobów odnawialnych źródeł energii. W ostatnich latach powstało szereg dokumentów politycznych i strategicznych tworzących dogodny klimat dla rozwoju energetyki odnawialnej. Kraje Unii Europejskiej swoje stanowisko w kwestii stosowania odnawialnych źródeł energii, a więc również biopaliw, określiły w dokumentach wspólnotowych:
Biała Księga „Energia dla przyszłości- odnawialne źródła energii" z 1997 r. - dokument określa strategię rozwoju odnawialnych źródeł energii w krajach Unii Europejskiej,
Zielona Księga „O bezpieczeństwie energetycznym" z 2000 r. - określono w tym dokumencie wzrost udziału odnawialnych źródeł energii w ogólnej produkcji energii do roku 2010 - do 12% i w produkcji energii elektrycznej - do 22%,
Plan działania w sprawie biomasy z 2005 r. - z dokumentu wynika, że biomasa jest i będzie w najbliższych latach podstawowym odnawialnym źródłem energii w UE.
Aktami prawnymi o charakterze ustrojowym są Dyrektywy Unii Europejskiej, na podstawie których państwa członkowskie Unii wprowadzają własne, krajowe regulacje prawne dotyczące funkcjonowania różnych dziedzin gospodarki. Do dyrektyw, które mają wpływ na uwarunkowania rozwoju energetyki odnawialnej, należą przede wszystkim:
Dyrektywa 2001/77/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie wspierania na rynku wewnętrznym produkcji energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych z dnia 27.09.2001 r,
Dyrektywa 2001/80/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie ograniczania emisji niektórych zanieczyszczeń do powietrza z dużych obiektów energetycznego spalania z dnia 23.10.2001 r,
Dyrektywa 2003/30/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie wspierania użycia w transporcie biopaliw lub innych paliw odnawialnych z dnia 8.05.2003 r. - ma ona celu promowanie użycia biopaliw lub innych odnawialnych paliw zamiast oleju napędowego lub benzyny, stosowanych w transporcie w każdym z państw członkowskich,
Komunikat Komisji WE COM(2005)628 Plan działania w sprawie biomasy z 07.12.2005 r. określa środki mające na celu zwiększenie pozyskania energii z biomasy poprzez tworzenie rynkowych zachęt do jej wykorzystywania i usuwanie barier dla rozwoju rynku,
Opinia Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego w sprawie odnawialnych źródeł energii (2006/C 65/20) podkreśla ona konieczność rozwoju systemów wsparcia wykorzystania odnawialnych źródeł energii, w tym szczególnie biomasy, będącej w chwili obecnej najważniejszym odnawialnym źródłem energii,
Rozporządzenie Rady nr 2012/2006 z dnia 19.12.2006 r. zmieniające i poprawiające Rozporządzenie (WE) nr 1782/2003 ustanawiające wspólne zasady dla systemów wsparcia bezpośredniego w ramach wspólnej polityki rolnej i ustanawiające określone systemy wsparcia dla rolników. Zmienia ponadto rozporządzenie (WE) nr 1698/2005 w sprawie wsparcia rozwoju obszarów wiejskich przez Europejski Fundusz Rolny na rzecz Rozwoju Obszarów Wiejskich (EFRROW).Umożliwia to stosowanie pomocy dla rolników uprawiających rośliny energetyczne. Przepisy wykonawcze dotyczące płatności z tytułu roślin energetycznych znajdują się w rozporządzeniu Komisji (WE) nr 1973/2004 z dnia 29 października 2004r. ustanawiającego szczegółowe zasady stosowania rozporządzenia Rady (WE) nr 1782/2003 [17].
6.2 Dokumenty krajowe
Podstawowym dokumentem prawa krajowego, regulującym zagadnienia energetyki odnawialnej, jest ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne (Dz U. z 2003 r. Nr 153, poz. 1504 z późniejszymi zmianami). Ustawa określa zasady kształtowania polityki energetycznej państwa, zasady i warunki zaopatrzenia i użytkowania paliw i energii, w tym ciepła, zasady działalności przedsiębiorstw energetycznych oraz organy właściwe w sprawach gospodarki paliwami i energią. Szczegółowe warunki realizacji przepisów ustawy Prawo energetyczne regulują rozporządzenia wykonawcze [17]. Ustawa Prawo energetyczne, zawiera mechanizm wsparcia wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych w postaci tzw. zielonych certyfikatów oraz podobny mechanizm wsparcia dla energii elektrycznej wytwarzanej w kogeneracji w formule czerwonych certyfikatów. Resortem odpowiedzialnym za tworzenie i wdrożenie polityki energetycznej oraz większości rozporządzeń wykonawczych do ustawy Prawo Energetyczne jest Ministerstwo Gospodarki. Jego główne zadania to: zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego kraju i wspieranie rozwoju gospodarczego przy minimalizacji wpływu sektora energetycznego na środowisko. Zadaniem Ministerstwa jest także harmonizacja regulacji prawnych w sferze gospodarczej z polityką Unii Europejskiej, w tym liberalizacja rynku energii, zróżnicowanie źródeł energii, tworzenie warunków rozwoju lokalnych rynków energetycznych, zwiększenie wykorzystania energii odnawialnej. Urząd Regulacji Energetyki współpracuje ściśle z Ministerstwem Gospodarki i odpowiada za wydawanie koncesji i zatwierdzanie cen energii kalkulowanych przez przedsiębiorstwa energetyczne.
Polityka energetyczna Polski do 2025 roku z dnia 22 grudnia 2004 r., to dokument, który zawiera pakiet działań, mających na celu zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego, konkurencyjności gospodarki, jej efektywności energetycznej oraz ochrony środowiska. Za najistotniejsze zasady polityki energetycznej uważa się :
zasadę harmonijnego gospodarowania energią w warunkach społecznej gospodarki rynkowej,
pełną integrację polskiej energetyki z europejską i światową,
wypełnianie zobowiązań traktatowych Polski.
Polityka energetyczna jest realizowana zarówno przez administrację rządową, jak i samorządową. Administracja publiczna podejmuje działania wspierające rozwój i prawidłowe funkcjonowanie sektora paliwowo-energetycznego. Ponadto upowszechnia się ideę partnerstwa publiczno - prywatnego na szczeblu regionalnym i lokalnym. [49] Innymi ustawami istotnymi dla rozwoju OZE w tym biomasy i biopaliw są:
Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001r. - Prawo ochrony środowiska (Dz. U. z 2006r. Nr 129, poz. 902 z późn. zm.),
Ustawa z dnia 18 lipca 2001r. - Prawo wodne (Dz. U. z 2005r. Nr 239, poz. 2019, z późn. zm.),
Ustawa z dnia 16 kwietnia 2004 r. o ochronie przyrody (Dz. U. Nr 92, poz. 880 z późn. zm),
Ustawa z dnia 4 lutego 1994r. Prawo geologiczne i górnicze (Dz. U. z 2005r. Nr 228 poz. 1947 z późn. zm.),
Ustawa z dnia 22 grudnia 2004 r. o handlu uprawnieniami do emisji do powietrza gazów cieplarnianych i innych substancji (Dz. U. Nr 281, poz. 2784),
Ustawa z dnia 25 sierpnia 2006 r. o biokomponentach i biopaliwach ciekłych (Dz. U. Nr 169 poz. 1199, z późn. zm.),
Ustawa z dnia 25 sierpnia 2006r. z o systemie monitorowania i kontrolowania jakości paliw (Dz. U. Nr 169 poz. 1200),
Ustawa z dnia 26 stycznia 2007r. o płatnościach do gruntów rolnych i płatności cukrowej (Dz. U. Nr 35, poz. 217, z późn. zm.),
7. Porównanie rynku biopaliw w UE i Polsce
Europejski rynek biopaliw jest daleko bardziej rozwinięty od polskiego, głównie z powodu rozwiązań legislacyjnych sprzyjających producentom i konsumentom biopaliw. Analitycy rynku paliwowego przewidują, że czynnikiem stabilizującym rynek biopaliw w Europie będą dyrektywy unijne nakazujące systematyczne zwiększenie udziału biopaliw w paliwach ciekłych używanych w transporcie. Zakładany przez Unię Europejską do 2010 r. wzrost w bilansie energetycznym odnawialnych źródeł energii do 12% oraz wzrost udziału do 20% w 2020 r. paliw alternatywnych w stosunku do paliw ropochodnych, również zwiększy produkcję biopaliw. Poniżej w tabeli zamieszczono wskaźniki minimalnego udziału biokomponentów. Unia Europejska ratyfikując Protokół z Kioto, zobowiązała się ponadto zmniejszyć emisje CO2 o 8% w okresie 2008-2012. Podejście do emisji CO2 oparte na analizie cyklu życia pokazuje, że biopaliwa generują o 50% mniej CO2 niż olej napędowy ropochodny. Między innymi ten argument przekonał poszczególne rządy państw członkowskich UE o celowości rozwoju rynku biopaliw [7].
