Paliwo z biomasy i paliw alternatywnych - konwersja energii
Według aktualnych prognoz Departamentu Energetyki Stanów Zjednoczonych zużycie energii elektrycznej na świecie do 2020 r. wzrośnie o ponad 60% w porównaniu do stanu obecnego. Stanowi to duże wyzwanie dla energetyki. Musi ona być zintegrowana z rosnącymi ograniczeniami emisji zanieczyszczeń, deregulacją rynku energetycznego, wprowadzeniem konkurencji oraz wzrastającą dbałością o kurczące się zasoby paliw kopalnych.

Ważnym czynnikiem motywującym i wspierającym realizację polityki obniżania kosztów konwersji energii i maksymalnego jej wykorzystania są również wymagania wynikające z obowiązującego od niedawna Protokołu z Kioto, zobowiązującego sygnatariuszy do ograniczenia emisji CO₂ do atmosfery. Istotną rolę odgrywa także dyrektywa UE (tzw. Dyrektywa LCP), określająca normy emisji substancji dopuszczalnych do wprowadzenia do środowiska przez energetykę.
Biorąc pod uwagę zasoby paliw oraz możliwości i aktualny poziom technologiczny, oczywiste jest, że głównym problemem, przed jakim stoi obecnie sektor energetyczny, jest nie tylko konieczność zwiększenia produkcji energii elektrycznej, ale także prowadzenie procesu wytwórczego w sposób gwarantujący wysoką sprawność i niską uciążliwość dla środowiska.
Dzisiejszy świat bezdyskusyjnie stoi przed problemem zmniejszenia tempa zużywania paliw kopalnych i koniecznością produkcji czystej energii z OZE, głównych jej źródeł upatrując w szeroko pojętej biomasie, wodorze, ogniwach paliwowych itp. Są to paliwa, których utylizacja energetyczna jest czysta, jednak tylko przy założeniu, że wybrana zostanie poprawna opcja przetwarzania zawartej w nich energii.

Biomasa jako alternatywne paliwo
Ogromny potencjał energetyczny biomasy powinien być wykorzystywany w znacznie większym stopniu niż ma to miejsce obecnie (aktualnie zużywa się ok. 7% światowej rocznej produkcji energii). Szczególnie interesująca wydaje się możliwość odzysku części odpadów i ich energetyczne wykorzystanie, tym bardziej że zasoby - szczególnie w krajach rozwiniętych - są dosyć duże (rocznie ok. 300 - 400 kg/osobę).
Wymagania dotyczące obniżenia kosztów konwersji energii oraz ograniczenia emisji substancji niepożądanych można spełnić zwiększając sprawność obiegu. W tym aspekcie zastosowania biomasy na świecie prowadzone są badania nad szeregiem technologii, np. nad udoskonalaniem i wzrostem sprawności procesów bezpośredniego spalania/współspalania węgla i biomasy w kotłach energetycznych, nad obiegami z turbiną gazową na biomasę, obiegami z turbiną gazową zasilaną zewnętrznie, rozwiązaniami kombinowanymi czy też technologiami IGCC.
Ponadto poszukuje się nowych, efektywnych sposobów przetwarzania biomasy w procesach zgazowania nisko- i wysokotemperaturowego, pirolizy, kopirolizy, hydrokarbonizacji, reformingu, termolizy oraz utylizacji biochemicznej. Schemat głównych dróg i możliwości przetwarzania energii z biomasy pokazano na rys. 1.



Rys. 1. Możliwe realizacje procesu przetwarzania biomasy

Z powyższego wynika, że biomasa jest - ze względu na swój skład chemiczny i możliwości obróbki - cennym surowcem, którego chemiczne przetworzenie może prowadzić do wytworzenia szeregu produktów, będących np. substytutami ropy naftowej lub prowadzących w efekcie do wytworzenie wodoru.
Wybór najbardziej odpowiedniej technologii i sposobu wykorzystania energii biomasy zależy głównie od jej rodzaju i zasobów oraz względów ekonomicznych.
Realizowana obecnie przez wiele firm energetycznych koncepcja produkcji energii odnawialnej ze współspalania biomasy i węgla jest prosta technologicznie, lecz najgorsza z punktu widzenia jakości wykorzystania energii biomasy, gdyż oparta jedynie na zysku w postaci sztucznie zwiększonej (przez subsydia) ceny za tzw. zieloną energię. Wydaje się, że proste, „klasyczne” współspalanie ma sens wtedy, gdy w otoczeniu producenta energii elektrycznej występuje dużo taniej biomasy. W przypadku, gdy biomasy nie ma w wystarczającej ilości lub gdy jest ona droga (cena surowca + cena transportu surowca do siłowni), logiczne wydaje się dążenie do jej maksymalnego wykorzystania.
Cel ten można uzyskać np. w wyniku waloryzacji biomasy, która jako drogie paliwo nie jest (i nie powinna być) tylko źródłem i sposobem na realizację postulatu politycznego (produkcja energii odnawialnej), ale także stanowi źródło inspiracji i implementacji nowoczesnych technologii w energetyce.

