Elektrociepłownie małej mocy opalane biomasą
Obecnie w Polsce biomasa jest wykorzystywana w elektroenergetyce wyłącznie w procesie współspalania z węglem w kilkunastu dużych elektrowniach i jednej elektrociepłowni1.
Biomasa może być produkowana na plantacjach roślin energetycznych lub powstaje jako odpady przemysłowe (szczególnie w przemyśle drzewnym) i komunalne na obszarze całego kraju. W związku z tym najwłaściwszym miejscem jej energetycznego wykorzystania powinny być rozproszone źródła skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, czyli elektrociepłownie małej mocy (do 10 MWel). Podstawowym argumentem przemawiającym za ich budową powinno być lokalne zapotrzebowanie na ciepło użytkowe (komunalne lub technologiczne).
Wszystkie rodzaje biomasy są nośnikami energii chemicznej. Jej wykorzystanie w procesie technologicznym elektrociepłowni może odbywać się albo w procesie bezpośredniego spalania, albo w procesie zgazowania.
Bezpośrednie spalanie biomasy
Ocenia się, że na świecie pracuje ponad 500 elektrociepłowni opalanych biomasą (w tym ponad 150 w Europie)2. Wśród nich przeważającą liczbę stanowią elektrociepłownie, w których stosowane jest bezpośrednie spalanie biomasy. Wykorzystywane są do tego celu różne typy kotłów, w tym kotły fluidalne ze złożem stałym lub cyrkulacyjnym. Ciepło powstające w kotle w procesie spalania biomasy przekazywane jest czynnikowi roboczemu, którym najczęściej jest woda (para wodna), a ostatnio również czynnik organiczny (ORC – Organic Rankine Cycle)3. Do analizy wybrano trzy układy skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła małej mocy tego typu: układ z turbiną parową przeciwprężną, układ z silnikiem parowym4 i układ z turbiną ORC.
Procesy zgazowania biomasy
Do drugiej grupy układów skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła małej mocy, wykorzystujących biomasę, należą układy zintegrowane z jej zgazowaniem5. Zanalizowano je na przykładzie układu z silnikiem gazowym, układu z turbiną gazową pracującą w obiegu prostym oraz układu z turbiną gazową pracującą z wtryskiem pary wodnej (STIG – Steam Injected Gas Turbine). Wybrane układy nie wyczerpują możliwości realizacji elektrociepłowni małej mocy opalanych gazem syntetycznym wytwarzanym w procesie zgazowania biomasy. Prowadzone są również prace m.in. nad układami z ogniwami paliwowymi6 i mikroturbinami.
Wyniki analizy wielkości charakteryzujących efektywność energetyczną elektrociepłowni opalanych biomasą
Efektywność energetyczna
Jako podstawowe kryterium oceny efektywności energetycznej skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła przyjęto względną oszczędność energii paliwa (energii chemicznej paliwa), uzyskiwaną dzięki zastosowaniu tej technologii, w porównaniu z rozdzielonym wytwarzaniem energii elektrycznej w elektrowni i ciepła w kotłowni (ciepłowni). Jako kryteria dodatkowe wyznaczono średnioroczną sprawność elektryczną (sprawność wytwarzania energii elektrycznej w skojarzeniu), cieplną (sprawność wytwarzania ciepła w skojarzeniu) i energetyczną oraz średnioroczny wskaźnik skojarzenia. Wyniki analizy tych wielkości podano w tabeli.
Wartości liczbowe służące do obliczenia wielkości charakteryzujących efektywność energetyczną układów dla bezpośredniego spalania biomasy (układ z turbiną parową przeciwprężną, układ z silnikiem parowym oraz układ z turbiną ORC) zaczerpnięto z pracy Bini i innych3, układu elektrociepłowni z silnikiem gazowym z pracy Teisleva7, a dla układów elektrociepłowni z turbiną gazową pracującą w obiegu prostym i obiegu STIG zostały wyznaczone przez autora. Obliczenie wykonano dla biomasy o składzie: C = 46,5%, H = 5,7%, S = 0,03%, O = 40,2%, N = 0,19%, wilgotność = 6,0% i popiół = 0,38%. Przy wyznaczaniu względnej oszczędności energii pierwotnej przyjęto następujące wartości odniesienia dla biomasy: sprawność wytwarzania energii elektrycznej w produkcji rozdzielonej (w elektrowni) eo = 34% i ciepła (w kotłowni) co = 78%, na podstawie propozycji Komisji Europejskiej.
