|
Rozwój cywilizacyjny umożliwił opanowanie bardziej efektywnych technologii przetwórstwa biomasy, takich jak procesy fermentacji alkoholowej i metanowej oraz rozkład pirolityczny do pozyskiwania bardziej uszlachetnionych form paliwa: etanolu, metanu i gazu syntezowego.
Skład biomasy
Źródłem energii chemicznej biomasy pochodzenia roślinnego są organiczne związki chemiczne, wchodzące w jej skład a syntetyzowane przez komórki roślinne z dwutlenku węgla i wody, dzięki procesowi fotosyntezy. Podstawowymi substancjami tworzącymi biomasę są węglowodany oraz lignina. Rośliny mogą zawierać znaczące ilości skrobi a także dwucukry oraz cukry proste. Skrobia i cukry proste są docelowym produktem upraw rolnych, ponieważ tylko one mogą stanowić pokarm dla zwierząt i ludzi.
Również tylko te związki są surowcem do produkcji etanolu, produktu wyjściowego w syntezie wielu cennych i pożądanych substancji oraz, podobnie jak pochodne ropy naftowej, stanowi użyteczne źródło energii. Z tego powodu w masie odpadowej z produkcji roślinnej występują przede wszystkim celuloza, hemiceluloza i lignina.
Skrobia występująca w tkankach magazynujących roślin jest produktem niejednorodnym, złożonym z amylozy (ok. 20%) i amylopektyny (ok. 80%). Amylopektyna, będąca głównym składnikiem skrobi, jest polisacharydem o masie cząsteczkowej rzędu kilku milionów, co odpowiada kilkudziesięciu tysiącom reszt glukozowych w cząsteczce. Jej struktura to rozgałęzione łańcuchy poliglukozydowe, w których jednostki glukozy wiążą się pomiędzy sobą wiązaniami glikozydowymi o konfiguracji jak na Rys.1.
Znaczna część węgla w roślinach jest akumulowana w formie celulozy. Jest to również polisacharyd zbudowany z reszt glukozowych, połączonych w długie, nie rozgałęzione łańcuchy wiązaniami 1,4- glikozydowymi o konfiguracji B. Wiązania te nadają cząsteczkom polimeru formę długich, stabilnych łańcuchów (Rys.2). Łańcuchy te są połączone pomiędzy sobą wiązaniami wodorowymi, usztywniającymi cząsteczkę i utrudniającymi możliwość jej hydrolizy, co sprawia, że celuloza jest mało aktywna chemicznie. Masa cząsteczkowa celulozy wynosi od kilkuset tysięcy do kilku milionów. Hemiceluloza jest bliżej nieokreśloną mieszaniną polisacharydów. Zawiera ona krótkie, lecz rozgałęzione łańcuchy cukrów mających 5 atomów węgla w cząsteczce (głównie D-ksyloza, L- arabinoza) oraz cukrów 6-cio węglowych (D-galaktoza, D-glukoza, D-mannoza) a także kwasy uronowe.
Struktura rozgałęzionych, krótkich łańcuchów warunkuje amorficzność hemicelulozy i łatwość jej hydrolizy na proste cukry składowe.
Oprócz cukrów, biomasa roślinna zawiera także znaczne ilości substancji niewęglowodanowej - ligniny - tworzącej fizyczną strukturę roślin. Pod względem chemicznym, lignina jest biopolimerem o dużym ciężarze cząsteczkowym i budowie chemicznej, zależnej od wytwarzającej ją rośliny, w której skład wchodzą nienasycone alkohole i fenole [1]. Do konwersji na energię cieplną predestynowane są odpady z produkcji rolniczej, których nie można już spożytkować jako paszy oraz odpady przemysłu przetwórstwa drewna (kora, liście, gałęzie, trociny) a także rośliny specjalnie uprawiane do celów energetycznych (wierzba -Salix viminalis, miskantus - Miscanthus sinensis giganteus, malwa pensylwańska -Althaea spp.). Głównymi składnikami tego rodzaju biomasy są celuloza, hemiceluloza i lignina.
Typowe udziały tych substancji w biomasie przedstawia Tabela 1.