Tablica 9.Plan działania Komisji Unii Europejskiej Produkcja biopaliw w Unii Europejskiej [18]
Rok/ minimalny udział |
Konsumpcja benzyny w tys. ton |
Konsumpcja diesla w tys. ton |
Razem w tys. ton |
2005/ 2,0 % |
2341 |
2532 |
4873 |
2006/ 2,75 % |
3219 |
3482 |
6701 |
2007/ 3,5 % |
4096 |
4431 |
8527 |
2008/ 4,25% |
4974 |
5381 |
10355 |
2009/ 5,0 % |
5852 |
6331 |
12183 |
2010/ 5,75% |
6730 |
7280 |
14010 |
7.1 Rynek biopaliw w UE
Według szacunków UE w 2004 r., w krajach członkowskich produkowano łącznie 2447 138 ton biopaliw. Wzrost w porównaniu z 2003 rokiem wyniósł 26,6 %, gdy produkcja kształtowała się na poziomie 1933 611 ton. To świadczy jak rynek biopaliw gwałtownie wzrasta.. W 2004 r., tak jak i rok wcześniej, europejskim liderem w produkcji biopaliw były Niemcy z wynikiem 1035 000 ton. Jest to rezultat obowiązującego tam korzystnego prawodawstwa, które wprowadza zwolnienia od podatku na paliwa alternatywne. Drugie miejsce zajmuje Francja, trzecie zaś należy do Włoch. Wśród nowych państw członkowskich prym wiodą Czechy (tab. 10) [43].
Tablica 10. Produkcja biopaliw w poszczególnych krajach UE [18]
Kraj UE |
2003 |
2004 |
Wzrost w % |
Niemcy |
715 000 |
1035 000 |
44,8 |
Francja |
357 000 |
348 000 |
-2,5 |
Włochy |
273 000 |
320 000 |
17,2 |
Czechy |
74 861 |
82 698 |
10,5 |
Dania |
41 000 |
70 000 |
70,7 |
Austria |
32 000 |
57 000 |
78,1 |
Słowacja |
0 |
15 000 |
- |
Hiszpania |
6 000 |
13 000 |
116,7 |
Wielka Brytania |
9 000 |
9 000 |
0,0 |
Litwa |
0 |
5 000 |
- |
Szwecja |
1000 |
1400 |
40, 0 |
7.1.1 Niemcy
Od początku 2004 roku Niemcy zezwoliły kompaniom naftowym na mieszanie biodisla z ropą w wysokości maksimum 5% zawartości. Mieszanka ta sprzedawana jest na stacjach bez podawania informacji o domieszce biokomponentów. To otworzyło ogromny rynek dla producentów biodiesla. Popyt dynamicznie wzrósł. Pierwszymi koncernami , które zaczęły stosować mieszanki były Shell i BP. Wkrótce inne rafinerie podążyły za nimi. Biodiesel jest tańszy od zwykłego oleju napędowego, a to skutecznie generuje popyt. Pod koniec 2006 roku produkcja biodiesla w Niemczech osiągnęła poziom 2,9 mln ton. W roku 2007 według Niemieckiego Stowarzyszenia Oleistych UFOP szacunki wynoszą 3,7 mln ton. Rząd Niemiec opodatkował biopaliwo od sierpnia 2006 r., a od 2007 r. nałożono obowiązek mieszania biopaliw z paliwami tradycyjnymi. To zmniejszyło konkurencyjność tego paliwa na rynku [8].
7.1.2 Francja
W grudniu rząd Francji otworzył przetarg na zwiększenie produkcji biopaliw do 1,8 mln ton, w tym 1,3 mln biodiesla. Przetarg ten był częścią narodowego planu zakładającego zwiększenie udziału biopaliw w paliwach konwencjonalnych do 5,75% w 2008 roku. W 2006 r. Francja utrzymała zachęty podatkowe dla producentów biopaliw, jednakże nie nałożono przymusowego mieszania biokomponentów z paliwami konwencjonalnymi. Francja do 2010 roku chce zostać liderem w produkcji biopaliw i w ten sposób chce prześcignąć Niemcy. Realizację tego planu ma wesprzeć narodowy plan, który zakłada zwiększanie udziału paliw ekologicznych do 5,75% w 2008 r., 7% w 2010 r. i 10% w 2015 roku. Formą wsparcia ze strony rządu jest udzielanie pożyczek, oraz udzielanie obniżek podatków do określonych ilości paliw, aby cena była konkurencyjna w stosunku do paliw konwencjonalnych. Zwiększy się równiż produkcja bioetanolu na cele energetyczne. Francja planuje budowę pierwszej w Europie fabryki bioetanolu opartej na przerobie kukurydzy. Francja przez to chce zdystansować inne kraje. Obecnie w produkcji bioetanolu Francja zajmuje drugie miejsce, a liderem w tej dziedzinie jest Hiszpania. Według prognoz Francja może uzyskać 880 tys. Ton etanolu w 2008 r. i 2 mln ton w 2015 r [8].
7.1.3 Włochy
W 2007 r. Włochy szacują gwałtowny wzrost produkcji biodiesla o ok. 500-600 tys. ton w porównaniu z rokiem 2004. Zużycie wewnętrzne wynosi 60-70%. Włochy są trzecim po Niemczech i Francji producentem biodiesla w Unii Europejskiej. W 2005r. wyprodukowano w tym kraju 396 tys. ton. W 2007 roku potencjał wynosi 1,1-1,2 mln ton. Stało się to dzięki powstaniu nowych zakładów przetwórczych. Jednak Włochy do 2010 r. nie osiągną unijnego celu zużycia 5,75% biopaliw, choć od lipca 2006r. rząd zdecydował się zwiększać ich udział o 1% rocznie [8].
7.2 Charakterystyka rynku biopaliw w Polsce
Zasoby oraz rynek biomasy i biopaliw w Polsce jest bardzo rozproszony. Podstawowym ograniczeniem szerszego wykorzystania biomasy w energetyce zawodowej jest brak czytelnych relacji pomiędzy plantatorami, a zakładami przetwórczymi. Podstawowe bariery ograniczające szerszy udział biomasy w zakładach energetycznych to:
cena oferowanej biomasy, która stanowi barierę szerszego jej wykorzystania przez energetykę zawodową, głownie w wyniku zbyt wysokiej ceny w odniesieniu do jednostki efektywnej energii z niej uzyskiwanej, w stosunku do węgla,
brak zorganizowanego rynku biomasy wiążącego dostawców oraz zakłady energetyczne wieloletnimi umowami wraz z czytelnym warunkami produkcji,
rozwój rynku biomasy jest uzależniony od powierzchni plantacji roślin energetycznych, uzyskiwanych plonów oraz opłacalności produkcji odnoszonej do cen podstawowych płodów rolnych jak zboża, buraki, rzepak,
w Polsce areał uprawy roślin potencjalnie przydatnych do produkcji biopaliw nie jest limitowany czynnikami przyrodniczymi i organizacyjnymi, natomiast barierę mogą stanowić czynniki ekonomiczne,
obecne, deklarowane zdolności produkcyjne w zakresie bioetanolu są porównywalne do przewidywanego zgodnie Dyrektywą 2003/30/EC zapotrzebowania w roku 2010,
w Polsce notuje się niski wskaźnik wartości energetycznej wykorzystania biopaliw w strukturze paliw transportowych, który wynosił ok. 0,3% w 2004r. Przewiduje się wzrost wykorzystania biopaliw w Polsce i podwyższenie wskaźnika do ok. 5,75% w 2010 r [25].
7.2.1 Rynek biomasy
Biomasa stała stanowi ponad 90% zużycia energii odnawialnej w Polsce. W porównaniu elektrownie wodne mają jedynie 5% udział, podczas gdy pozostałe źródła odnawialne odgrywają marginalną rolę. Rysunki poniżej przedstawiają dostępność kilku rodzajów biomasy w różnych częściach Polski. Według założeń krajowej polityki OŹE określonych w oficjalnym dokumencie „Strategia rozwoju energetyki odnawialnej”, udział OŹE w zużyciu energii pierwotnej musi wzrosnąć do7,5% w 2010 roku. Polskie cele polityczne są spójne z polityką Unii Europejskiej, która przyjmuje podwojenie energii odnawialnej do 12% w 2010 r. Tak więc niewątpliwie w nadchodzących latach nastąpi silny rozwój sektora energii odnawialnej w Polsce.
Biomasa stała jest najbardziej obiecującym źródłem energii odnawialnej w Polsce. Do produkcji energii elektrycznej zapotrzebowanie na biomasę wzrośnie do 100 PJ/rok do 2010 r. W związku ze wzrostem udziału źródeł odnawialnych w produkcji energii elektrycznej, rozwój OŹE jest obecnie stymulowany przez wprowadzone instrumenty prawne typu nakazowo - kontrolnego. Subsydia udzielane inwestycjom w OŹE, włączając w to projekty biomasowe, mają również istotne znaczenie. Są one fundowane w Polsce przez kilka krajowych i międzynarodowych instytucji finansowych. Do takich instytucji należą:
Ekofundusz,
Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej,
Fundusz Środowiskowy Banku Światowego GEF.
Przystąpienie do Unii Europejskiej otworzyło również dostęp do funduszy strukturalnych i Spójności Unii Europejskiej. Odnawialna energia należy do priorytetów tych funduszy. Protokół z Kioto jest również wykorzystywany w Polsce przy realizacji projektów biomasowych. Obecnie, wymuszenia prawne i subsydia są efektywnymi narzędziami polityki ekologicznej w dziedzinie rozwoju OŹE.