Zasoby biomasy na rynku
Następstwem obecnego stanu prawnego w Polsce oraz wejścia do UE i związanej z tym konieczności dostosowania w krótkim czasie naszego prawodawstwa i priorytetów energetycznych do unijnych jest wzrost zainteresowania sprawą współspalania biomasy.
Przyspieszenie tempa wdrożenia produkcji zielonej energii w Polsce wpłynęło na pogłębienie olbrzymiego (obecnie ok. 6 mln m³) deficytu drewna. Pojawiło się też nieetyczne, godne napiętnowania wycinanie kilkudziesięcioletnich drzewostanów.
Analiza niedoboru biomasy na rynku i obecna jej cen wskazuje, że należy podjąć próby przeciwdziałania zaistniałej sytuacji, korzystając z doświadczeń przyjętych np. w krajach skandynawskich (Szwecja, Dania), gdzie uregulowano sprawy upraw energetycznych oraz bezwzględnie zakazano utrzymywania ugorów i nakazano ich zalesianie.

Współspalanie biomasy i węgla
W porównaniu do węgla biomasa charakteryzuje się wyższą zawartością części lotnych, niską zawartością popiołu i siarki, podwyższoną zawartością tlenu oraz wysoką zawartością wilgoci, co powoduje, że jej wartość opałowa jest znacznie niższa niż węgla.
Mimo niewątpliwych zalet biomasy, biorąc pod uwagę diametralnie różne parametry surowej biomasy i węgla, ich bezpośrednie współspalanie w kotłach energetycznych rodzi szereg trudności. Wynikają one m.in. z problemów natury logistycznej, ekonomicznej i technicznej. Logistycznej, gdyż szacuje się, przy założeniu wysokiego stopnia konwersji, że w warunkach klimatycznych naszego regionu Europy ze stuhektarowej plantacji biomasy rocznie uzyska się tyle suchej masy roślinnej, że wystarczy jej do zasilania instalacji o mocy < 300 kW (trudno więc wyobrazić sobie instalacje o mocach wyższych niż 30-40 MW_e, wymagające paliwa z plantacji o powierzchniach rzędu 10 tys. ha). Ekonomicznej, gdyż szacuje się, że zwiększenie o 1% zawartości biomasy o wilgotności 40-60% współspalanej z węglem powoduje spadek sprawności kotła o 0,5-1%. I wreszcie technicznej, gdyż w samym kotle zachodzi szereg negatywnych procesów, których intensywność wzrasta przy zmianie paliwa z węgla na mieszanki węgla i paliw alternatywnych (takich jak osadzanie materiałów sypkich na powierzchniach ogrzewalnych wymienników ciepła, korozja nisko- i wysokotemperaturowa oraz emisja niepożądanych produktów ubocznych w spalinach i popiele, związana głównie z trudnościami transportowymi paliwa do kotła oraz z częstą zmianą składu paliwa i jego fluktuacjami).
W kalkulacji ewentualnych zysków/strat realizacji długookresowego bezpośredniego współspalania należy pamiętać o możliwości utylizacji i zagospodarowania popiołów oraz perspektywę wprowadzenia za kilka lat norm dotyczących emisji alkaliów i niektórych pierwiastków śladowych. Kontrola ich emisji wynika z negatywnego oddziaływania na organizm ludzki, przyczyniania się do korozji lub osadzania na powierzchniach ogrzewalnych kotłów i łopatkach turbin gazowych.
Biorąc pod uwagę ww. problemy, szacuje się, że praktycznie zawartość surowej biomasy współspalanej z węglem nie będzie przekraczać 2-10% strumienia energii zawartej w węglu (maksymalny udział biomasy zależy głównie od ceny surowca oraz wyboru technologii spalania).
Wydaje się raczej pewne, że w dłuższej perspektywie bezpośrednie współspalanie surowej biomasy i węgla będzie kosztowne i nie pozwoli ani na obniżenie kosztów konwersji energii, ani na uzyskanie znacznych profitów finansowych. Zyski można będzie osiągać jedynie dopóty, dopóki będzie istniała różnica w cenie sprzedawanej energii „czarnej” (z węgla) i „zielonej” (z paliw odnawialnych). Nie wydaje się jednak, aby taka działalność była satysfakcjonująca dla potencjalnego inwestora i rekompensowała mu ponoszone koszty, szczególnie jeśli planuje on zwiększenie udziału energii z biomasy ponad ww. graniczne 10%.
Dlatego też należy poszukiwać bardziej optymalnych sposobów możliwości jej energetycznego wykorzystania, wykraczających poza proces bezpośredniego współspalania.
Racjonalne wydają się działania w kierunku poprawy jakości energii zawartej w biomasie (poprzez jej suszenie, zgazowanie, pirolizę itp.), prowadzące do zwiększenia stopnia jej wykorzystania energetycznego, niepowodujące obniżenia sprawności termodynamicznej obiegu i umożliwiające wytwarzanie energii elektrycznej z biomasy w ilości 100%.
Działania te, mimo iż już prowadzone na świecie, w dalszym ciągu zawierają pewne ograniczenia natury finansowej (koszty suszenia dużych ilości biomasy w dużej skali, konieczność opracowania odpowiedniej metody usuwania smoły i sadzy powstałych podczas zgazowania) bądź ekonomicznej (proces pirolizy biomasy i produkcji substytutu ropy naftowej - tzw. bio-oil - jest wciąż zbyt kosztowny i energochłonny). Stąd też dąży się do rozwijania innych technologii - np. produkcji wodoru lub innych nośników energii (np. tzw. solid energy carriers).
Jest wiele możliwych do realizacji w praktyce przemysłowej sposobów konwersji energii z biomasy (por. rys. 1).