Współczesne procesy pozyskiwania energii z biomasy
Uwarunkowania ekologiczne
Problematyka pozyskiwania energii z biomasy nabrała szczególnego znaczenia po opracowaniu tzw. Protokołu z Kioto, który nakłada na państwa sygnatariuszy obowiązek zwiększenia udziału energii odnawialnej w ich bilansie energetycznym. Biomasa, w odróżnieniu od paliw kopalnych jest odnawialna w skali kilkuletniej a ponadto, jej użytkowanie nie zwiększa zawartości dwutlenku węgla w atmosferze, jak w przypadku spalania węglowodorów z zasobów geologicznych. Najstarszym znanym ludzkości sposobem otrzymywania energii cieplnej jest spalanie biomasy. Proces ten jest nadal szeroko stosowany zarówno w stosunkowo prymitywnej formie, w krajach rozwijających się, jak i w bogatych krajach wysokorozwiniętych w specjalnie zaprojektowanych instalacjach przemysłowych, ograniczających emisję zanieczyszczeń do atmosfery. Spalanie biomasy, oprócz zalet, jakimi są prostota procesu i opanowanie go pod względami technicznymi, posiada pewne istotne wady: dostarcza jedynie energii cieplnej, jest źródłem emisji dioksyn a uzyskanie wysokich sprawności kotłów wymaga skomplikowanych instalacji. Eliminację tych niedogodności zapewniają procesy zgazowania biomasy rozwijane szczególnie intensywnie od czasu konferencji w Kioto.
Idea pozyskiwania energii w procesach zgazowania biomasy
Do otrzymywania użytkowych form energii z biomasy służą trzy zasadnicze procesy termiczne: spalanie, piroliza i zgazowanie. Rodzaj otrzymywanych produktów i dalszy sposób ich wykorzystania przedstawia schematycznie Rys. 7.
Zgazowanie biomasy, czyli technologia przetwarzająca biomasę na gaz syntezowy mogący mieć zastosowanie w zaawansowanych procesach konwersji stanowi jeden z kierunków bioenergetyki. Energia biomasy po przetworzeniu na użytkową formę energii, najlepiej taką, która może być przesyłana istniejącymi sposobami, powinna stanowić korzystną ekonomicznie alternatywę dla energii pozyskiwanej z paliw kopalnych. Warunkiem spełnienia kryteriów ekonomicznych jest wysoka efektywność konwersji biomasy przy równoczesnych niskich kosztach eksploatacji. Obecnie stosowanymi w praktyce rozwiązaniami technicznymi w procesach zgazowania są generatory ze złożem stałym oraz fluidalne (Rys. 5 i 6). Generatory ze złożem stałym nadają się szczególnie do instalacji o stosunkowo niewielkich mocach do ok. 1,5 MW dla układu współprądowego i 2,5 MW dla zgazowania w przeciwprądzie. Ich konstrukcja jest prosta i dzięki wysokiemu stopniowi konwersji węgla cechują się dobrą sprawnością. Wadami tego typu reaktorów jest niska temperatura uzyskiwanego gazu oraz duża ilość produkowanej smoły. Oczekuje się, że w niedalekiej przyszłości zostaną wprowadzone na skalę komercyjną metody katalitycznego rozkładu smół i technologie zgazowania biomasy w złożu stałym zyskają na znaczeniu.
Generatory zgazowujące biomasę w złożu fluidalnym mogą przetwarzać do ok. 15 t suchej biomasy na godzinę pozwalając na uzyskiwanie dużych mocy instalacji od 25 MW dla klasycznego złoża fluidalnego do ok. 100 MW dla układów z cyrkulacją złoża.
Istotną zaletą tej technologii jest umiarkowana zawartość smół w gazie, która może być znacząco obniżona przez dodanie katalizatora bezpośrednio do złoża. Reaktory z cyrkulacją złoża pozwalają ponadto na wysoki stopień konwersji węgla zawartego w biomasie ponieważ wynoszone ze złoża cząstki węgla są zawracane do generatora.
