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 MWe, 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).
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.
dr inż. Rafał Kobyłecki
dr hab. inż. Zbigniew Bis
prof. Politechniki Częstochowskiej
prof. dr hab. inż. Wojciech Nowak
Katedra Inżynierii Energii
Politechnika Częstochowska
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 MWe, 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.
dr inż. Rafał Kobyłecki
dr hab. inż. Zbigniew Bis
prof. Politechniki Częstochowskiej
prof. dr hab. inż. Wojciech Nowak
Katedra Inżynierii Energii
Politechnika Częstochowska