Konwersja biomasy w warunkach polskich
Wydaje się, że interesującą drogą oferującą - szczególnie w warunkach polskich - możliwość zasadniczej poprawy jakości energii zawartej w biomasie jest proces autotermicznej waloryzacji drogą termolizy. Umożliwia on usunięcie z paliwa wilgoci i zwiększenie jego gęstości energii, a także jednoczesną „destylację” części pierwiastków śladowych.
Istotą tej technologii waloryzacji paliw jest takie przeprowadzenie ich obróbki termicznej, aby zachować maksymalną sprawność termodynamiczną procesu spalania czy ich współspalania z węglem w kotłach energetycznych, a jednocześnie uniknąć negatywnych aspektów związanych ze współspalaniem.
Technologia Autotermicznej Waloryzacji Paliw (AWP) pozwala znacznie ograniczyć ww. wady bezpośredniego współspalania poprzez wysoko efektywne suszenie tych paliw i ich przetworzenie do tzw. biocarbonu, który jest paliwem wyższej jakości i o wyższej gęstości energii. Schemat realizacji procesu przedstawiono na rys. 2.



Rys. 2. Schemat procesu AWP (Autotermicznej Waloryzacji Paliw)

Istota tego procesu polega na wytworzeniu takich warunków konstrukcyjno-przepływowych, aby w reaktorze AWP, gdzie realizowana jest termoliza, uzyskać maksymalną szybkość nagrzewania rozdrobnionej biomasy do temperatury ok. 300°C. Dalsze nagrzewanie jest zbędne, gdyż w tych warunkach inicjowana jest reakcja egzotermiczna. Dla trwałego i pewnego utrzymania warunków przebiegu reakcji egzotermicznej oraz maksymalizacji uzysku biocarbonu reaktor jest tak skonstruowany, aby ograniczyć kontakt gazów pirolitycznych z karbonizatem, co umożliwia wytworzenie zarówno „pierwotnego”, jak i „wtórnego” biocarbonu. Pod tym względem rozwiązanie techniczne reaktora AWP jest unikalne.
W zależności od wilgotności wejściowego paliwa w układzie suszenia i termolizy (suszarka i reaktor AWP) można uzyskać ciepło do zagospodarowania, zawarte w gorących spalinach opuszczających reaktor. Największy efekt energetyczny oraz ekologiczny osiągany jest w przypadku przetwarzania paliw mocno zawilgoconych (zrębki, biomasa z upraw energetycznych i jednorocznych itp.) oraz zanieczyszczonych chemicznie (odpady z płyt wiórowych, drewno zawierające tworzywa sztuczne, drewno zaimpregnowane, pomalowane, RDF itp.).
Stopień waloryzacji paliwa w energii zawartej w biocarbonie dochodzi do 90%, a ponadto taka realizacja procesu umożliwia pozbycie się dużej części zanieczyszczeń zawartych w paliwie (alkalia, pierwiastki śladowe itp.) poprzez ich przejście do fazy gazowej. Zależnie od potrzeb gazy te można poddawać procesowi oczyszczania; w tym wypadku jednak wymiernym zyskiem wynikającym z zastosowania technologii AWP jest znacznie niższy koszt oczyszczania spalin w porównaniu do kosztu oczyszczania spalin powstających w kotle w wyniku realizacji „klasycznego” współspalania.

