biomasa dla celÓw energetycznych

1

BIOMASA DLA CELÓW BIOMASA DLA CELÓW ENERGETYCZNYCHENERGETYCZNYCH

Halina KruczekPolitechnika Wrocławska

Wydział

Mechaniczno-Energetyczny 2005

2

Plan prezentacjiPlan prezentacji

•Dlaczego biomasa?-wykorzystanie biomasy jako paliwa

•Definicje i potencjał

•Charakterystyki paliwa - biomasy

•Produkcja energii z biomasy

3

BIOMASA – RAMY POLITYCZNE I PRAWNEBIOMASA – RAMY POLITYCZNE I PRAWNE

Biała Księga „Energia dla przyszłości: odnawialne źródła energii”

12% udziału energii pierwotnej z OZE

do roku 2010

(8,5% z biomasy)

Dyrektywa z 27 września 2001 r. Nr 2001/77/WE w sprawie promocji

energii elektrycznej wytworzonej w źródłach odnawialnych na

wewnętrznym rynku energii elektrycznej

22% udziału OZE w bilansie energii

elektrycznej

4

ŚWIAT5,2 %

EUROPA8,0 %

(ROK BAZOWY: 1995)

EU – BIAŁA KSIĘGAKONSUMPCJA ENERGII PIERWOTNEJ

1995 2010OŹE 5,4 % 11,5 %Biomasa 3,1 % 8,5 %

REDUKCJA REDUKCJA CO2CO2 (Kyoto) (Kyoto)

5

Strategia Rozwoju Energetyki Odnawialnej

7,5% udziału energii pierwotnej z OZE

do roku 2010

BIOMASA – RAMY POLITYCZNE I PRAWNE BIOMASA – RAMY POLITYCZNE I PRAWNE POLSKAPOLSKA

(Dotychczasowe) na podst. Art.. 9a Prawo Energetyczne) Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 30 maja 2003 w sprawie szczegółowego obowiązku zakupu energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii Nowe rozp.1 stycznia 2005- definicja podmiotów zobowiązanych do użycia OZE , sposób wypełnienia, regulacja zagadnienia potwierdzania wytworzenia energii elektrycznej w OZE przez świadectwa pochodzeniaTraktat o Przystąpieniu Republiki Czeskiej, Estonii, Cypru, Łotwy, Litwy, Węgier, Malty, Polski, Słowenii i Słowacji do Unii Europejskiej. 2003

7,5% udziału OZE w bilansie sprzedaży

energii elektrycznej

6

Cykl wykorzystania biomasyCykl wykorzystania biomasy

70 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Elektrownie wiatrowe

Male elektrownie wodne

Systemy fotowoltaiczne

Biogazownie komunalne

Biogazownie rolnicze

Gaz wysypiskowy

Kolektory słoneczne powietrzne

Kolektory słoneczne wodne

Ciełownie automatyczne na drewno

Ciepłownie automatyczne na slomę

Kotły indywidualne na biomasę

Elektrociepłownie na drewno

Cieplownie geotermalne

[MW]

Struktura przyrostu mocy w energetyce odnawialnej w Struktura przyrostu mocy w energetyce odnawialnej w Polsce do roku 2010 wg Strategii rozwoju energetyki Polsce do roku 2010 wg Strategii rozwoju energetyki

odnawialnejodnawialnej

8

biomasa60%

biogaz4%

energetyka wodna

3%

energetyka wiatrowa

33%inne0%

biogaz7%

biomasa39%

inne0%

energetyka wodna

5%

energetyka wiatrowa

49%

Udział produkcji energii elektrycznej z poszczególnych Udział produkcji energii elektrycznej z poszczególnych źródeł odnawialnych w Polsce źródeł odnawialnych w Polsce

w roku 2010 wg modelu SAFIRE, EC BREC’2001w roku 2010 wg modelu SAFIRE, EC BREC’2001

Scenariusz OZE 7,5% Scenariusz środowiskowy 12,5 %

9

Krajowe zasoby biomasy potrzebnej do procesów Krajowe zasoby biomasy potrzebnej do procesów współspalaniawspółspalania

Źródła biomasy• Leśnictwo.• Rolnictwo:

Odpady i półprodukty z produkcji rolnej, Uprawy energetyczne.