Polska jest krajem o dobrze rozwiniętym rolnictwie. Areał ziem uprawnych liczy 18 milionów ha. Stanowi to 60% terytorium kraju. Poprzez przemiany zachodzące w Polsce w latach dziewięćdziesiątych sektor rolniczy przeszedł wielkie zmiany W wyniku tego zmniejszyło się pogłowie zwierząt hodowlanych. Słoma, która stanowi ok. 8 milionów ton w roku stała się dostępna do wykorzystania dla celów energetycznych.. Dawne państwowe gospodarstwa rolne uległy likwidacji, co łącznie z procesami demograficznymi na wsi spowodowało, że ok. 10% całkowitego areału uprawnego leży odłogiem. Te ziemie mogą być potencjalnie wykorzystane na zakładanie plantacji energetycznych. Sady stanowią ok. 1% terytorium kraju. Mogą również potencjalnym źródłem biomasy. Obecnie, drewno odpadowe z pielęgnacji sadów najczęściej spalane jest na miejscu w ogniskach lub wykorzystywane lokalnie do celów opałowych. Lasy pokrywają 28,5% terytorium kraju. Z lasów pozyskuje się ok. 25 milionów m3 różnych asortymentów drewna . Drewno opałowe stanowi ok. 10% tego uzysku. Około połowa z pozostałych 90% może być wykorzystana energetycznie jako drzewne odpady poużytkowe [25].
Rys. 19. Zasoby słomy na cele energetyczne [29]
Rys. 20. Zasoby biomasy pozyskiwanej z lasów [29]
Rys. 21. Zasoby biomasy z upraw energetycznych [29]
Rys. 22. Ocena warunków dla rozwoju produkcji ciepła sieciowego biomasy wg województw w Polsce. Wartość 1.00 przyporządkowana jest średnim dla kraju warunkom dla realizacji projektów produkcji ciepła sieciowego z biomasy [25]
7.2.2 Rynek bioetanolu i bioestrów
Polska jest krajem dysponującym pokaźnymi zasobami mi biomasy, niezbędnymi do produkcji biopaliw I i II generacji. W Polsce produkcja bioetanolu jest dwufazowa. Pierwszą fazę stanowi produkcja destylatu rolniczego w gorzelni rolniczej z surowców rolniczych, a drugą - odwadnianie destylatu rolniczego w zakładzie odwadnianiającym do zawartości 99,8% spirytusu. Wykorzystanie bioetanolu w Polsce charakteryzowało się następującymi trendami:
znaczna dynamika wzrostu zużycia do roku 1997, kiedy to wykorzystano 110,6 mln litrów bioetanolu,
w następnych latach nastąpiła tendencja spadkowa, kiedy to wykorzystano 48,5 mln litrów bioetanolu,
lata 2005 i 2006 roku to ponowna tendencja wzrostowa wykorzystania.
Produkcję alkoholu etylowego prowadzi w kraju około 220 gorzelni. W warunkach polskich bioetanol wytwarzany jest z buraków, kukurydzy, pszenicy i żyta. Najbardziej ekonomiczna jest produkcja z kukurydzy. Ponadto, może być ona uprawiana na glebach lekkich, co umożliwia pełne wykorzystanie posiadanego areału gleb. W przyszłości najprawdopodobniej kukurydza będzie w Polsce rośliną uprawianą z przeznaczeniem do produkcji etanolu. Inne uprawy będą wykorzystane tylko w przypadku nadwyżek albo nadpsucia uniemożliwiającego wykorzystanie do celów konsumpcyjnych lub paszowych.
Polska jest jednym z ważniejszych europejskich producentów bioetanolu. Konieczność wykorzystania nadprodukcji spirytusu, wytwarzanego z nadwyżek produkcyjnych zboża, ziemniaków i melasy buraczanej sprawiła, że już we wczesnych latach 90 - tych w Polsce zaczęto produkować paliwo z dodatkiem bioetanolu. Głównymi użytkownikami bioetanolu w kraju są dwa koncerny paliwowe: PKN Orlen S.A. i Lotos S.A. Podstawowy surowiec do produkcji bioetanolu stanowi destylat rolniczy, produkowany w gorzelniach rolniczych z żyta i ziemniaków, przy czym obserwuje się zanikające znaczenie ziemniaków jako surowca. Wzrasta natomiast zainteresowanie innymi surowcami takimi jak: buraki cukrowe, pszenżyto czy kukurydza a także rożne odpady przemysłowe, głównie przemysłu spożywczego. Jeszcze kilkanaście lat temu w Polsce obok gorzelni rolniczych, funkcjonowały też gorzelnie przemysłowe (powiązane z Polmosami), produkujące spirytus z melasy i innych surowców.
Wytworzony w gorzelni destylat rolniczy trafia do zakładów odwadniających. Łącznie w kraju jest 17 zakładów deklarujących możliwość odwadniania i magazynowania bioetanolu. Krajowymi potentatami w produkcji bioetanolu jest Przedsiębiorstwo Przemysłu Fermentacyjnego Akwawit S.A. w Lesznie.
Obecny dwuetapowy system produkcji bioetanolu w Polsce (destylat z gorzelni w drugiej fazie odwadniany w innym zakładzie) jest systemem o wysokich nakładach i kosztach produkcji, dlatego jest kilka inwestycji w zakresie jednoetapowego procesu produkcji bioetanolu na dużą skalę. Planuje się wybudowanie kilku obiektów o wydajności 50-100 mln l/rok, co prawdopodobnie doprowadzi to do odmłodzenia sektora, ale spowoduje perturbacje w gorzelniach rolniczych, które będą zmuszone produkować wyłącznie spirytus konsumpcyjny [31].
Rys. 23. Użycie bioetanolu w paliwach transportowych w latch 1994 - 2007 w tys.m3[32]
Rys. 24. Miesięczne wykorzystanie bioetanolu jako biokomponentu do benzyn [27]
Tablica 11. Produkcja bioetanolu w latach 1994-2007 [32]
rok |
zużycie benzyn silnikowych w tys. m3 |
w tym bioetanol w tys.m3 |
udział % (% objętościowy) |
1994 |
7 325 |
27,0 |
0,37 |
1995 |
8 332 |
63,0 |
0,76 |
1996 |
6 174 |
100,9 |
1,63 |
1997 |
6 691 |
110,6 |
1,65 |
1998 |
6 672 |
99,8 |
1,50 |
1999 |
7 770 |
83,2 |
1,07 |
2000 |
6 808 |
51,4 |
0,75 |
2001 |
6 233 |
66,4 |
1,07 |
2002 |
5 645 |
82,8 |
1,47 |
2003 |
5 453 |
76,2 |
1,40 |
2004 |
5 564 |
48,5 |
0,87 |
2005 |
5 151 |
54,2 |
1,05 |
2006 |
5 326 |
106,8 |
2,01 |
2007 -I kwartał |
1 349 |
19,9 |
1,47 |
Tablica 12. Biopaliwa transporcie w latach 2000 - 2006 [32]
rok |
zużycie w transporcie (w tys. ton) |
udział % liczony wg wartości opałowej (2007 - wg objętości) |
|||
|
benzyny |
ON |
bioetanol |
estry |
|
2000 |
4 841 |
2 343 |
40,6 |
0 |
0,35 |
2001 |
4 484 |
2 562 |
52,4 |
0 |
0,46 |
2002 |
4 109 |
2 940 |
65,3 |
0 |
0,57 |
2003 |
3 941 |
3 606 |
60,1 |
0 |
0,49 |
2004 |
4 011 |
4 303 |
38,3 |
0 |
0,29 |
2005 |
3915 |
5 075 |
42,8 |
17,1 |
0,47 |
2006 |
4 048 |
6 042 |
84,3 |
44,9 |
0,92 |
2007 I kwartał |
1 025 |
1 886 |
15,7 |
7,4 |
1,47 |
Natomiast rynek bioestrów (biodiesla) znajduje się we wczesnej fazie rozwoju. Na rynku działa jeden aktywny podmiot. Jest to Rafineria Trzebinia S.A. Kłopotem jest brak norm prawnych pozwalających na masową sprzedaż produktów. Rynek surowca posiada duże możliwości zwiększenia potencjału produkcyjnego, a podstawowym surowcem jest rzepak i ziarno rzepakowe. Znaczna wartość funduszy unijnych przeznaczona na sektor rolnictwa.
W Polsce jest wysoce rozdrobniony rynek gospodarstw rolnych. To również utrudnia rozwój rynku [1]. W dalszej części przedstawiono wielkość produkcji i wykorzystanie bioestrów.