Biocarbon jako paliwo
Otrzymany w procesie AWP biocarbon jest paliwem o wysokiej wartości opałowej (średnio w stanie roboczym 25-30 MJ/kg), wysokiej zawartości pierwiastka węgla (> 80%) oraz znikomej wilgotności (< 1%). Jego własności fizyczne zbliżone są do węgla. 1 m³ biocarbonu ma masę 135-220 kg oraz gęstość energii 4,5-5,5 GJ/m3. Zawartość np. siarki nie przekracza 0,1%. Produkt zawiera ponadto znacznie obniżoną zawartość innych substancji niepożądanych (np. rtęć czy chlor).

Fot. 1. Biocarbon® uzyskany w wyniku AWP

Próbkę biocarbonu otrzymanego w pilotażowej półtechnicznej instalacji AWP na Politechnice Częstochowskiej przedstawiono na fot. 1, zaś na rys. 3 pokazano umiejscowienie otrzymanego biocarbonu na tle różnych paliw.
Zastosowanie biocarbonu w kotle energetycznym pozwala uniezależnić sprawność kotła od wilgotności wejściowej biomasy, gdyż paliwo to praktycznie nie zawiera wilgoci, a ponadto eliminuje ograniczenia w dodawaniu biomasy do węgla oraz pozwala na pozbycie się kłopotów związanych z wprowadzaniem świeżej biomasy do paleniska. Z uwagi na wyższą gęstość energii, zastosowanie biocarbonu znacznie obniża koszty transportu biomasy do siłowni i eliminuje koszty inwestycyjne układu podawania surowej biomasy, gdyż biocarbon posiada własności zbliżone do węgla i może być podawany tą samą drogą, przez co maleje zużycie energii oraz urządzeń do podawania paliwa. Stosując biocarbon, w stosunkowo tani i efektywny sposób usuwa się znaczną ilość substancji niepożądanych, zawartych w paliwie wejściowym, których usunięcie w sposób „klasyczny” jest droższe i bardziej kłopotliwe.



Rys. 3. Zmiany ciepła spalania oraz zawartości substancji lotnych podczas wybranych procesów AWP

Technologia produkcji biocarbonu daje możliwość takiego przetwarzania różnorodnej biomasy (w tym z produkcji rolnej, np. z upraw roślin jednorocznych), które każdorazowo daje produkt możliwy do bezpośredniego spalania zarówno w kotłach fluidalnych, jak i pyłowych, czego nie zapewniają inne technologie.
Zastosowanie technologii AWP pozwala także na osiągnięcie wymiernych korzyści energetycznych i ekologicznych poprzez tworzenie na bazie urządzeń pracujących według tej technologii sieci gniazd energetycznych, przetwarzających biomasę w miejscu jej produkcji. Uzyskany biocarbon może być następnie transportowany do elektrowni lub innych użytkowników paliw, powodując obniżenie kosztów ich transportu. Schemat rozmieszczenia sieci gniazd AWP przedstawiono na rys. 4.



Rys. 5. Schemat rozmieszczenia gniazd AWP wokół elektrowni lub ciepłowni wytwarzającej energię elektryczną z biomasy

Inne możliwości zastosowania biocarbonu
Istotną cechą biocarbonu jest także możliwość jego bardzo szerokiego zastosowania w nowoczesnych technologiach konwersji energii. Może on nie tylko spełniać funkcję paliwa, ale także być substytutem węgla aktywnego lub wysoko sprawnego sorbentu, używanego np. do wyłapywania związków rtęci i innych substancji ze spalin opuszczających „klasyczny” kocioł.
Możliwe jest także stosowanie go jako składnika mieszanek i emulsji paliwowych. Interesująca jest także możliwość efektywnego wykorzystania biocarbonu w technologiach pozyskiwania paliwa przyszłości - wodoru. Obecnie prowadzone są intensywne prace i badania w tych obszarach.

Podsumowanie
Zwaloryzowana biomasa może stanowić cenne paliwo dla wysoko sprawnych technologii produkcji energii odnawialnej.
Realizacja procesu waloryzacji biomasy zgodnie z technologią AWP umożliwia podsuszenie paliwa oraz zwiększenie jego stopnia uwęglenia, prowadząc do wytworzenia produktu stałego - biocarbonu, o własnościach zbliżonych do węgla.