• Inne: Przemysł drzewny, Przemysł spożywczy, Przemysł papierniczy Osady ściekowe???.

10

BIOMASA JAKO PALIWOBIOMASA JAKO PALIWO

balebale

zrębkizrębki

peletpeletyy

pyłpył

Osad Osad papierniczy papierniczy trocinytrociny

11

Badanie krajowych zasobów biomasyBadanie krajowych zasobów biomasy Nadwyżki słomy [tys.ton]Gradziuk P. „Słoma energetyczne paliwo”, W-wa 2001

Lesistość w Polsce [tys.ha]Date statystyczne GUS, za rok 2002

Powierzchnia odłogów i ugorów[tys.ha]Date statystyczne GUS, za rok 2001

Kompleksy rolniczej przydatności glebInstytut Upraw Nawożenia i Gleboznawstwa, Puławy

12

Wierzba energetyczna – wstępny ranking województw Wierzba energetyczna – wstępny ranking województw wg EC BRECwg EC BREC

Analiza wielokryterialna metodą Capelanda oparta na 12 kryteriach, m.in.:redukcji plonów upraw referencyjnych w okresach suchych,średniej rocznej temperaturze,udziale gleb średnich klas bonitacyjnych w areale uprawowym,liczbie dużych farm, udziale upraw zbożowych na danym obszarze,wielkości produkcji ciepła sieciowego i jego ceny.

13

Dolnośląskie

Śląskie

Małopolskie

Podkarpackie

Świętokrzyskie

LubelskieŁódzkie

LubuskieWielkopolskie

Mazowieckie

Podlaskie

Kujawsko-pomorskie

Zachodniopomorskie

PomorskieWarmińsko-mazurskie

Opolskie

Zasoby słomyw tys. ton

powyżej 1000 (3)od 501 do 1000 (6)od 0 do 500 (6)poniżej 0 (1)

BILANS SŁOMY W POLSCE -BILANS SŁOMY W POLSCE - (w tyś. m3 )(w tyś. m3 )

14

Biomasa na Dolnym Ślasku- rzepakBiomasa na Dolnym Ślasku- rzepak

11 PROGNOZOWANY WZROST AREAŁU UPRAW RZEPAKU REGIONU DOLNOŚLĄSKIEGO [10]

Lp. Tytuł JM 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1 Rzepak ogółem

ha 468 619 679 749 817 884 948 1010 1010

2 Rzepak konsumpcyjny

ha

372 369 359 349 340 330 320 310 300

3 Rzepak energetyczny

ha 96 250 320 400 477 554 628 700 710

4 Plon z ha ton/ha 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3 5 Zbiór rzepaku

ogółem tys. ton

1029,6 1423,7 1629,6 1872,5 2124,2 2386,8 2654,4 2929 3030

15

Rozmieszczenie kotłów grzewczych na słomę w woj. Rozmieszczenie kotłów grzewczych na słomę w woj.

dolnośląskimdolnośląskim

kotły grzewcze na słomę

elektrownie wodne

instalacje fotowoltaiczne

kolektory słoneczne do 6 m2

16

Rozmieszczenie instalacji do spalania odpadów Rozmieszczenie instalacji do spalania odpadów drzewnych i inne OŹEdrzewnych i inne OŹE

kotły grzewcze na odpady drewna

elektrownie wodne

instalacje fotowoltaiczne

kolektory słoneczne do 6 m2

17

Problemy związane z produkcja energii z biomasyProblemy związane z produkcja energii z biomasy

• Problemy wymagające rozwiązania aby biomasę użyć jako paliwo wynikają z jej własności fizyko-chemicznych tj. niska gęstość i wilgotność stwarzają problemy ekonomiczne z transportem i magazynowaniem

• Problem wymagający rozwiązania te rozdrobnienie biomasy i doprowadzenie jej do kotłów lub gazogeneratorów

• Problemy w czasie spalania to zagrożenie zanieczyszczaniem się powierzchni i korozją wysokotemperaturową

18

Krajowe zasoby biomasy potrzebnej do procesów Krajowe zasoby biomasy potrzebnej do procesów współspalania (1/3)współspalania (1/3)

Konkurencja o biomasę:• Zapotrzebowanie na biomasę przez różne sektory:

Elektroenergetyka i ciepłownictwo, Transport, Przemysł.

