Biomasa jako źródło energii

Biomasę jako źródło energii wykorzystywano od początku ludzkości. Zbieranie drewna, chrustu czy słomy na opał w celu „produkcji” energii cieplnej było wykorzystywane już przed wiekami. Nowoczesne wykorzystywanie biomasy do celów energetycznych, skupia się głównie na pozyskiwaniu materiału ze specjalnie tworzonych plantacji gatunków o najlepszych parametrach energetycznych oraz korzystaniu z wszelkich odpadów przemysłu drzewnego czy rolnego

Biomasa jest najmniej kapitałochłonnym źródłem zielonej energii. Powstaje cały czas w każdym miejscu na Ziemi i jest to proces praktycznie samoistny. Lasy, łąki, oceany – to miejsca gdzie stale trwa „produkcja” biomasy. Aby wykorzystać ją do celów energetycznych trzeba przeprowadzać pewne działania mające na celu intensyfikację produkcji: nawożenie, nawadnianie czy ochrona przed szkodnikami.
Światowe zasoby biomasy ocenia się na 44*1010 EJ (2007 rok) jednak wykorzystuje się tylko 1/6 tej wartości. Obecnie udział energii pozyskiwanej z biomasy to 15 % procent światowego zużycia. Udział ten jest większy w krajach rozwijających się, gdzie wynosi 38% ogólnej produkcji energii, natomiast w Polsce, w 2000 roku udział energii z biomasy wynosił jedynie 4,25 %. Obecnie moc zainstalowana w elektrowniach na biomasę i biogaz wynosi w Polsce ponad 300 MW. Na świecie najwięcej energii elektrycznej z biomasy powstaje w Skandynawii, Austrii oraz Anglii, gdzie w ten sposób uzyskuje się około 100 TWh energii rocznie. W Polsce największa kotłowani na biomasę znajduje się w Sępólnie Krajeńskim, posiada moc 6 MW. Produkcja biomasy w wielu krajach, w tam także w Polsce, staje się ważną gałęzią rolnictwa – pozwala zagospodarować odpady, a także otwiera możliwość upraw przeznaczonych wyłącznie na cele energetyczne.

Co zalicza się do biomasy

Zgodnie z definicją zawartą w rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 19 grudnia 2005 r., biomasa to stałe lub ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, z przemysłu przetwarzającego ich produkty, a także z części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji.

Do celów energetycznych stosuję się następujące postacie biomasy

• odpady rolne – słoma zbożowa, kukurydziana, siano, odpady z roślin oleistych i strączkowych
• odpady z przemysłu drzewnego – drewno, odpady z obróbki drewna, kora, trociny, zrębki, oraz ich przetworzone formy (pellety, ekogroszek)
• plony z plantacji roślin energetycznych – wierzba wiciowa, ślazowiec pensylwański, topole, niektóre gatunki traw, topinambur, miskantus, gatunki trzciny i inne [Jas68]
• odpady organiczne – osady ściekowe, gnojowica, makulatura
• biopaliwa – oleje roślinne, bioetanol, biodiesel
• biogaz – z gnojowicy, osadów ściekowych, składowisk odpadów

Warunki wykorzystania

Podstawowym parametrem warunkującym efektywność produkcji energii z biomasy jest dostępność jej zasobów. Według danych, w UE potencjał biomasy, którą można wykorzystać do celów energetycznych, biorąc pod uwagę jedynie pozostałości po produkcji leśnej to aż 70 mln m3. Innym głównym źródłem biomasy są wspomniane plantacje roślin energetycznych. Rocznie, z metra kwadratowego plantacji energetycznych można uzyskać 15 - 45 kWh energii. Rośliny te można uprawiać na glebach słabych i zdegradowanych, a takich w Polsce jest ponad 17% z całkowitego areału gruntów ornych. Jak podaje Lewandowski w Polsce roczny potencjał biomasy możliwej do wykorzystania na cele energetycznej to około 30 mln ton (głównie jest to słoma odpadowa – 20 mln, oraz odpady drzewne i osady ściekowe). Ilość ta jest równoważna prawie 20*106 Gg węgla.