Biomasa to najwcześniej wykorzystywane przez człowieka źródło energii. Jest to największe potencjalne źródło energii na świecie. Biomasa to stałe lub ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, ulegające biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także
z przemysłu przetwarzającego ich produkty, lub części pozostałych odpadów, które ulegających biodegradacji. Do biomasy zalicza się:
• uprawy energetyczne roślin,
• odpady drzewne w leśnictwie (kłody, chrust, korzenie, kora, trzciny),
• odpady przemysłu drzewnego i celulozowo-papierniczego, makulatura,
• odpady występujące w produkcji rolniczej (np.łęty ziemniaczane
i roślin strączkowych),
• odpady przemysłu rolno-spożywczego (z cukrowni, gorzelni, olejarni, browarów),
• odpady produkcji zwierzęcej (odchody, gnojownica, obornik),
• odpady organiczne z gospodarstw domowych,
• odpady komunalne: osady oczyszczalni ścieków, śmieci(części organiczne),
Drewno składa się: w 50% z węgla, 43% tlenu, 6% wodoru, 1% z azotu
i zw. min. poniżej 1%, jego wartość opałowa zaraz po ścięciu (ok. 50% wilgotności) wynosi 10-12 MJ/kg i ulega zwiększeniu do 18 MJ/kg po wysuszeniu do wilgotności 15-20%.


Tabela 6. Wartość opałowa w zależności od wilgotności drewna.
Przy wilgotności drewna około 50% tj. np. zaraz po ścięciu wynosi 10-12 MJ/kg a po wysuszeniu do wilgotności 15-20%, jego wartość opałowa może wynieść 18 MJ/kg. Obecnie drewno jako surowiec do produkcji energii został wyparty przez paliwa kopalne, ale drewno jest także odpadem w zakładach przemysłu drzewnego - tzw. drewno kawałkowe, które stanowi pozostałość (ok. 2%) drewna konstrukcyjnego, przycinanego na wymiar lub to jest materiał nie spełniający norm półwyrobu (stanowi nawet do 50% przerabianego drewna). Ubocznym produktem skrawania są także trociny, które stanowią około 10% drewna przerabianego w tartakach. Ubocznym produktem przy obróbce drewna są wióry. Trociny mogą mieć różną wilgotność, od 6 do 65% Powstają ona podczas skrawania i frezowania. Mają niską wilgotność 5 - 15% i zawierają niewielką ilość zanieczyszczeń. Produktem ubocznym, który powstaje podczas wycinki drzewostanów lub obrabiania kłód w tartaku, są zrębki drzewne. Mają one postać długich na 5-50 mm ścinków o nieregularnych kształtach. Ich wartość opałowa wynosi 6-16 MJ/kg a wilgotność 20-60%.
Kolejnym produktem zbędnym powstającym podczas obróbki drewna jest kora. Stanowi ona od 10 do 15% masy pozyskiwanego drewna. Jej wartość opałowa wynosi 18,5-20 MJ/kg, wilgotność 55-65%.
Uprawy energetyczne to plantacje zakładane w celu wykorzystania
z pochodzącej z nich biomasy w procesie wytwarzania energii. Do grupy roślin energetycznych zalicza się takie gatunki roślin, które intensywnie gromadzą olej lub węglowodany. Rośliny te cechuje duża produkcja biomasy. Do roślin energetycznych zaliczamy zarówno gatunki jednoroczne np. zboża, kukurydza, rzepak, topinambur, słonecznik, jak również rośliny wieloletnie, które mogą być użytkowane corocznie jak np. wierzba wiciowa, róża wielokwiatowa, miskant olbrzymi. W wielu krajach proponuje się do celów energetycznych inne rośliny: w Belgii topolę, we Francji kasztanowce, w Rumunii platany
a w Portugalii eukaliptusy. Cechy charakteryzujące rośliny energetyczne:
a) wysoka wartość opałowa,
b) duże roczne przyrosty,
c) stosunkowo niewielkie wymagania glebowe,
d) znaczna odporność na szkodniki i choroby;
Nasiona roślin oleistych wykorzystuje się do produkcji biodiesla i do produkcji olejów technicznych lub spożywczych. Biodiesel to ekologiczne, nietoksyczne i odnawialne paliwo ulegające rozkładowi biologicznemu, o niemal identycznych właściwościach jak olej napędowy. Paliwo rzepakowe po zmieszaniu z paliwami z ropy naftowej może służyć do zasilania silników wysokoprężnych, natomiast estry
z kwasów karboksylowych mogą służyć do zasilania kotłów grzewczych a także stanowią one surowiec dla przemysłu chemicznego. Biopaliwa według ustawodawcy są to paliwa o udziale biokomponentów powyżej 5%. Nasiona lnianki jarej nadają się do produkcji olejów spożywczego
i technicznego, z 1ha można uzyskać około 10-14dt tłuszczu. Dominującym kwasem tłuszczowym w oleju z lnianki siewnej jest kwas linolenowy 20-30%. Olej pozyskiwany z katranu abisyńskiego jest olejem technicznym i z powodu dużej zawartości kwasu erukowego nie nadaje się do spożycia.
W Polsce dominującym kierunkiem produkcji roślinnej jest uprawa zbóż. Najwyższe zbiory słomy są w województwach: mazowieckim, wielkopolskim lubelskim i kujawsko-pomorskim, a najniższe były
w lubuskim, świętokrzyskim, małopolskim, śląskim i podkarpackim. Na Podkarpaciu nadwyżka słomy do energetycznego wykorzystania wynosi około 95,6tys. ton. Niedobór słomy występuje w województwach podlaskim i małopolskim. Jej spalanie odbywa się w specjalnych piecach, w kilku etapach:
1) suszenia i odgazowania materiału drzewnego w przestrzeni zasobnika, wynikiem czego jest wytworzenie gazu drzewnego (drewno żarzy się w szczelnie zamkniętej komorze załadowczej, przy zamkniętym wy locie kominowym),
2)spalania gazu drzewnego w komorze z wymurówką z betonu ogniotrwałego w temperaturze 1200°C,
3)dopalania gazu i oddawania ciepła w wymienniku.
Wartość opałowa roślin energetycznych zależy nie tylko od gatunku, czy wilgotności, ale także od postaci, stanu rozdrobnienia itp.
(tabela 7)
Roślina Wartość opałowa [MJ/kg]
Słoma pszenna 17,5
Brykiety ze słomy 18,1
Ziarno owsa 18,5
Słoma kukurydziana 16,8
Ziarno kukurydzy 17,2
Słoma rzepakowa 15,6
Wierzba wiciowa (cykl 1-roczny) 18,55
Wierzba wiciowa (cykl 2-letni) 19,25
Wierzba wiciowa (cykl 3-letni) 19,56
Miskant olbrzymi 17 - 19
Ślazowiec pensylwański 12 - 14
Tabela 7. Porównanie wartości opałowej wybranych gatunków energetycznych.
Z tabeli 7 wynika, że najwyższe wartości opałowe ma słoma zbóż, miskant olbrzymi i wierzba wiciowa. W Polsce najpopularniejszą rośliną energetyczną jest wierzba wiciowa. Jej wartość opałowa oraz zależą od wybranego cyklu użytkowania i od postaci biomasy wierzbowej. Aby można było spalać pędy wierzbowe w piecu należy je rozdrobnić i pędy takie mogą być w postaci:
a)zrębków - to rozdrobnione pędy na kilkunastocentymetrowe kawałki do rozdrabniania można użyć rozdrabniarki do gałęzi, rębaki lub nawet tradycyjne sieczkarnie, to najtańsza forma spalania
w warunkach domowych,
b)brykietu - to rozdrobnione trociny o wilgotności ok.10% sprasowany pod wysokim ciśnieniem w tzw. brykieciarce, jego wartość opałowa jest zbliżona do wartości opałowej węgla jednak czynnikiem ograniczającym są rozwój tej technologii są koszty,
c)peletu - to sprasowane podobnie jak brykiet małe wałeczki
o średnicy 6-10mm a długości ok.25mm, wadą tej metody są podobnie jak w przypadku brykietów wysokie koszty,
d)korków - to pocięte jednoroczne pędy na kawałki o długości 203cm
i średnicy ok.2cm
e)polan - to pocięte na 30-40cm kawałki, 3-letnie pędy wierzby
o grubości ok.5cm
Według raportu Międzynarodowego Panelu ds. Zmian Klimatu roczny techniczny potencjał biomasy stałej wynosi 440 EJ, a biopaliw płynnych 154 EJ. Szacuje się , że światowy potencjał biomasy na lądzie wynosi około 150 gigaton (mld ton) rocznie, co odpowiada około 120 mld ton węgla kamiennego i blisko dziesięciokrotnie przekracza współczesne zapotrzebowanie świata na energię. Z tego potencjału, który aż w 99% stanowi biomasa pochodzenia roślinnego, faktycznie do użytku nadaje się prawdopodobnie 20-30%, zaś rzeczywiście wykorzystywane jest zaledwie 6 mld ton. W Polsce roczny potencjał energetyczny biomasy, którą można zagospodarować to: ponad 20 mln ton słomy odpadowej, ok. 4 mln ton odpadów drzewnych, ok. 6 mln ton osadów ściekowych przemysłu. W sumie daje to ok. 30 mln ton biomasy rocznie, co jest energetycznie równoważne 15 - 20 mln ton węgla. W Polsce udział biomasy w OZE wynosi 98%.
Pozyskiwanie energii z biomasy ma wiele zalet, m.in.:
1)ograniczenie emisji CO2 z paliw nieodnawialnych, który
w przeciwieństwie do CO2 z biopaliwa nie jest neutralny dla środowiska; również mniejsza emisja S02;
2)możliwość powstania nowych miejsc pracy,
3)decentralizacja produkcji energii a co za tym idzie większe bezpieczeństwo energetyczne,
4) wspomaganie rozwoju wsi,
5)biomasa jest najmniej kapitałochłonnym źródłem energii odnawialnej,
6)zapobieganie nadprodukcji żywności,
7)możliwość zagospodarowania nieużytków;
Biomasa, oprócz zalet posiada również pewne wady, do których należy zaliczyć:
a) mniejsza wartość energetyczna surowca w stosunku do paliw kopalnych,
b) spalanie biomasy, zwłaszcza zanieczyszczonej pestycydami, odpadami tworzyw sztucznych lub zw. chloropochodnymi, wydzielają się dioksyny i furany;
c) mała gęstość surowca co utrudnia jego transport i magazynowanie,
d) niektóre surowce dostępne są sezonowo;