• Złożoność problematyki Strona podażowa: leśnictwo, rolnictwo, Konkurencja po stronie popytu, Uwarunkowania: środowisko, przestrzeń

produkcyjna, infrastruktura techniczna itd.

• Konieczność indywidualnego (regionalnego) podejścia do zasobów biomasy.

19

Uprawy energetyczne:• Wieloletni charakter upraw (bioróżnorodność,

zaangażowanie gruntów na wiele lat),• Skład fizyko-chemiczny (uprawy lignocelulozowe),• Rentowność produkcji (priorytet dla produkcji żywności),• Polityka rolna (dopłaty, Wspólna Polityka Rolna UE),• Wykorzystanie gruntów:

Grunty nie uprawiane (odłogi i ugory), Struktura własnościowa, Warunki (klasy bonitacyjne, rolnicza przestrzeń

produkcyjna), Produktywność.

• Podejście wielofunkcyjne: Rekultywacja, Ochrona wód (Fitoremediacja, strefy buforowe).


20

Zagadnienia organizacyjne:• Łańcuch dostaw:

Skup (standaryzacja i pomiar), Przetwarzanie (technologia współspalania), Przechowywanie.

• Organizacja producentów: Rozproszona, scentralizowana (integracja pionowa,

pozioma), Grupy producenckie, Mechanizacja produkcji.

• Wykorzystanie istniejącej infrastruktury i doświadczenia: Rolnictwo, Logistyka.


21

Współspalanie biomasy z paliwami kopalnymi - Współspalanie biomasy z paliwami kopalnymi - ramy prawneramy prawne

• Ilość „zielonej” energii elektrycznej w procesie współspalania ma być określana jest na podstawie udziału strumienia energii chemicznej biomasy lub biogazu w całkowitym strumieniu energii chemicznej paliwa – obecnie podano metodykę obliczania

• Paragraf 4 punkt 3 Rozporządzenia mówi, że „jednostka wytwórcza powinna być wyposażona w urządzenia i przyrządy pomiarowe zapewniające pomiary i rejestrację, umożliwiające obliczenie ilości energii wytwarzanej z biomasy lub z biogazu – obecnie obowiązują określone miejsca pomiaru

(Dotychczasowe) Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 30 maja 2003r.:

22

WSPÓŁSPALANIE WSPÓŁSPALANIE Cele ilościowe a problemy organizacyjneCele ilościowe a problemy organizacyjne

• Zdaniem ekspertów z MGPiPS wypełnienie przyjętego w Traktacie Akcesyjnym celu indykatywnego dla Polski (7,5%) będzie wymagało co najmniej 4-procentowego udziału energii elektrycznej ze współspalania w krajowym zużyciu energii elektrycznej brutto w roku 2010.

• Zakładając, że zużycie energii elektrycznej brutto w roku 2010 wyniesie ok. 150 TWh (obecnie wynosi ok. 139 TWh), 4% energii elektrycznej ze współspalania przekładać się będzie na ok. 65 PJ energii chemicznej dostarczonej biomasy (odpowiednik ok. 3 mln ton węgla). Zakładając, że zdecydowaną większość paliwa będzie stanowić drewno, pozyskanie drewna opałowego (świeżego) w ciągu roku powinno wynieść ok. 8-10 mln ton (ok. 10 - 12 mln m3).

Problem: Czy uda się w Polsce stworzyć odpowiednio duży rynek biomasy? (Sektor leśny szacuje, że z istniejących drzewostanów możliwe jest pozyskanie na cele energetyczne 2,5-3 mln ton drewna.)Czy cena produkowanej zielonej energii nie będzie wysoka przy takim zapotrzebowaniu na biopaliwa?