Tablica 13. Produkcja i sprzedaż biokomponentów w tys. ton w latach 2005 - 2006 [32]
Okres produkcji
|
Bioetanol |
Estry |
||||
|
Rok |
Dynamika 2005 = 100 |
Rok |
Dynamika 2005 = 100 |
||
|
2005 r. |
2006 r. |
|
2005 r. |
2006 r. |
|
biokomponenty wytworzone |
88 848 |
127 796 |
1,44 |
71641 |
90 972 |
1,27 |
sprzedaż ogółem |
92 356 |
131 266 |
1,42 |
45 607 |
61611 |
1,35 |
w tym podmiotom zagranicznym |
31099 |
37 983 |
1,22 |
43 068 |
51674 |
1,20 |
w tym podmiotom krajowym |
61257 |
93 283 |
1,52 |
2 539 |
9 937 |
3,91 |
Rys. 25. Miesięczne wykorzystanie etrów w Polsce jako biokomponentu do ON [27]
8. Perspektywy dalszego rozwoju polskiego rynku biopaliw.
Po roku 1990 w Polsce można zaobserwować znaczny wzrost wykorzystania odnawialnych źródeł energii, w tym również biopaliw. Rozwój energetyki odnawialnej następował bez wsparcia państwa, a jedynie w wyniku oddolnych inicjatyw drobnych inwestorów, wspomaganych przez nieliczne instytucje pozarządowe, a w późniejszym etapie także w wyniku pomocy samorządów. Przyczyn większego zainteresowania odnawialnymi źródłami energii można dopatrywać się również w wzroście cen paliw kopalnych. Wieloletnie dopłaty państwa do energii konwencjonalnej nie skłaniały do znaczącego zainteresowania się biopaliwami. [42]. Jednak przystąpienie do Unii Europejskiej i liczne zobowiązania wynikające z umów międzynarodowych zmieniły ten stan rzeczy. Możliwości wykorzystania biopaliw w Polsce są zbliżone do warunków istniejących w krajach Unii Europejskiej. Biopaliwa (zarówno estry, jak i bioetanol) produkowane w krajach UE są i pozostaną wyraźnie droższe od paliw węglowodorowych, produkowanych z ropy naftowej. Jedynie w Brazylii koszt produkcji bioetanolu z trzciny cukrowej jest porównywalny z kosztem produkcji benzyny z ropy naftowej. Z czasem ekonomika produkcji bioetanolu czy estru w UE, w wyniku skali produkcji i innych czynników, może ulec pewnej poprawie, ale nadal paliwa odnawialne pierwszej generacji będą wymagały silnej promocji, dofinansowania i innych narzędzi wsparcia. [20]. Wraz z rozwojem nowoczesnych technologii koszty produkcji biopaliw będą malały. Innym aspektem, który będzie wywoływał coraz większe zainteresowanie biopaliwami jest wzrastająca cena ropy naftowej. W niedługim czasie może się okazać, że opłacalność produkcji biopaliw będzie większa, niż paliw konwencjonalnych.
8.1 Szanse rozwoju biopaliw
Szansa dla rozwoju branży biopaliw w Polsce rysuje się tylko przy założeniu, że Rząd będzie podejmował rozważne decyzje promujące produkcję biopaliw w całym łańcuchu produkcyjnym, począwszy od uprawy rzepaku, poprzez produkcję oleju i estrów i skończywszy na mieszaniu biokomponentów z paliwami węglowodorowymi. Pełną wartość korzyści płynących z rozwoju polskiego rynku biopaliw można oszacować dopiero w momencie potencjalnego kryzysu paliwowego. Jednocześnie w przypadku zaniechania działań mających na celu rozwój polskiego rynku biopaliw, w sytuacji realnego zagrożenia kryzysem paliwowym będzie za późno, aby w krótkim okresie czasu nadgonić stracone lata. Sektor biopaliw sprzyja rozwojowi polskiej nauki i gospodarki i może pomóc Polsce nadrobić gospodarczy dystans, dzielący ją od wiodących państw Zjednoczonej Europy [28].
Promocja sektora biopaliw transportowych mana celu ograniczenie uzależnienia sektora paliwowego od dostaw głównego obecnie surowca - czyli ropy naftowej oraz ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, a także maksymalizacja wykorzystania źródeł energii odnawialnej. Rozwój rynku biopaliw może przyczynić się także do rozwoju innych sektorów takich jak rolnictwo czy przemysł.
Korzyści płynące dla rolników :
poprawa struktury zasiewów - wzrost areału uprawy rzepaku spowoduje ograniczenie powierzchni zajętej przez zboża (korzystne działanie przedplonu rzepaku na plony zbóż uprawianych następczo, ograniczenie chorób podstawy źdźbła porażających zboża),
możliwość wykorzystania odłogów,
Korzyści dla kraju to:
obniżka cen paliw,
nowe miejsca pracy,
poprawa stanu środowiska naturalnego (mniejsza emisja m.in. siarki, dwutlenku węgla),
poprawa niezależności energetycznej kraju [47].
Tablice 14, 15, 16 pokazują tabelaryczne zestawienia, w których wyznaczone są szanse i zagrożenia dla rynku (metoda analizy SWOT) .Tablica 14. Analiza SWOT dla biomasy [18]
Mocne strony |
Słabe strony |
|
Wysoki koszt i stosunkowo mała podaż biomasy na rynku, |
Szanse |
Zagrożenia |
Możliwość ściślejszej koordynacji polityk resortowych z polityka rolną kraju i UE
|
|
Tablica 15. Analiza SWOT dla biogazu [18]
Mocne strony |
Słabe strony |
|
|
Szanse |
Zagrożenia |
|
|
Tablica 16 Analiza SWOT dla biopaliw płynnych (bioester , bioetanol) [18]
Mocne strony |
Słabe strony |
|
|
Szanse |
Zagrożenia |
|
|
8.2 Prognozy na przyszłość
Biopaliwa mają niekwestionowaną przyszłość co wynika z kilku przesłanek:
pochodzą z zasobów odnawialnych, co oznacza, że są proste i skuteczne w wykorzystaniu,
możliwości zachowania nieodnawialnych zasobów energii,
całkowitego pokrycia zapotrzebowania energetycznego kraju,
odciążenia środowiska naturalnego emisjami, tak w sferze globalnej,
likwidacji zagrożeń wynikających z gromadzenia odpadów i osadów ściekowych, poprzez ich przekształcenie w paliwa płynne,
prostej i niezmienionej, w stosunku do dzisiejszej, logistyce,
uniwersalności w zastosowaniu zarówno w napędach dzisiejszych jak i w napędach nowo wprowadzanych, w tym w ogniwach paliwowych - przez co efektywniejszego wykorzystania energii zawartej w paliwie,
bezpieczeństwa socjalnego - stabilne miejsca pracy i większa ich liczba.
8.2.1 Narodowy Cel Wskaźnikowy
Narodowy Cel Wskaźnikowy oznacza minimalny udział biokomponentów i innych paliw odnawialnych w ogólnej ilości paliw ciekłych i biopaliw ciekłych zużywanych w ciągu roku kalendarzowego w transporcie, liczony według wartości opałowej.
Podmiot realizujący Narodowy Cel Wskaźnikowy wykonuje działalność gospodarczą w zakresie wytwarzania, importu lub nabycia wewnątrz Unii Europejskiej paliw ciekłych lub biopaliw ciekłych, oraz sprzedaje lub zbywa je w innej formie na terytorium Polski lub zużywa na potrzeby własne. Podmiot ten jest obowiązany zapewnić w danym roku co najmniej minimalny udział biokomponentów i innych paliw odnawialnych w ogólnej ilości paliw ciekłych i biopaliw ciekłych sprzedawanych, zbywanych w innej formie lub zużywanych przez niego na potrzeby własne. Ten minimalny udział liczony jest według wartości opałowej poszczególnych biokomponentów, którą określa rozporządzenie ministra właściwego do spraw gospodarki i jest równy Narodowemu Celowi Wskaźnikowemu. Rada Ministrów, co 3 lata, do dnia 15 czerwca danego roku, określa, w drodze rozporządzenia, Narodowe Cele Wskaźnikowe na kolejne 6 lat, biorąc pod uwagę możliwości surowcowe i wytwórcze, możliwości branży paliwowej oraz przepisy Unii Europejskiej w tym zakresie. W przypadku wystąpienia na rynku nadzwyczajnych zdarzeń skutkujących zmianą warunków zaopatrzenia w surowce rolnicze lub biomasę, Rada Ministrów może obniżyć, w drodze rozporządzenia, Narodowy Cel Wskaźnikowy wyznaczony na dany rok kalendarzowy. Rada Ministrów Ustaliła Następujące Narodowe Wskaźniki Celowe na lata 2008-2013:
Rok 2007 - 2,3 %,
Rok 2008 - 3,45 %,
Rok 2009 - 4,60 %,
Rok 2010 - 5,75 %,
Rok 2011 - 6,20 %,
Rok 2012 - 6,65 %,
Rok 2013 - 7,10 %.
W 2020 roku Narodowy Cel Wskaźnikowy ma wynosić 10% [32]. Dla podmiotów które, nie będą realizować Narodowego Celu Wskaźnikowego, wprowadzającego minimalne ilości biokompnentu w biopaliwach przewidziano kary pieniężne. Karę pieniężną może wymierzyć w drodze decyzji administracyjnej Prezes Agencji Rynku Rolnego, Wojewódzki Inspektor Inspekcji Handlowej oraz Prezes Urzędu Regulacji Energetyki [33].
8.2.2 Prognoza zapotrzebowania na biokomponenty i biopaliwa
Do 2025 r. prognozowany jest wzrost krajowego zużycia energii finalnej o 48÷55%, energii pierwotnej o 41÷50%, a energii elektrycznej o 80÷93%. Takie wyniki przyjęto z dokumentu "Polityka energetyczna Polski do 2025 r.", przyjęta 22 grudnia 2006 r. przez Radę Ministrów.
Uwzględniając dotychczasowy rozwój i zarysowane trendy rozwoju energetyki opartej na biomasie i biopaliwach zakłada się, że w Polsce w tego typu źródłach może przybyć około 800 MW, z tego:
z elektrociepłowni na drewno i słomę o mocy łącznej około 700 MW,
z elektrociepłowni na biogaz z wysypisk o mocy łącznej około 50 MW,
z elektrociepłowni na biogaz z produkcji rolniczej i z oczyszczalni komunalnych o mocy łącznej około 50 MW.