ENERGIA BIOMASY

Biomasa jest to substancja organiczna powstająca w wyniku procesu fotosyntezy. Przyrost biomasy roślin zależy od intensywności nasłonecznienia, biologicznie zdrowej gleby i wody. W Polsce z 1 ha użytków rolnych zbiera się rocznie około 10 ton biomasy, co stanowi równowartość około 5 ton węgla kamiennego.

W roku 1984 biomasa roślinna pokrywała 13% światowej produkcji energii, w tym Kanada pokrywała biomasą 7% potrzeb energetycznych, a USA 4% potrzeb. W roku 1990 udział biomasy w światowej produkcji energii wynosił 12%.

>>> Energię można również odzyskiwać ze spalania śmieci w przeznaczonych do tego celu piecach. Ten londyński zakład spala 1300 ton śmieci dziennie, a uzyskaną energię sprzedaje. >>>

Ogólnie z 1 ha użytków rolnych zbiera się rocznie 10 - 20 t biomasy, czyli równowartość 5 - 10 ton węgla. Rolnictwo i leśnictwo zbierają w Polsce biomasę równoważną pod względem kalorycznym 150 mln ton węgla. Wartości opałowe produktów biomasy na tle paliw konwencjonalnych wynoszą: słoma żólta 14,3 MJ/kg, słoma szara 15,2 MJ/kg, drewno odpadowe 13 MJ/kg, etanol 25 MJ/kg, natomiast węgiel kamienny średnio około 25 MJ/kg, a gaz ziemny 48 MJ/kg.

Szczególnie cenne energetycznie są słomy rzepakowa, bobikowa i słonecznikowa, zupełnie nieprzydatne w rolnictwie. Wykorzystanie słomy w 16% daje potencjał 80 PJ energii. W Danii na przykład istnieje 12 000 małych (o mocach 110 MW) i 40 dużych kotłowni opalanych słomą. W Polsce nie ma ani jednego takiego obiektu, pilotowe kotłownie do spalania biomasy będą budowane w najbliższym czasie.

Jeśli zaś chodzi o całkowitą biomasę drzew, to jest ona dwukrotnie większa niż produkcja drewna użytkowego. Można zatem stwierdzić, że najpoważniejszym źródłem biomasy jako źródła energii odnawialnej w Polsce są słoma i odpady drzewne.

W najbliższym dziesięcioleciu przewiduje się wykorzystanie dla celów energetycznych, tj. przetworzenie na energię cieplną, następujących produktów rolniczych i leśnych:

Produkty rolnicze:
- słoma roślin zbożowych
- gałęzie z przecinek sadów oraz inne odpady produkcji roślin i warzyw
- alkohole (surowce: ziemniak, burak cukrowy, zboże) jako dodatki do benzyn silników gaźnikowych
- olej rzepakowy (surowce: rzepak uprawiany na gruntach częściowo skażonych) jako paliwo dla silników wysokoprężnych
- biogaz z nawozu organicznego produkcji zwierzęcej
- biogaz z osadów ściekowych, odpadów komunalnych płynnych i stałych

Produkty leśne: - drzewa i gałęzie z przecinek i cięć sanitarnych lasów
- gałęzie z cięć produkcyjnych
- odpady z przemysłu drzewnego, trociny itp.
- plantacje lasów energetycznych liściastych (grubizna do budowy domów jednorodzinnych), czuby i gałęzie pocięte na łupki do spalania w piecach grzewczych o mocy cieplnej okolo 200 kW

Słoma
Produkcja słomy z roślin zbożowych i innych wynosi w Polsce około 25 mln ton. Przeznaczając docelowo na cele energetyczne tylko 50% produkcji, to jest około 12,5 mln ton, można zaoszczędzić około 5 mln ton węgla rocznie. Wartość opałowa słomy wynosi około 16 MJ/kg, temperatura spalania 850 � 1100OC. Podczas spalania słomy w celu uzyskania energii cieplnej wydziela się CO².