23

Charakterystyka biomasyCharakterystyka biomasy

Własności fizyko-chemiczne biopaliw zależą w dużym stopniu od ich składu chemicznego masy palnej i substancji mineralnej, zawartości części lotnych,

popiołu i jego składu. Wielkości te decydują o doborze sposobu spalania pozwalającego na minimalną emisję i uniknięcie zagrożeń eksploatacyjnych

(zanieczyszczenie powierzchni, szlakowanie, korozja wysokotemperaturowa).Zawartość popiołu w energetycznie przydatnej słomie jest podobnego rzędu jak

dla węgla kamiennego. Natomiast dla roślin energetycznych mieści się w zakresie 2-6%. Jedynie dla odpadów drzewnych zawartość popiołu jest bardzo niska i

wynosi poniżej 1%.Kaloryczność biomasy, w przeliczeniu na masę suchą, jest rzędu 15-20 MJ/kg.Zawartość azotu i siarki w biomasie jest niska, ale duża jest zawartość chloru,

szczególnie w przypadku słomy, co stwarza duże ryzyko występowania korozji.Biomasa, w porównaniu z węglem, charakteryzuje się dużą zawartością części

lotnych. Mała gęstość biomasy stanowi problem transportowy i magazynowy – 250 -360

kg/m3

24

brown coal

fixed-C35%

volatiles52%

ash13%

bituminous coal

fixed-C68%

volatiles23%

ash9%

wood

fixed-C21%

volatiles76%

ash3%

straw

fixed-C21%

volatiles73%

ash6%

sewage sludge

fixed-C6%

volatiles46%

ash48%

refuse derived fuel

fixed-C6%

volatiles80%

ash14%

SKŁAD BIOMASYSKŁAD BIOMASY

25

Zmiana wartości odpadowej biomasyZmiana wartości odpadowej biomasy

0

5000

10000

15000

20000

25000

0 10 20 30 40 50 60

w ilgotnośc [%]

war

tość

op

ało

waQ

wd

[kJ

/kg

]

kora

drewno odpadowe

drewno

węgiel brunatny

26

Procesy wykorzystania biomasy do celów Procesy wykorzystania biomasy do celów energetycznychenergetycznych

proces produkt

piroliza Gaz niskokaloryczny

gazyfikacja gaz

Fermentacja biogaz

Upłynnianie Paliwo płynne

spalanie energia cieplna

27

Fermentacja-BIOGAZFermentacja-BIOGAZ

• Techniczny potencjał biogazu, obliczony dla wartości opałowej równej 23 MJ/m3 gazu w beztlenowej fermentacji odchodów zwierzęcych, wynosi 37,5 PJ.

• W Polsce funkcjonuje ok. 1,8 przemysłowych i 1,470 komunalnych oczyszczalni ścieków a ich liczba stale rośnie. Potencjał techniczny biogazu z osadów ścieków wynosi obecnie ok. 100 PJ. Podobny potencjał ma gaz wysypiskowy.

28

• Z fermentacji 1 tony biomasy można uzyskać paliwo gazowe w ilości 350~500 m3 o cieple spalania 18000~24500 kJ/nm3. Odpad z fermentacji metanowej – szlam pogazowy stanowi nawóz organiczny.

• Fermentacja metanowa wykazuje dwie maksymalne wydajności gazu:

• przy temp. 30–35oC (bakterie mezofilne) • przy temp. 52–55oC (bakterie termofilne)• W skład biogazu wchodzą następujące gazy w różnej

proporcji w zależności od parametrów fermentacji:• metan 55~70%• wodór 1~3%• tlen 0,5~1%• dwutlenek węgla do 40%• gazy różne 1~5%

Fermentacja-BIOGAZFermentacja-BIOGAZ

29

Gaz wysypiskowyGaz wysypiskowy

• W Polsce istniało w 1998 r. 20 instalacji do wykorzystywania

• gazu wysypiskowego o mocy nie przekraczającej 400 kW każda.