Realizowane obecnie programy zakładają wytwarzanie energii elektrycznej w układach zintegrowanych (IGCC) przy sprawności nie niższej niż 35% a w bliskiej perspektywie oczekuje się sprawności rzędu 45 - 50%. Nowoczesne koncepcje zastosowania układów hybrydowych z ogniwami paliwowymi jako pierwszym stopniem przetwarzania energii, mogą pozwolić na uzyskanie sprawności nawet powyżej 60% dla instalacji o mocy 5 - 10 MWe. Schemat ideowy najczęściej
stosowanego obecnie rozwiązania przedstawia Rys. 8.
Podsumowanie
Biomasa roślinna może być przetransformowana w użytkową energię na drodze procesów termicznych, biologicznych i fizycznych. Spośród technologii termicznej konwersji, zgazowanie posiada najwięcej zalet w porównaniu do spalania czy pirolizy, a wciąż jeszcze technologia ta jest ulepszana i rozwijana. Należy jednak wspomnieć, że oparcie energetyki jedynie na biomasie jest w dzisiejszych warunkach niemożliwe. Biomasa jest bardzo rozproszonym zasobem, wymagającym użytkowania dużych powierzchni. Przykładowo, w warunkach klimatycznych naszego regionu Europy, 1 ha plantacji biomasy może dostarczyć nie więcej niż 15 t suchej masy roślinnej w ciągu roku. Tak więc plantacja o powierzchni 1 km2 (100 ha), będzie produkowała rocznie 1500 t suchej masy roślinnej, co wystarczy do zasilania instalacji o mocy do 300 kW i to przy założeniu wysokiego stopnia konwersji. Tym samym trudno wyobrazić sobie instalacje o mocach wyższych niż 30 - 40 MWe wymagających paliwa z plantacji o powierzchniach rzędu 100 km2. Przyjmuje się, że przyszłość należy do instalacji o mocach 5-15 MWe, uzupełniających energetykę klasyczną.
Energetyczne wykorzystanie biomasy ma szczególne znaczenie w krajach o znacznym udziale rolnictwa w dotychczasowej strukturze gospodarczej. Wskutek zmian w globalnym modelu ekonomicznym produkcja żywności została na tyle zintensyfikowana, że w krajach rozwiniętych obserwuje się zwolnienie znaczącej części gruntów użytkowanych do tej pory rolniczo oraz dezaktywizację zawodową ludności terenów wiejskich. Upowszechnienie upraw roślin energetycznych spowoduje, częściowe przynajmniej, złagodzenie tych negatywnych efektów transformacji. W Polsce podjęto już takie działania. Elektrociepłownia Tychy, planując zastąpienie 20% spalanego węgla biomasą wybudowała w Kossowie w 2003 r. kosztem 8 mln zł Zakład Produkcji Paliw Wtórnych z Biomasy o docelowej produkcji rocznej 20 tys. ton brykietów i kontraktuje dostawy surowca z nowopowstających plantacji. Podobnie elektrociepłownia wchodząca w skład Zespołu Elektrowni Ostrołęka planuje kosztem ok. 120 mln euro budowę kotła na biomasę o mocy 55 MW. Ponadto na terenach dawnych PGR Pomorza Zachodniego podejmowane są próby hodowli wierzby energetycznej na skalę przemysłową z przeznaczeniem na eksport do Szwecji. Wprowadzenie bardziej efektywnych, a więc korzystniejszych ekonomicznie, technik zgazowania w miejsce obecnie stosowanego spalania powinno skutkować umocnieniem trendu energetycznego wykorzystania biomasy w kraju. Będzie to również w pełni zgodne z celem strategicznym Polski a także Unii Europejskiej, jakim jest zwiększenie udziału energii ze źródeł odnawialnych w bilansie paliwowo - energetycznym.
Istotnym zagadnieniem, wymagającym oddzielnego omówienia, jest rozwój i upowszechnienie zasilanych biomasą instalacji energetycznych małych mocy rzędu kilkudziesięciu kW, przeznaczonych dla odbiorców indywidualnych oraz małych i średnich.
Źródło: Globe Energy 02-03/2003
|
|