Dzięki zjawisku fotosyntezy rośliny rolnicze mogą wchłonąć przerobią około 400 kg CO² w ciągu doby na obszarze 1 ha. Zespoły leśne, szczególnie liściaste, szybkorosnące, wchłaniają go znacznie więcej.

Drewno

Przyrosty roczne w lasach wynoszą około 4 m³ drewna z 1 ha. Powierzchnia lasów w Polsce oceniana jest na około 5 mln ha, daje to około 40 mln m³ calkowitej masy drewna, w tym około 20 mln m³ drewna przemysłowego (tarcicy).

Zalesiając nieużytki i grunty 5 i 6 klasy można by podwoić w ciągu przyszłego dwudziestolecia powierzchnię lasów, uzyskując około 40 mln m³ drewna przemysłowego i 40 mln m³ odpadów drewna do celów energetycznych, co odpowiada około 16 mln ton wągla kamiennego. Od kilku lat Hajnowskie Zaklady Przemysłu Maszynowego Leśnictwa produkują piece do spalania odpadów drzewnych o mocy cieplnej 23, 46 i 92 kW, natomiast Elbląska Fabryka Urządzeń Okrętowych "ELFA" produkuje kotły do spalania zrąbków drewna o mocy cieplnej 44, 66, 88 i 110 kW.

Rozważa sią założenie w Polsce plantacji topoli, a na podmokłych gruntach wikliny, z których będzie można uzyskać przyrosty biomasy około 16 mln ton rocznie w rotacji trzyletniej.

Olej rzepakowy

Produkcja oleju rzepakowego wynosiła w Polsce w ostatnich latach około 0,4 mln ton/rok. Przewiduje się do 2030 roku przeznaczyć 1 mln ha na plantacje rzepaku, z którego będzie można pozyskać 1,2 mln ton oleju napędowego rocznie. Będzie to wymagało budowy 200 olejarni wraz z rafineriami, przerabiających rocznie po 18 000 ton nasion rzepaku.

Docelowo przewiduje się pokrycie okolo 50% zapotrzebowania na olej napędowy w rolnictwie olejem rzepakowym.

Koszt produkcji oleju napędowego z rzepaku w produkcji przemyslowej wynosi wedlug danych USA około 40 USD/tonę.

Wartość opałowa diestru (oleju napędowego z oleju rzepakowego) wynosi 37,1 MJ/kg.

Spirytus - etanol

W Polsce w 1000 gorzelni produkuje się około 250 mln litrów spirytusu, głównie z ziemniaków. Obecnie do około 2% zużywanej w kraju benzyny dodaje się około 5% etanolu, co powoduje zmniejszenie emisji ołowiu o około 50%.

Przewiduje się zwiększenie ilości alkoholu dodawanego do benzyny do l0% oraz wzrost sprzedaży tej benzyny. Przewiduje się, że do 2000 roku trzeba będzie przeznaczą 0,5 mln ha powierzchni upraw dla uzyskania 750 tys. m ³ etanolu, co stanowi odpowiednik 600 tys. m³ benzyny. Realizacja tego programu będzie wymagała wybudowania dodatkowo około 1500 małych gorzelni i 75 dużych gorzelni przemysłowych.

Koszt produkcji etanolu wedlug danych USA wynosi okolo 49 USD/tonę, wartść opałowa etanolu 25 MJ/kg.

Biogaz

Surowcem do produkcji biogazu mogą być prawie wszystkie organiczne odpady produkcji rolniczej. Szczególnie przydatne ze względu na skład są odchody zwierzęce w postaci gnojowicy lub obornika.

Skład chemiczny biogazu jest następujący (w %):
metan CH4	52 - 85
dwutlenek węgla C02	14 -18
siarkowodór H2S	0,08 - 5,5
wodór H2	0 - 5
tlenek węgla CO	0 - 2,1
azot N2	0,6 - 7,5
teln O2	0 - 1

Metan jest gazem łatwopalnym, nietrującym, bezwonnym i znacznie lżejszym od powietrza. Spalanie następuje według następującego wzoru:

CH₄ + 2O₂ = 2H₂O + CO₂

W czasie spalania 1 m³ metanu powstaje około 1,6 kg wody w postaci pary; do spalenia 1 m³ metanu potrzeba około 10 m ³ powietrza.

---