• Przyrost mocy zainstalowanej w jednostkach wykorzystujących gaz wysypiskowy

Objętościowy skład gazu (po odrzuceniu N2) wynosi:

CO 34–54,5%H2 10–22%CO2 6–26%CH4 8–32%C2H4 4–6%

C2H6 0,1–1%C3H 0,3–2%

30

S p a la n ie G a z y f ik a c ja

O c z y s z c z a n ieg a z u

T u r b in ag a z o w a

T u r b in ap a r o w a

O g n iw ap a l iw o w e

B io m a s a

E n e r g ia e le k t r y c z n a

31

Porównanie bezpośredniego i pośredniego Porównanie bezpośredniego i pośredniego współspalaniawspółspalania

• Wymagane tylko rozdrobnienie

• Wpływ na zanieczyszczenie powierzchni Z, korozję K i produkty spalania A

• Wzrost kosztów z powodu Z, K i składowanie popiołów

• Dodatkowy wstepny proces

• problemy Z, K są minimalizowane

• Popiół z biomasy odseparowany (gazyfikacja)

• Wzrost kosztów inwestycyjnych

Bezpośrednie współspalanie / Pośrednie

32

Koncepcje współspalania biomasy z węglemKoncepcje współspalania biomasy z węglem

33

Korzyści wynikające ze współspalania biomasyKorzyści wynikające ze współspalania biomasy

• Niskie koszty inwestycyjne• Niewielka zmiany parametrów operacyjnych kotła przy

niskim udziale cieplnym biomasy• Wysoka sprawność • Wykorzystanie istniejącej infrastruktury i urządzeń • Okresowe fluktuacje biomasy mogą być rekompensowane

zmiana udziału biomasy do wegla• Mozliwość użycia duzej ilości biomasy pozwalajacej na

istotną redukcje CO2 jak SO2 i NOx

34

Spalanie –współspalanie biomasySpalanie –współspalanie biomasy

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Kaisersesch(D)

Lübbenau(D)

Ulm(D)

Nijmegen(NL)

Arhus(NL)

St. Andrä(AUT)

straw wood

dedicated biomass combustion

co-combustion in coal power plant

Porównanie kosztów inwestycyjnych

35

Wodór z biomasy - Układ oddzielnej gazyfikacji i Wodór z biomasy - Układ oddzielnej gazyfikacji i

procesu uszlachetniania gazuprocesu uszlachetniania gazu

BIOMASA

36

Wodór z biomasy - Podwójny układ ciśnieniowych Wodór z biomasy - Podwójny układ ciśnieniowych reaktorów fluidalnych do gazyfikacji i regeneracji reaktorów fluidalnych do gazyfikacji i regeneracji

sorbentu Osorbentu O22/H/H22OO

BIOMASA

PARA

37

Realizowane prace w zakresie paliw odpadowych i biomasy

w zespole dr hab..inz. Halina Kruczek PWr W-9 http://www.itcmp.pwr.wroc.pl/~hkruczek/

• Selektywna gazyfikacja paliw niskogatunkowych w tym biomasy paliw odpadowych do produkcji czystego gazowego paliwa z przewagą wodoru i produktów stałych przydatnych w przemyśle cementowym

• Wykorzystanie paliw alternatywnych w kotłach energetycznych –opracowanie konceptu technicznego z doborem paliwa i optymalizacją sprawności i emisji

• Charakterystyki biomasy i paliw odpadowych do współspalania w kotłach oraz optymalizacja układów transportu biomasy

38

BAZA BADAWCZO-APARATUROWA Piec badawczy do gazyfikacji i

spalania paliw z analizatorem spalin on-line firmy Siemens

Piec zapłonowy

39

Aparaturatermograwimetr do badań własności paliw kinetyki zgazowania i spalania

• Układ do poboru próbek do oznaczania dioksyn i furanów

Temperature range – up to 1500 Temperature range – up to 1500 ooC, C, heating rate 0.01 to 300 heating rate 0.01 to 300 ooC /minC /min Coupled with IR, MS or GC/MS techniques Coupled with IR, MS or GC/MS techniques

40

Piec do badań materiałow organicznych i nieorganicznych w temperaturach do 1300 oC

Classic -Claren

Sonda aspiracyjna chłodzona wodą do pomiaru temperatur w ośrodku zapylonym.