Łącznie produkcja energii elektrycznej z biomasy i biopaliw wyniesie w 2010 roku około 4,8 TWh.
Rozwój rynku biopaliw spowoduje, że zapotrzebowanie na estry metylowe będzie dynamicznie zwiększało się (tab. 17 i 18). Jeśli tempo tego wzrostu będzie zgodne z założeniami dyrektywy 2003/30/EC to w 2010 roku polski rynek będzie posiadał moce produkcyjne mogące oscylować w granicach miliona ton. Również w produkcji bioetanolu może nastąpić duży wzrost. Szacuje się że produkcja może wzrosnąć nawet 4-5 krotnie. Jest to niewątpliwie duża szansa dla licznych w Polsce gorzelni, które w ten sposób mogą z powodzeniem włączyć się w rynek biopaliw.
Tablica 17. Prognoza zapotrzebowania na surowce rolnicze [32]
|
rok |
2007 |
2008 |
2009 |
2010 |
2020 |
zapotrz. na bioetanol |
tys. m3 |
194,12 |
286,77 |
376,54 |
463,37 |
805,75 |
zapotrzebowanie na zboża (80% udział) |
tys. ton |
465,90 |
688,24 |
903,70 |
1112,09 |
1933,80 |
% udział w rynku zbóż |
X |
1,66% |
2,46% |
3,23% |
3,97% |
6,91% |
zapatrz.. na rośliny. okopowe |
tys. ton |
2 135 |
3 154 |
4 141 |
5 097 |
8 863 |
zapotrz. na estry (do ON ogółem) |
tys. m3 |
226,17 |
356,16 |
498,56 |
648,46 |
1 127,7 |
zapotrzebowanie na rzepak -75 % potrzeb |
tys. ton |
474,96 |
747,94 |
1046,98 |
1361,77 |
2368,30 |
zapotrz. na estry (do ON w transporcie) |
tys. m3 |
139,61 |
209,42 |
279,23 |
349,04 |
607,02 |
zapotrzebowanie na rzepak -75% potrzeb |
tys. ton |
293,18 |
439,78 |
586,38 |
732,98 |
1 274,7 |
% udział w rynku rzepaku |
X |
17,25% |
25,87% |
34,49% |
43,12% |
74,98% |
Tablica 18. Prognoza zapotrzebowania na biokomponenty w latach 2007-2020 [32]
Narodowy Cel Wskaźnikowy |
rok |
2007 |
2008 |
2009 |
2010 |
2012 |
2020 |
|
%wart. opał. |
2,30 |
3,45 |
4,60 |
5,75 |
6,65 |
10,00 |
NCW |
%/V |
3,68 |
5,52 |
7,36 |
9,21 |
10,65 |
16,01 |
benzyny |
tys. ton |
3980,00 |
3920,00 |
3800,00 |
3920,00 |
3800,00 |
3800,00 |
benzyna |
tys. m3 |
5272,00 |
5192,00 |
5113,00 |
5033,00 |
5033,00 |
5033,00 |
zapotrz. na bioetanol |
m3 |
194 123 |
286 766 |
376 537 |
463 307 |
535 825 |
805 752 |
NCW |
% opałowy |
2,30 |
3,45 |
4,60 |
5,75 |
6,65 |
10,00 |
NCW |
%/V |
2,44 |
3,66 |
4,88 |
6,10 |
7,06 |
10,61 |
ON |
tys. ton |
7 830 |
8 220 |
8 630 |
8 980 |
8 980 |
8 980 |
ON |
tys. m3 |
9 266 |
9 728 |
10 213 |
10 627 |
10 627 |
10 627 |
zapotrz. na estry -ogółem |
tys. m3 |
226,17 |
356,16 |
498,56 |
648,46 |
749,96 |
1 127,7 |
ON |
tys. m3 |
5 720 |
5 720 |
5 720 |
5 720 |
5 720 |
5 720 |
zapotrz. na estry -transport |
m3 |
139,61 |
209,42 |
279,23 |
349,04 |
403,67 |
607,02 |
-NCW dla roku 2007 - na podstawie rozporządzenia Ministra Gospodarki;
-NCW dla lat 2008 - 2013 - na podstawie rozporządzenia Rady Ministrów;
-NCW dla roku 2020 - pakiet energetyczny UE;
- zużycie benzyn i oleju napędowego na podstawie prognozy branży paliwowej do 2010 roku z założeniem utrzymania w latach następnych zużycia paliw ropopochodnych na niezmienionym poziomie.
- zużycie ON w transporcie na niezmienionym poziomie w analizowanym okresie czasu.
9. Zastosowanie biomasy w energetyce
Dynamiczny rozwój zastosowania biomasy w celach energetycznych w dużej mierze można zawdzięczać wysokiej sprawności pieców i kotłów. Dwie tony suchego drewna, słomy lub innego suszu są pod względem energetycznym równoważne tonie węgla. Różnica jest istotna jeżeli przeanalizuje ilość wydzielanego podczas spalania dwutlenku siarki. Różnica ta wynosi nawet o 80% mniej w przypadku spalania biomasy. Dwutlenku węgla uwalnia się tyle co rośliny pobrały w procesie fotosyntezy- a więc jest to bilans zerowy [45]. Biomasa jako paliwo pochodzi obecnie przede wszystkim z odpadów przemysłu rolno - spożywczego i leśnictwa. Jest nią w głównej mierze drewno, słoma oraz produkty uboczne z hodowli zwierząt albo z plantacji dobieranych specjalnie dla celów energetycznych. Rozwój elektroenergetyki bazującej na biomasie musi być związany z rozwojem upraw energetycznych umożliwiających zbiór w wysokości 20 ton suchej masy/ha na rok, co odpowiada ok. 15 ton węgla stosowanego w energetyce. Najatrakcyjniejsze jest obecnie współspalanie biomasy z węglem. Posiada ono wiele zalet w porównaniu ze spalaniem tych paliw oddzielnie. Pozwala od razu zastosować biomasę w kotłach o znacznych mocach i uzyskać wysoką sprawność przetwarzania. Węgiel odgrywa rolę stabilizatora procesu spalania i pozwala z kolei stosować biomasę o zmiennym składzie, w szczególności jeśli chodzi o zawartość wilgoci. Najczęściej stosowane w kraju technologie spalania to: pyłowe; w złożu stacjonarnym; w złożu fluidalnym. Wśród tych rozwiązań technologicznych kotły fluidalne są najbardziej przystosowane do zmian właściwości wprowadzonego paliwa, zaś najmniej pyłowe. Jedną z barier rozwoju jest cena biomasy. Cena produkcji energii z biomasy jest wyższa niż z węgla. Dodatkową barierą jest transport biomasy do ciepłowni lub elektrociepłowni. Ponoszone na ten cel koszty ograniczają obszar ekonomicznego dostępu do biomasy.
9.1 Przegląd czystych technologii węglowych
Węgiel jest jednym z najważniejszych źródeł energii, który zaspokaja ok. 25% światowego zapotrzebowana na energię i jest głównym paliwem do produkcji energii elektrycznej. Dzięki niemu wytwarza się 40% światowego zapotrzebowania na tą energię, a w przyszłości do roku 2030 udział ten może wzrosnąć do 44%. Roczne światowe zużycie węgla wynosi 5.600 milionów ton i w najbliższych latach oczekiwany jest znaczny wzrost wydobycia. Rezerwy złóż węgla szacuje się na około 150 lat przy obecnym wydobyciu. Jednym z czołowych producentów węgla przez długi czas była Wielka Brytania, dla której węgiel zaspokajał 20% zapotrzebowania na energię. Obecne zużycie wynosi tam ok. 60 mln ton z czego jedną trzecią wydobywa się w kraju a resztę importuje.
Węgiel jest również jednym z głównych źródeł zanieczyszczeń. Istnieją 3 główne podejścia do problemu emisji z węgla. Pierwsze podejście to oczyszczenie węgla w stanie surowym po wydobyciu z kopalni. Drugie to poprawa procesów przetwarzania węgla, co pozwala na zmniejszenie jego zużycia. I trzecie podejście to opracowanie technologii zorientowanych bezpośrednio na zmniejszenie emisji substancji szkodliwych. Do takich substancji zalicza się dwutlenki siarki, tlenki azotu i cząstki stałe, a w ostatnich latach zaczęto interesować się pierwiastkami śladowymi np. rtęć. Wiele uwagi jednak ostatnio zwraca się na dwutlenek węgla, ponieważ przyczynia się na globalne ocieplenie klimatu, a to wpływa na klimat, środowisko, ludzi oraz gospodarkę. Problem ten jest traktowany z dużą powagą na skalę międzynarodową i jest szczegółowo dokumentowany.
Przygotowanie węgla jest niezbędne, aby poprawić jakość wydobywanego węgla i dostosować go do różnych technologii przetwarzania. Do takich procesów można zaliczyć :
kruszenie i sortowanie wg wielkości,
mycie w celu zmniejszenia zawartości popiołu i siarki,
mieszanie różnych rodzajów węgla w celu osiągnięcia prawidłowych parametrów.
Przez długi czas Wielka Brytania przodowała w owacyjnych technologiach przetwarzania węgla. Wiele z tych technologii jest stosowane na skalę przemysłową. Firmy nadal pracują nad zwiększaniem wydajności i ekonomiczności tych procesów oraz nad zmniejszeniem niekorzystnego wpływu na środowisko.