Analizowane układy z punktu widzenia efektywności energetycznej (tabela) można uszeregować w następującej kolejności: elektrociepłownia z silnikiem gazowym, elektrociepłownia z turbiną gazową pracującą w obiegu prostym, elektrociepłownia z turbiną gazową pracującą w obiegu STIG, elektrociepłownia z turbiną parową przeciwprężną, elektrociepłownia z turbiną ORC oraz elektrociepłownia z silnikiem parowym. Duży wpływ na uzyskiwaną efektywność energetyczną (oszczędność energii pierwotnej) ma sprawność elektryczna układu. Na uzyskiwanie wyższej sprawności elektrycznej pozwalają układy zintegrowane ze zgazowaniem biomasy. Analizowane układy obecnie nie są jeszcze stosowane w szerokim zakresie w praktyce energetycznej. Jedną z przyczyn tego stanu są wysokie jednostkowe nakłady inwestycyjne na ich budowę8. Należy oczekiwać, że dalszy rozwój technologii energetycznych przyczyni się do istotnego obniżenia tych nakładów.
Źródła
dr hab. inż. Bolesław Zaporowski
Instytut Elektroenergetyki
Politechnika Poznańska
Biomasa może być produkowana na plantacjach roślin energetycznych lub powstaje jako odpady przemysłowe (szczególnie w przemyśle drzewnym) i komunalne na obszarze całego kraju. W związku z tym najwłaściwszym miejscem jej energetycznego wykorzystania powinny być rozproszone źródła skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, czyli elektrociepłownie małej mocy (do 10 MWel). Podstawowym argumentem przemawiającym za ich budową powinno być lokalne zapotrzebowanie na ciepło użytkowe (komunalne lub technologiczne).
Wszystkie rodzaje biomasy są nośnikami energii chemicznej. Jej wykorzystanie w procesie technologicznym elektrociepłowni może odbywać się albo w procesie bezpośredniego spalania, albo w procesie zgazowania.
Bezpośrednie spalanie biomasy
Ocenia się, że na świecie pracuje ponad 500 elektrociepłowni opalanych biomasą (w tym ponad 150 w Europie)2. Wśród nich przeważającą liczbę stanowią elektrociepłownie, w których stosowane jest bezpośrednie spalanie biomasy. Wykorzystywane są do tego celu różne typy kotłów, w tym kotły fluidalne ze złożem stałym lub cyrkulacyjnym. Ciepło powstające w kotle w procesie spalania biomasy przekazywane jest czynnikowi roboczemu, którym najczęściej jest woda (para wodna), a ostatnio również czynnik organiczny (ORC – Organic Rankine Cycle)3. Do analizy wybrano trzy układy skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła małej mocy tego typu: układ z turbiną parową przeciwprężną, układ z silnikiem parowym4 i układ z turbiną ORC.
Procesy zgazowania biomasy
Do drugiej grupy układów skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła małej mocy, wykorzystujących biomasę, należą układy zintegrowane z jej zgazowaniem5. Zanalizowano je na przykładzie układu z silnikiem gazowym, układu z turbiną gazową pracującą w obiegu prostym oraz układu z turbiną gazową pracującą z wtryskiem pary wodnej (STIG – Steam Injected Gas Turbine). Wybrane układy nie wyczerpują możliwości realizacji elektrociepłowni małej mocy opalanych gazem syntetycznym wytwarzanym w procesie zgazowania biomasy. Prowadzone są również prace m.in. nad układami z ogniwami paliwowymi6 i mikroturbinami.
Wyniki analizy wielkości charakteryzujących efektywność energetyczną elektrociepłowni opalanych biomasą
Wielkość | Warianty układu elektrociepłowni | |||||
Małej mocy | Małej mocy zintegrowane ze zgazowaniem | |||||
z turbiną parową przeciwprężną | z silnikiem parowym | z turbiną ORC | z silnikiem gazowym | z turbiną gazową pracującą w obiegu prostym | z turbiną gazową pracującą w obiegu STIG | |
| Średnioroczna sprawność elektryczna wytwarzania w skojarzeniu, eec,[%] | 17,0 | 11,0 | 15,0 | 27,0 | 24,6 | 37,4 |
| Średnioroczna sprawność cieplna wytwarzania w skojarzeniu, cec,[%] | 68,0 | 74,0 | 70,0 | 56,0 | 59,0 | 27,2 |
| Średnioroczna sprawność energetyczna, e,[%] | 85,0 | 85,0 | 85,0 | 83,0 | 84,6 | 64,6 |
| Średnioroczny wskaźnik skojarzenia, s | 0,25 | 0,15 | 0,21 | 0,48 | 0,43 | 1,4 |
| Względna oszczędność energii pierwotnej (paliwa) PES, [%] | 27,1 | 21,4 | 25,3 | 33,9 | 33,0 | 31,0 |
Efektywność energetyczna
Jako podstawowe kryterium oceny efektywności energetycznej skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła przyjęto względną oszczędność energii paliwa (energii chemicznej paliwa), uzyskiwaną dzięki zastosowaniu tej technologii, w porównaniu z rozdzielonym wytwarzaniem energii elektrycznej w elektrowni i ciepła w kotłowni (ciepłowni). Jako kryteria dodatkowe wyznaczono średnioroczną sprawność elektryczną (sprawność wytwarzania energii elektrycznej w skojarzeniu), cieplną (sprawność wytwarzania ciepła w skojarzeniu) i energetyczną oraz średnioroczny wskaźnik skojarzenia. Wyniki analizy tych wielkości podano w tabeli.