41

Praktyczne rozwiazania stosowania biomasy-Praktyczne rozwiazania stosowania biomasy-Domowe piece grzewczeDomowe piece grzewcze

1 10 100 1.000 10.000 100.000 1.000.000 10.000.000

1

thermal capacity in kWth

1 10 100 1.000 10.000 100.000 1.000.000 10.000.000

1


Mały kocioł opalany peletami

42

Małe Systemy GrzewczeMałe Systemy Grzewcze 15 - 150 kWth 15 - 150 kWth

1 10 100 1.000 10.000 100.000 1.000.000 10.000.000

1


43

Średnie Systemy grzewczeŚrednie Systemy grzewcze

1 10 100 1.000 10.000 100.000 1.000.000 10.000.000

1

thermal capacity in kWth1 10 100 1.000 10.000 100.000 1.000.000 10.000.000

1


44

Kocioł z rusztem obrotowym A – pierwsza komora spalania z rusztem obrotowym, B – komora dopalania, C – płomienica kotła,

D – wentylator spalin, E – filtr spalin, F – komin, G – układ transportu żużla i popiołu

45

Kocioł opalany słomąKocioł opalany słomą

1 10 100 1.000 10.000 100.000 1.000.000 10.000.000

1


46

Kotły energetyczne opalane mieszanką paliwKotły energetyczne opalane mieszanką paliw

1 10 100 1.000 10.000 100.000 1.000.000 10.000.000

1


1 10 100 1.000 10.000 100.000 1.000.000 10.000.000

1


kocioł fluidalny kocioł pyłowy

47

Kocioł fluidalny ze złożem cyrkulacyjnym. 550 MWt, Kocioł fluidalny ze złożem cyrkulacyjnym. 550 MWt,

194/179 kg/s, 16.5/3.7 MPa, 545/545°C194/179 kg/s, 16.5/3.7 MPa, 545/545°C

48

Kocioł w ŚwieciuKocioł w Świeciu

Dane projektowe kotła: WMT przy spalaniu 100% węgla

234 t/h Wydajność przy spalaniu 100% biomasy 180 t/hZakres obciążeń (spalanie węgla)

50 100 % WMTZakres obciążeń (spalanie biomasy)

38 77 % WMTCiśnienie pary świeżej 9,6 MPaTemperatura pary świeżej510 5°CCiśnienie projektowe (walczak)11,7 MPaTemperatura wody zasilającej (gr. dostaw) 200 5°C

49

Pośrednie instalacje produkcji energii z biomasyPośrednie instalacje produkcji energii z biomasy

50

Pośrednie instalacje produkcji energii z biomasy i węglaPośrednie instalacje produkcji energii z biomasy i węgla

G

1

2

3

1. Kocioł parowy OR-10, D = 10 t/h, tp = 420°C

2. Instalacja zgazowania biomasy,

3. Tłokowy silnik parowy, P = 1 MWe, Q = 7 MWt

Koncepcja i projekt techniczny instalacji zgazowania biomasy i wykorzystania gazu jako paliwa dodatkowego w kotle rusztowym

51

Układ z Lahti (Foster Wheeler)Układ z Lahti (Foster Wheeler)

52

• Energia z biomasy powinna odegrać kluczową rolę w rozwoju sektora OZE w Polsce.

• Cele ilościowe nałożone na Polskę wymuszą pozyskiwanie biomasy z upraw energetycznych lub jej import z zagranicy, bo potencjał biomasy leśnej jest ograniczony.

• Utworzenie rynku biomasy dla energetyki jest zagadnieniem ważnym, ale dosyć złożonym i trudnym.

WnioskiWnioski

biomasa dla celÓw energetycznych

Documents