Do produkcji energii elektrycznej służy technologia, której spala się pył węglowy w podkrytycznych i nadkrytycznych warunkach pary wodnej. Większość elektrowni działa na podkrytycznych warunkach pary wodnej, których sprawność cieplna dochodzi do ok. 40%. Elektrownie nadkrytyczne wykorzystujące parę o ciśnieniu ok. 221 barów osiągają wyższą sprawność. Pionierem tej technologii również była Wielka Brytania, która wprowadziła tą technologię już w latach 60. W ostatnich latach w Europie powstają elektrownie na kotły nadkrytyczne o parametrach 300 bar i 620 ºC i osiągają sprawność 46 do 48 %.Na całym świecie zapotrzebowanie na elektrownie nadkrytyczne wzrasta. W przyszłości planuje się stworzenie technologii na parametry 375 bar i 700 ºC i sprawności powyżej 50%. Budowa takiej elektrowni planowana jest na rok 2011.
9.1.1 Technologia cyklu kombinowanego ze zintegrowanym zgazowaniem
Wykorzystuje do produkcji energii kombinację cykli gazu i pary. Tlen i para używane są do zgazowania węgla, a powstały gaz syntezowy rozpręża się w turbinie gazowej. Gazy wydechowe z turbiny wykorzystywane są do produkcji pary dla turbiny parowej. Obecne urządzenia IGCC osiągają sprawność do 45% i charakteryzują się niską emisją dwutlenku siarki, tlenku węgla cząstek stałych. Szeroko tą technologię stosuje się w Europie, USA i w Japonii. W latach 70 został opracowany gazyfikator z ruchomym łożem „British Gas-Lurgi” BLG , który dostarczał syngaz z wysoką zawartością metanu. Był zaprojektowany do wydajnego wytwarzania syntetycznego gazu ziemnego z węgla. Obecnie taki gazyfikator pracuje w Niemczech przetwarzając odpady plastikowe i węgiel i metanol. Jak dotąd główną barierą w przemysłowym stosowaniu technologii IGCC były wyższe koszty kapitałowe w połączeniu z niesprawdzoną niezawodnością i mniejszą elastycznością roboczą w porównaniu do elektrowni opalanych pyłem węglowym [3].
9.1.2 Wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla
Dwutlenek węgla jako główny gaz cieplarniany powstaje przede wszystkim w skutek wykorzystania paliw kopalnych. Środki mogące zmniejszyć emisję tego gazu cieplarnianego to poprawa sprawności energetycznej wraz rozpowszechnianiem się technologii odnawialnych źródeł energii oraz rozwój technologii jądrowych. Jednakże fakt że 85% paliw w energetyce stanowią paliwa kopalne, mało prawdopodobne jest szybkie odejście od tych paliw bez zakłócania gospodarki globalnej. Dwutlenek węgla można ograniczyć poprzez zastosowanie wychwytu i geologiczne globalnej jego składowanie (CSS). Dlatego podejmuje się obecnie wysiłki w skali globalnej w celu opracowania metod wychwytu i składowania. Istnieje jednak wiele barier technicznych i nietechnicznych stojących na drodze przemysłowego zastosowania CSS, które trzeba pokonać. CSS wymaga ponadto dodatkowych nakładów energetycznych w porównaniu z tradycyjnymi technologiami wytwarzania energii. A to się wiąże z kosztami. Póki ten aspekt nie zostanie odpowiednio rozwiązany, to technologia CSS nie znajdzie zastosowania na skalę przemysłową.
Dwutlenek węgla można wychwytywać albo z gazów spalinowych po spaleniu albo z syngazu przed spaleniem. Dostępne są już technologie wychwytywania dwutlenku węgla z elektrowni opalanych węglem. Stosowana obecnie technika, która jest ogólnie preferowana, polega na płukaniu gazów spalinowych roztworem aminowym w celu absorpcji CO2. Amina z płuczki jest podgrzewana przez parę w celu uwolnienia wysokiego stężenia CO2 i ta amina może być wykorzystana powtórnie. Stężenie dwutlenku węgla opalanej węglem elektrowni wynosi ok. 14%. Stężenie to można zwiększyć do 90% poprzez zastosowanie do spalania tlenu zamiast powietrza. Jednakże prowadzi to do nadmiernego wzrostu temperatury. W celu zmniejszenia temperatury do optymalnego poziomu pewna część gazów spalinowych bogatych w dwutlenek węgla musi być użyta ponownie. Wychwyt ten przeprowadzono doświadczalnie, ale nie zastosowano go na skalę przemysłową.
Usuwanie dwutlenku węgla z gazów spalinowych wymaga obróbki dużych ilości gazu, toteż potrzebny jest duży sprzęt, a przez to zwiększają się koszty kapitałowe. Obróbka gazu zawierającego wyższe stężenie dwutlenku węgla pod wyższym ciśnieniem wymagałoby mniejszych zbiorników, mniejszego zużycia energii, ale innego silniejszego rozpuszczalnika. Tak jest w przypadku wychwytu przed spaleniem. W trakcie gazyfikacji węgla tworzy się syngaz, składający się głównie z tlenku węgla i wodoru. Jeśli tlenek węgla wejdzie w reakcję z parą wodną w reaktorze katalitycznym albo wymienniku, powstanie dwutlenek węgla i jeszcze więcej wodoru. Ten dwutlenek węgla może być oddzielony poprzez wychwyt przed spaleniem, a wodór zostanie zużyty do produkcji energii jako paliwo w turbinie gazowej elektrowni z cyklem kombinowanym [3].
Rys. 26. Wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla [3]
Rys. 27. Wychwytywanie dwutlenku węgla po spaleniu [3]
Rys. 28. Wychwytywanie dwutlenku węgla przed spaleniem [3]
Zubożałe złoża ropy naftowej i gazu mogą posłużyć do wydajnego składowania dwutlenku węgla. Tłoczenie CO2 do odpowiednich zubożałych złóż ropy może spowodować zwiększenie wydobycia ropy o ok. 10-15% w stosunku do poprzedniego wydobycia tych złóż. Ta technologia sprawdza się w USA. Istnieje również wiele podziemnych warstw wypełnionych wodą, które potencjalnie można by wykorzystać do składowania dwutlenku węgla. Warstwy te muszą być położone głęboko pod ziemią. Zawierałyby one wodę słoną, nienadającą się do wykorzystania jako woda pitna. Firma Statoil wtłacza rocznie milion ton dwutlenku węgla do warstwy wodonośnej pod norweską częścią Morza Północnego.
Inną możliwość składowania dają pokłady węgla nie nadające się do wydobycia. Dwutlenek węgla wtłoczony do tych zasobów zostaje absorbowany przez węgiel i zostaje w nim na stałe. Ponadto będzie wypierany metan znajdujący się w złożu węglowym. Projekt „RECOPOL” prowadzony przez Unie Europejską odbywał się w Polsce i demonstrował technologię ECBM [3].
9.2 Współspalanie węgla z biomasą
Racjonalne wykorzystanie odnawialnych zasobów energii odnawialnej jest bardzo istotnym elementów zrównoważonego rozwoju państwa. W Polsce największy potencjał do wykorzystania ma przede wszystkim biomasa, rozumiana jako drewno odpadowe z produkcji leśnej, uprawy szybkorosnącei, odpady z przemysłu rolniczego spożywczego oraz biogaz. Obecnie jedynie cztery jednostki energetyczne wytwarzają energię elektryczną bezpośrednio spalając jedynie biomasy.
Większym zainteresowaniem podmiotów krajowej elektroenergetyki i ciepłownictwa cieszą się technologie umożliwiające współspalanie biomasy z węglem w istniejących kotłach energetycznych. Rozwiązanie to jest najlepszym rozwiązaniem, jeśli chodzi o wykorzystanie biomasy w jednostkach wytwórczych o dużych mocach przy jednoczesnym zapewnieniu wysokiej sprawności konwersji energii chemicznej zawartej w spalanym paliwie. W chwili obecnej współspalanie biomasy jest realizowane na skalę przemysłową w kilkunastu krajowych elektrowniach i elektrociepłowniach. Spalanym paliwem jest głównie biomasa drzewna w postaci trocin, zrębków, pyłu i biogaz, ale również klasyfikowane jako biomasa odpady z produkcji zwierzęcej i roślinnej. Przeprowadzono również eksperymentalne testy współspalania osadów ściekowych w kotłach rusztowych i pyłowych.
9.2.1 Propozycje rozwiązań technologicznych
Produkcja energii odnawialnej w procesie współspalania biopaliw (biomasy i biogazu) i paliw konwencjonalnych w elektrociepłowniach może być realizowana w kilku wariantach technologicznych.
współspalanie bezpośrednie - do procesu spalania doprowadzany jest osobno strumień węgla i biomasy (bądź biogazu) lub gotowa mieszanka węgla i biomasy (tzw. mieszane paliwo wtórne)
współspalanie pośrednie - zachodzi w przypadkach, gdy spalanie biomasy bądź biogazu zachodzi w tzw. Przedpalenisku, a zaś entalpia powstających spalin wykorzystywana jest w komorze spalania, w której zabudowane są powierzchnie ogrzewalne bądź bezpośrednio jako czynnik grzejny w wymiennikach ciepłowniczych. Zgazowanie biomasy zachodzi w gazogeneratorze, a powstający gaz jest doprowadzany do komory spalania, gdzie jest spalany w palnikach gazowych.
współspalanie w układzie równoległym - każde paliwo konwencjonalne i odnawialne jest spalane w osobnej komorze spalania z zachowaniem indywidualnych wymogów odnośnie do procesu spalania. Szczególnym przypadkiem współspalania równoległego jest tzw. układ hybrydowy. Układu hybrydowy jest to układ jednostek wytwórczych pracujących na wspólny kolektor parowy oraz zużywający w procesie spalania odpowiednio biomasę lub biogaz i paliwa konwencjonalne [30].
Rys. 29. Uproszczony schemat współspalania bezpośredniego [30]
Rys. 30. Uproszczony schemat współspalania pośredniego [30].
Rys. 31. Uproszczony schemat współspalania w układzie hybrydowym [30]
9.2.2 Biomasa jako paliwo kotłowe
Porównując właściwości węgla kamiennego stosowanego w energetyce i biomasy należy stwierdzić, że jakościowo podstawowy skład pierwiastkowy jest taki sam. Różnice występują w udziałach poszczególnych pierwiastków i związków chemicznych. Biomasa zawiera średnio ok. czterokrotnie więcej tlenu, dwukrotnie mniej pierwiastka węgla, ale również mniej siarki i azotu. Konsekwencją tych właściwości jest wysoka zawartość części lotnych i wysoka reaktywność biomasy .Niekorzystną cechą biomasy jest jej wysoka i zawartość wilgoci. Konsekwencją tych właściwości jest również niższa wartość. Kolejną różnicą jest znacznie niższa gęstość nasypowa biomasy, czego konsekwencją jest droższy transport oraz wymagania dotyczące większych powierzchni składowisk. Jednocześnie w porównaniu z węglem, biomasa charakteryzuje się dużo wyższą zawartością związków alkalicznych a zwłaszcza potasu, wapnia i fosforu, a w przypadku słomy i innych roślin jednorocznych, a także liści i kory drzew, również wysoką zawartością chloru, co może prowadzić do wzmożonej korozji oraz narastania agresywnych osadów w kotle podczas jej bezpośredniego spalania. Dodatnią cechą biomasy są znacznie niższe, w porównaniu z węglem, zawartości popiołu i siarki. Właściwości fizykochemiczne biomasy powodują, że jest ona paliwem trudnym technologicznie, znacznie różniącym się od węgla spalanego w kotłach energetycznych. Podstawowe różnice między tymi paliwami to:
wyższa zawartość wilgoci w surowej biomasie, która wpływa negatywnie na efektywność procesu spalania,
wyższa zawartość części lotnych, a to wpływa warunki zapłonu i spalania,
niższa wartość opałowa surowej biomasy,
jakościowo zbliżony skład chemiczny, choć występują różnice w składzie ilościowym.
Tablica 19. Właściwości biomasy [22]
Paliwa: |
Zawa-rtość wilgoci całkowitej
Wtr % |
Zawartość wilgotności w próbce analitycznej
Wa % |
Zawartość części lotnych
Va % |
Zawa-rtość popiołu
Aa % |
Zawartość siarki całkowitej
SRa % |
Węgiel |
8,2 |
2,0 |
26,67 |
22,2 |
0,92 |
Zrębki z wierzby energetycznej |
28,0 |
11,3 |
69,6 |
2,2 |
0,08 |
Zrębki sosnowe |
55,8 |
5,3 |
Nie oznaczono |
0,3 |
Poniżej 0,02 |
Zrębki bukowe |
46,6 |
7,1 |
Nie oznaczono |
0,8 |
Poniżej 0,02 |
Tablica 20. Skład chemiczny popiołu węgla i biomasy drzewnej
Rodzaje paliwa Zawartość % |
Węgiel Kamienny |
Zrębki wierzby energetycznej |
Zrębki sosny |
Zrębki bukowe |
SOx |
50,82 |
18,97 |
28,25 |
30,47 |
AL2O3 |
26,64 |
3,52 |
4,56 |
3,53 |
Fe2O3 |
6,16 |
2,09 |
5,02 |
2,14 |
CaO |
2,66 |
44,50 |
36,54 |
29,60 |
Na2O |
1,12 |
0,58 |
1,20 |
0,35 |
K2O |
2,98 |
8,51 |
6,26 |
10,27 |
P2O5 |
0,89 |
5,90 |
0,66 |
2,68 |
SO3 |
2,07 |
3,15 |
0,58 |
1,71 |
TiO2 |
1,16 |
0,15 |
0,10 |
0,22 |
BaO |
0,52 |
0,09 |
0,04 |
0,35 |
SiO |
0,06 |
0,10 |
0,01 |
0,06 |
9.2.3 Aspekty środowiskowe
Wskaźnik dwutlenku węgla dla biomasy wynosi zero, a co za tym idzie do dokumentowania emisji CO2 dla rozliczania posiadanych uprawnień emisji będzie wynosił zero.
We wszystkich analizowanych przypadkach współspalania biomasy zaobserwowano pozytywny efekt polegający na zmniejszeniu emisji substancji szkodliwych do atmosfery. Odnotowano zmniejszenie emisji tlenków siarki, azotu oraz spadek zawartości pyłu w spalinach.
Rys. 32. Względna efektywność emisyjna współspalania węgla i zrębków wierzby energetycznej w kotle OP-230 [30]
Rys. 33. Względna efektywność emisyjna współspalania węgla i tzw. trocin pofiltracyjnych w kotle OP-230 [30]
W kotłach pyłowych stosuje się często metodę ograniczania emisji tlenków azotu - tzw. reburning. Polega ona na utworzeniu w całej komorze spalania trzech stref o zróżnicowanych warunkach stechiometrycznych i podaniu do strefy drugiej tzw. paliwa reburningowego. Dostarczenie dodatkowego paliwa w strefie reburningowej tworzy atmosferę silnie redukcyjną. Ocenia się, że wprowadzenie gazu z procesu zgazowania przy jednoczesnej próbie utworzenia trzech stref spalania w kotle rusztowym powinno dać podobny efekt jak zastosowanie reburningu w kotle pyłowym [30].
9.3 Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych urządzeń kotłowych
Spalanie biomasy od samego początku było dużym wyzwaniem dla pionu produkcji. Biomasa zmusiła do opanowania zupełnie nowego sposobu pracy urządzeń dawkujących paliwo do kotłów, zespołów młynowych oraz nowego podejścia do procesu spalania już w samych kotłach. Początki były trudne jednak, już w tej chwili istnieją efektywne technologie pozwalające spalać ten rodzaj paliwa. Biomasa skutecznie pozwala ograniczyć spalanie węgla, w miejsce którego można spalać produkty uboczne z przemysłu drzewnego i rolno - przetwórczego, które trafiłyby np. na wysypiska odpadów. Dziś mogą być przetworzone na paliwo odnawialne z korzyścią dla wszystkich.
Rys. 34. Schemat blokowy kotłowni opalanej słomą [19]
Rys. 35. Ruszty konstrukcji ALSTOM do spalania biomasy posuwowo-zwrotny [19]
Rys. 36. Instalacja zgazowania z układem oczyszczania gazu firmy FOSTER WHEELER [19]
Rys. 37. Koncepcja utworzenia trzech stref spalania w komorze parowego kotła rusztowego [22]
10. Podsumowanie
Biopaliwa wzbudzają wiele emocji, zarówno w naszym kraju, jak również w Europie i na świecie. Rynek biopaliw w Polsce dopiero się tworzy. Polska ma dość dobry potencjał do wytwarzania biopaliw, a więc z powodzeniem zasoby te można wykorzystać. Biopaliwa ze względu na swoją wszechstronność, mogą być wykorzystywane w wielu dziedzinach, takich jak: elektroenergetyka, ciepłownictwo, transport.
Już od dłuższego czasu interesowano się aspektem ochrony środowiska. Wykorzystanie paliw konwencjonalnych mocno nadszarpnęły równowagę w środowisku naturalnym. Dlatego z tego powodu zaczęto interesować się biopaliwami. Główną ich zaletą jest zmniejszenie negatywnego oddziaływania na środowisko. Dzięki zastosowaniu paliw alternatywnych w energetyce, redukuje się wydzielanie szkodliwych związków do atmosfery, takich jak CO2, NOX, SOX.
Inną zaletą biopaliw jest łatwość zastosowania w dotychczasowych technologiach, najczęściej w postaci mieszanek z paliwami konwencjonalnymi. Biopaliwa z powodzeniem spalane są w elektrowniach i ciepłowniach, nie zmniejszając przy tym sprawności kotłów. Natomiast bioestry i bioetanole sukcesywnie wykorzystuje się do zasilania silników spalinowych.
Paliwa alternatywne niestety mają również swoje słabe strony. Główną wadą są koszta wytworzenia biopaliw, które przewyższają koszty paliw konwencjonalnych. Jednakże w dłuższej perspektywie czasu sytuacja ta może się zmienić. Widać to choćby po cenach ropy naftowej, której cena w ostatnim czasie ciągle wzrasta. Jeżeli taka tendencja cenowa konwencjonalnych surowców energetycznych będzie się utrzymywać, to biopaliwa będą odgrywać coraz silniejszą rolę na rynku energetycznym.
Oczywiście rozwój rynku biopaliw nie będzie następował samoistnie. Potrzebne są tu odpowiednie regulacje prawne. Wzrost użytkowania biopaliw jest niezmiernie silnie popierany przez Wspólnotę Europejską. Świadczą o tym zarówno akty prawne, dokumenty o charakterze politycznym, jak i przeznaczanie znacznych kwot na rozwój tego sektora w ramach programów. Rozwój sektora biopaliw jest dla Unii Europejskiej środkiem, który ma uratować bezpieczeństwo energetyczne, przyczynić się do ochrony środowiska, przynajmniej częściowo uniezależnić się od dostaw z zewnątrz UE i wypełnić zobowiązania międzynarodowe m.in. Protokołu z Kioto. Polska jako jeden z członków Unii Europejskiej również zobowiązała się do wprowadzenia na rynek energetyczny biopaliw. Najnowszym dokumentem, który zawiera wytyczne rozwoju w tej dziedzinie jest „Wieloletni program promocji biopaliw lub innych paliw odnawialnych na lata 2008 - 2014” z dnia 24 lipca 2007 r. Dokument zawiera wskazówki dotyczące rozwiązań legislacyjnych oraz Narodowy Cel Wskaźnikowy, który w 2014r. ma wynieść 7,55%. W rezultacie dotychczasowych działań mających na celu rozwój rynku biokomponentów i biopaliw ciekłych w Polsce, powstała formalna możliwość dodawania 5% bioetanolu do benzyn silnikowych oraz 5% estrów metylowych kwasów tłuszczowych do oleju napędowego.
Niestety, porównując polski rynek biopaliw z innymi krajami, to można stwierdzić, że Polska nie jest w tej dziedzinie potentatem. Polsce potrzebne są trafne rozwiązania prawne, które odpowiednio będą mogły stymulować rynek do rozwoju.
Jeśli chodzi o wykorzystanie OZE, to Unia Europejska postawiła sobie dość wysokie założenia. Ale już w tej chwili wiadomo jest, że zwiększenie udziału energii produkowanej z OZE w 2020r. do 20 % całkowitego zużycia energii średnio w UE jest mało prawdopodobne, a w samej Polsce - wręcz niemożliwe.
Biopaliwa są dobrym rozwiązaniem dla energetyki, ale także dla innych dziedzin. Rynek biopaliw polepszyłby kondycję wielu sektorów, m.in.: rolnictwo, przemysł, transport. Polska ze względu na duży potencjał w produkcji biopaliw może z sukcesem ten walor wykorzystać. Można więc stwierdzić, że przed Polską stoi wielka szansa rozwoju.
Literatura
Alchemia S.A. i Skotan S.A.: Na rynku biopaliw; 2006.
Atlas Geograficzny Świat Polska, PPWK Nowa Era.
Burnard K., Chakraborty R.: Przegląd czystych technologii węglowych; nr 2/2007 str. 13-16, „Gigawat energia”.
Rogulska M.: CLN/ECBREC; 2006.
Dyrektywa 2001/77/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 września 2001.
Dyrektywa 2003/30/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 8 maja 2003.
ElstarOils: Informacja prasowa z dnia 12.07.2005r.; Kraków.
Fundacja Programów Pomocy Dla Rolnictwa: Międzynarodowy rynek biopaliw - stan rozwoju i perspektywy; Warszawa, 2007.
Gazar C., Lindgren K.:Global energy scenarios meeting stringent CO2 constraints - cost - effective fuel choices in the transportation sector; 2003.
Główny Urząd Statystyczny: Ochrona środowiska; Warszawa 2005.
Instytut Energii Atomowej: Opracowania własne, 2002.
Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej: Opracowania własne
Krajewska K.: Konferencja Bezpieczeństwo Energetyczne Kraju - Czy poradzimy sobie sami?; Warszawa, 7 czerwca 2006.
Komunikat Komisji Europejskiej: Plan działania w sprawie biomasy; Komisja Wspólnot Europejskich, 2005.
Komunikat Komisji Europejskiej: Paliwa alternatywne w transporcie drogowym i zestaw środków promujących stosowanie biopaliw; 2001.
Komunikat Komisji Europejskiej - Raport końcowy: Strategia UE na rzecz biopaliw, 2006.
Kowalczyk - Jusko A: Stan aktualny i przyszłość upraw roślin energetycznych w aspekcie krajowych i unijnych uregulowaną prawnych; Akademia Rolnicza, Zamość 2006.
Krajowa Agencja Poszanowania Energii: Ocena prawna oraz analiza ekonomiczna możliwości realizacji celów wynikających ze Strategii rozwoju energetyki odnawialnej oraz z dyrektywy 2001/77/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27.09.2001 w sprawie wspierania produkcji na rynku wewnętrznym energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych; Warszawa, 2007.
Kruczek S.: Spalanie i współspalanie biomasy z paliwami kopalnymi; Politechnika Wrocławska.
Kupczyk A.: Stan obecny i perspektywy wykorzystania biopaliw transportowych w Polsce na tle UE; Energetyka i Ekologia, str. 485, nr 6-7/2007.
Lewandowski W.: Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2001.
Lorenc H.: Energia & Przemysł; IMiGW, marzec 2007.
MDI Strategic Solutions: Analiza sytuacji na polskim rynku paliwowym; Warszawa, czerwiec 2007.
MEMO/07/5: Propagowanie biopaliw jako skutecznej alternatywy dla ropy w sektorze transportu; Bruksela, 10 stycznia 2007.
Program SAVE: Ocena rynku biomasy - synteza raportu końcowego; 2004.
Rada Ministrów: Plan wieloletniego programu promocji biopaliw lub innych paliw odnawialnych na lata 2008-2014; 24 lipca 2007.
Ruciński D.: Prezentacja - rozwój rynków biopaliw w Polsce; Krajowa Izba Biopaliw, Warszawa, 25 wrzesień 2005.
Stanowisko Krajowej Izby Biopaliw, Krajowego Związku Rolników, Kółek i Organizacji Rolniczych, Krajowej Rady Izb Rolniczych oraz Krajowego Zrzeszenia Producentów Rzepaku w sprawie realizacji ustawy biokomponentach i biopaliwach ciekłych oraz rozporządzenia Ministra Finansów z 22 grudnia 2006r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie zwolnień od podatku akcyzowego.
Szlachta J.: Zasoby biomasy, zapotrzebowanie na biomasę energetyki zawodowej, transportu oraz perspektywy przyszłego lokalnego rynku energii odnawialnej; Akademia Rolnicza we Wrocławiu.
Ściążko M., Zuwała J., Pronobis M.: Zalety i wady współspalania biomasy w kotłach energetycznych na tle doświadczeń eksploatacyjnych pierwszego roku współspalania biomasy na skalę przemysłową; Energetyka i ekologia, str. 207-220, nr 3/2006
Zakrzewski T., Biopaliwa - szansa czy konieczność; Krajowa Izba Biopaliw, Warszawa 2007.
Żmuda K: Rynek biopaliw w Polsce stan obecny i prognozy na przyszłość w świetle posiadanego potencjału surowcowego; Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi, Warszawa 2007.
Strona internetowa: www.biodiesel.pl/swiat_i_polska/prawo/nowa_ustawa_o_biopaliwach/]
Strona internetowa: www.biomasa.org/index.php?d=artykul&kat=52&art=48
Strona internetowa: www.biomasa.org/index.php?d=artykul&kat=63&art=60]
Strona internetowa: www.cire.pl
Strona internetowa: www.cire.pl/zielonaenergia/sloneczna.html?smid=25
Strona internetowa: www.ekoenergia.pl/index.php?cms=31&plik=Biopaliwa.html]
Strona internetowa: www.ekologika.pl/modules.php?name=News&file=article&sid=45
Strona internetowa: www.enea.pl
Strona internetowa: www.energiack.w.interia.pl
Strona internetowa: www.energia-odnawialna.net/perspektywy.html
Strona internetowa: www.e-petrol.pl/index.php/uslugi/prawoue/biopaliwa.html
Strona internetowa: www.europa.eu/rapid/pressReleasesAction.do?reference=MEMO/07/7&format=HTML&aged=0&language=PL&guiLanguage=pl
Strona internetowa: www.gajanet.pl/Energia
Strona internetowa: www.ibmer.waw.pl/ecbrec/main.html www.jaron.salon24.pl/44002,index.html
Strona internetowa: www.kyotoinhome.info/PL/biomass/basic_principles.htm
Strona internetowa: www.mg.gov.pl/Wiadomosci/Gospodarka/Polityka+energetyczna+do+2025+roku+zaakceptowana+przez+Rade+Ministrow.htm
Strona internetowa: www.mos.gov.pl/oze/akty_prawne/wykaz.shtml
Strona internetowa: www.psew.pl/energetyka_wiatrowa.htm
Strona internetowa: www.vestas.com
Strona internetowa: www.wikipedia.org/wiki/Gaz_ziemny
Strona internetowa: www.zb.eco.pl/bzb/27/energia1.htm
73
93
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Perspektywy rozwoju polskiego systemu rozliczeniowego w SEPA
Polski inzynier w Europie wersja finalna
Perspektywy rozwoju nowoczesnych usług bankowych na rynku Polskim
Perspektywy rozwoju rynku cementu w Polsce
Małoskalowa energetyka biogazowa– perspektywy rozwoju w warunkach polskich
Fundusze emerytalne oferowane na polskim rynku
KB wersja finalna z 25 02 2015
IKE perspektywy rozwoju
Projekt Trójfazowy prostownik diodowy wersja finalna
Perspektywy rozwoju
Perspektywiczny rozwój województwa małopolskiego a ochrona środowiska
Powstanie i rozwoj polskiej części zapadliska przedkarpackiego
więcej podobnych podstron