Wartości liczbowe służące do obliczenia wielkości charakteryzujących efektywność energetyczną układów dla bezpośredniego spalania biomasy (układ z turbiną parową przeciwprężną, układ z silnikiem parowym oraz układ z turbiną ORC) zaczerpnięto z pracy Bini i innych3, układu elektrociepłowni z silnikiem gazowym z pracy Teisleva7, a dla układów elektrociepłowni z turbiną gazową pracującą w obiegu prostym i obiegu STIG zostały wyznaczone przez autora. Obliczenie wykonano dla biomasy o składzie: C = 46,5%, H = 5,7%, S = 0,03%, O = 40,2%, N = 0,19%, wilgotność = 6,0% i popiół = 0,38%. Przy wyznaczaniu względnej oszczędności energii pierwotnej przyjęto następujące wartości odniesienia dla biomasy: sprawność wytwarzania energii elektrycznej w produkcji rozdzielonej (w elektrowni) eo = 34% i ciepła (w kotłowni) co = 78%, na podstawie propozycji Komisji Europejskiej.
Analizowane układy z punktu widzenia efektywności energetycznej (tabela) można uszeregować w następującej kolejności: elektrociepłownia z silnikiem gazowym, elektrociepłownia z turbiną gazową pracującą w obiegu prostym, elektrociepłownia z turbiną gazową pracującą w obiegu STIG, elektrociepłownia z turbiną parową przeciwprężną, elektrociepłownia z turbiną ORC oraz elektrociepłownia z silnikiem parowym. Duży wpływ na uzyskiwaną efektywność energetyczną (oszczędność energii pierwotnej) ma sprawność elektryczna układu. Na uzyskiwanie wyższej sprawności elektrycznej pozwalają układy zintegrowane ze zgazowaniem biomasy. Analizowane układy obecnie nie są jeszcze stosowane w szerokim zakresie w praktyce energetycznej. Jedną z przyczyn tego stanu są wysokie jednostkowe nakłady inwestycyjne na ich budowę8. Należy oczekiwać, że dalszy rozwój technologii energetycznych przyczyni się do istotnego obniżenia tych nakładów.
Źródła
- Ściążko M., Zubała J., Pronobis M.: Zalety i wady współspalania biomasy w kotłach energetycznych na tle doświadczeń eksploatacyjnych pierwszego roku współspalania biomasy na skalę przemysłową. „Energetyka” 3/2006.
- Jungmeier G., Schwaiger H., Panoutsou C., Hillring B., Flyktman M., Gerard MM., Krajne N., Mihailov N., Akgun F., Bruton C.: Survey of Existing CHP Plants With Solid Biomass in Europe. Proceedings of Second World Biomass Conference. Rzym 2004.
- Bini R., Duvia A., Schwarz A., Gaia M., Bertuzzi P., Righini W.: Operational Results of the First Biomass CHP Plant in Italy Based on Organic Rankine Cycle Turbogenerator and Overview of a Number of Plants in Operation in Europe Since 1998. Proceedings of Second World Biomass Conference. Rzym 2004.
- Hammerschmid A., Stallinger A., Obernberger I., Piatkowski R.: Demonstration and Evaluation of an Innovative Small-Scale Biomass CHP Module Based on a 730 kWel Screw-Type Steam Engine. Proceedings of Second World Biomass Conference. Rzym 2004.
- Handbook Biomass Gasification. BTG biomass technology group. Enschede (Holandia) 2005.
- Rauch R., Hofbauer H., Bosch K., Siefert I., Aichernig C., Tremmel H., Voigtlander K., Koch R., Lehner R.: Steam Gasification of Biomass at CHP Plant Guessing – Status of the Demonstration Plant. Proceedings of Second World Biomass Conference. Rzym 2004.
- Teislev B.: Wood-Chips Updraft Gasifier Based Combined Heat and Power. Proceedings of Second World Biomass Conference. Rzym 2004.
- Bolhar-Nordenkampf M., Proll T., Aichernig C., Hofbauer H.: Techno Economical Assessment of Combined Heat and Power Production from Biomass. Proceedings of Second World Biomass Conference. Rzym 2004.
dr hab. inż. Bolesław Zaporowski
Instytut Elektroenergetyki
Politechnika Poznańska