Technologie i zastosowanie

Biomasa może być wykorzystywana energetycznie na 3 zasadnicze sposoby

• spalanie bezpośrednie w kotłach (słoma, drewno, pellety, zrębki)
• współspalanie z konwencjonalnymi nośnikami energii (olej opałowy, węgiel, gaz)
• spalanie produktów powstałych z przetwarzania biomasy – fermentacji czy estryfikacji (biogaz, biodiesel, metanol, etanol)

Energetyczne zasoby biomasy można podzielić na dwie grupy

• nośniki energii w fazie stałej, nadające się do spalenia, pirolizy oraz tlenowo-parowego zgazowania do mieszaniny tlenku i dwutlenku węgla, wodoru i metanu. Gaz ten można przetwarzać w energię elektryczną i ciepło według odpowiednich technologii.
• składniki biomasy przetwarzane w paliwa płynne i biogaz, który jest mieszaniną 60% obj. metanu i 40% CO2.

Rozróżnia się następujące technologie przetwarzania biomasy

• piroliza – jest to najpowszechniejszy sposób pozyskiwania energii z biomasy (90% światowej produkcji energii z biomasy pochodzi z wykorzystania tej technologii), stosowany zarówno do pozyskania ciepła jak i energii elektrycznej. Instalacje spalania w kotłach nadają się do przetwarzania różnych rodzajów biomasy, przede wszystkim drewna, zrębek, trocin i słomy.
• gazyfikacja – jest to proces konwersji termochemicznej, różniący się od spalania tym, że produktem procesu nie jest ciepło lecz gaz, który po spaleniu dostarcza pożądanej energii cieplnej. Gaz może też być wykorzystywany w specjalnych turbinach do produkcji elektryczności. Zaletą gazyfikacji jest wysoka sprawność procesu, sięgająca 50%.
• piroliza – jest to proces prowadzony w temperaturze ponad 600C i bez dostępu powietrza, którego produktem wyjściowym jest ciekłe biopaliwo. Najlepszym surowcem do procesu pirolizy jest drewno, ale jako że ta technologia znajduje się dopiero na początku rozwoju, można przypuszczać, że każdy rodzaj biomasy nadaję się do przekształcania w procesie pirolizy,
• kogeneracja – jest to proces jednoczesnego wytwarzania energii cieplnej i elektrycznej. W układach kogeneracyjnych osiąga się mniejszą emisję zanieczyszczeń.
• procesy biochemiczne – niektóre formy biomasy, zawierające duża ilość wody, wykorzystuje się w procesie fermentacji, gdzie produktem rozkładu biomasy jest alkohol, wykorzystywanym do produkcji biopaliw. Stosuje się także procesy fermentacji metanowej, której produktem jest biogaz (mieszanina metanu i dwutlenku węgla). Do celów energetycznych w procesie fermentacji wykorzystywane są odchody zwierzęce, odpady z przetwórstwa spożywczego, odpady komunalne na składowiskach oraz osady ściekowe.

Sprawność biomasy

Wartość kaloryczna biomasy jest dwukrotnie niższa niż węgla, przyjmuje się, że 1Mg węgla kamiennego jest równy energetycznie 2Mg suchej biomasy. Wartość opałowa słomy czy drewna oscyluje w granicach 10-14 Mj/kg, a węgla kamiennego 25 Mj/kg [9]. Bezpośrednie spalanie biomasy w kotłach parowych osiąga sprawność ok 70%. Dalsze przetwarzanie na energię elektryczną w obiegu parowym posiada sprawność 20% .

Źródło:
Zawadzka A., Imbierowicz M., 2010, Rośliny energetyczne oraz technologie i urządzenia dla przetwórni biomasy, rozdział w publikacji Inwestowanie w energetykę odnawialną, PAN oddział w Łodzi, Komisja Ochrony Środowiska, Łódź
Ciok Z., 2001, Ochrona środowiska w elektroenergetyce. Podstawowe problemy współczesnej techniki, PWN, Warszawa
Lewandowski W.M., 2007, Proekologiczne odnawialne źródła energii, WNT, Warszawa
Jastrzębska G., 2009, Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne, WNT, Warszawa

Opracowanie inż. Mateusz Zduniak
www.klimatyzacja.pl, www.ogrzewnictwo.pl
Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji