energetyka pub, Biomasa
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Współspalanie biomasy w kotłach energetycznych
1)
(„Energetyka” – 7-8/2004)
Autor: Tomasz Golec,
Instytut Energetyki, Zakład Procesów Cieplnych
Opisane w artykule trudności, a przede wszystkim negatywne cechy współspalania biomasy w dużych kotłach
energetyki zawodowej, wskazują na techniczną niestosowność rozpatrywanego rozwiązania. Szkoda, że Autor
przedstawił tylko ogólnikowe stwierdzenia na temat zwyżki kosztów, a nie zamieścił wyników konkretnych
porównań zawierających z jednej strony ewentualne korzyści finansowe, a drugiej koszty związane z
dostosowaniem tych dużych kotłów i w ogóle układów cieplnych elektrowni i dużych elektrociepłowni oraz ich
eksploatacją i remontami. Można także zauważyć, że uregulowania prawne nie narzucają obowiązku spalania
biopaliw w dużych kotłach energetyki zawodowej. Wydaje się, że drogą do zwiększenia stopnia wykorzystania
odnawialnych zasobów paliw jest rozwój energetyki rozproszonej i samorządowych przedsiębiorstw
multienergetycznych. Odnieść można wrażenia, że także Autor zdaje się podzielać taki pogląd.
Redakcja
Postulowanie wykorzystania w Polsce odnawialnych zasobów paliw do produkcji energii
elektrycznej wynika zarówno z uwarunkowań międzynarodowych i prawnych, jak i z
merytorycznego uznania konieczności zrównoważonego rozwoju przez wykorzystanie źródeł
odnawialnych (m.in. oszczędność paliw kopalnych dla przyszłych pokoleń).
Zmiana struktury surowcowej produkcji energii w kierunku zastępowania paliw kopalnych
odnawialnymi nośnikami energii (przede wszystkim biomasą stałą), oprócz niezaprzeczalnych
efektów ekologicznych w skali globalnej, ma ogromne znaczenie w wymiarze społecznym,
szczególnie istotne w warunkach polskich. Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii
skutkuje bowiem tworzeniem nowych miejsc pracy przy produkcji i obsłudze urządzeń
technologicznych, przy produkcji, przygotowaniu i transporcie biopaliw, w obsłudze
przedsiębiorstw inwestujących w OZE itd.
Polska zobowiązała się w negocjacjach z Unią Europejską do osiągnięcia w roku 2010
poziomu 7,5% krajowego zużycia energii elektrycznej brutto z odnawialnych zasobów
energii. Według przedstawionej w Strategii Rozwoju Energetyki Odnawialnej przewidywanej
struktury produkcji energii elektrycznej z OZE w Polsce w 2010 roku 4% będzie pochodziło z
biomasy.
W celu wykorzystania biomasy w tak dużych ilościach konieczne jest w skali kraju
poczynienie dużych inwestycji w jej pozyskanie oraz w instalacje umożliwiające jej ener-
getyczne wykorzystanie. Najbardziej efektywnym ekonomicznie rozwiązaniem jest
opracowanie i budowa układów umożliwiających współspalanie biomasy w istniejących
kotłach energetycznych — pozwoli to na zminimalizowanie kosztów zarówno
inwestycyjnych jak i eksploatacyjnych (korzystanie z efektu skali).
Uwarunkowania
Podstawowe uregulowania prawne dotyczące energii wytwarzanej w źródłach odnawialnych
zawiera ustawa
Prawo energetyczne
2)
.
Zapisami art. 9a ustawodawca nałożył na
przedsiębiorstwa energetyczne obowiązek zakupu energii elektrycznej i ciepła, wytwarzanych
z odnawialnych źródeł energii
3)
.
W dniu 30 maja 2003 r. Minister Gospodarki wydał rozporządzenie (Dz. U. Nr 104, poz. 971)
w sprawie szczegółowego zakresu obowiązku zakupu energii elektrycznej i ciepła z
odnawialnych źródeł energii oraz energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu.
Rozporządzenie to umożliwia od 1 lipca 2004 roku rozliczanie energii wyprodukowanej w
procesie współspalania jako energii odnawialnej.
Dodatkowo zgodnie z Ustawą o podatku akcyzowym z dnia 23 stycznia 2004 (Dz.U. Nr 29
poz. 255, 256, 257) energia elektryczna wyprodukowana z odnawialnych źródeł energii jest
zwolniona z podatku akcyzowego.
Z dniem 1 stycznia 2005 r. zmieni się część ustawowych uregulowań prawnych wymieniona
wyżej w związku z kolejną nowelizacją ustawy
Prawo energetyczne4).
Nowela ustawy dostosuje prawo polskie do wymagań dyrektywy 2001/77/WE Parlamentu
Europejskiego i Rady z dnia 27 września 2001 r. w sprawie wspierania produkcji energii
elektrycznej na rynku wewnętrznym, wytwarzanej ze źródeł odnawialnych oraz częściowo do
wymagań dyrektywy 2003/54/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 26 czerwca 2003
r. dotyczącej wspólnych zasad rynku wewnętrznego energii elektrycznej i uchylającej dy-
rektywę 96/92/WE. Zmiany dotyczą m.in. zapisów w art. 9a ustawy.
Przy obliczaniu ilości energii zaliczonej do energii wytwarzanej z odnawialnych źródeł w
przypadku wspólnego, w tej samej jednostce wytwórczej, spalania biomasy lub biogazu z
innymi paliwami służącymi do wytwarzania energii elektrycznej lub ciepła wylicza się
procentowy udział energii chemicznej biomasy lub biogazu w całości energii chemicznej
zużywanego paliwa do produkcji energii elektrycznej lub ciepła, obliczanej na podstawie
rzeczywistych wartości opałowych tych paliw.
Jednocześnie, w §4 ust. 3, rozporządzenie o zakresie obowiązku zakupu wskazuje, w jaki
sposób przebiegać ma obliczanie i rozliczanie ilości energii wytwarzanej z biomasy lub
biogazu w przypadku prowadzenia współspalania. Dokonuje się tego na podstawie wskazań
urządzeń i przyrządów pomiarowych, w rozumieniu przepisów o miarach i dotyczy:
ilości
energii elektrycznej lub ciepła wytworzonych w jednostce wytwórczej, w której jest spalana
biomasa lub biogaz wspólnie z innymi paliwami (legalizowane okresowo liczniki ciepła i
energii elektrycznej) oraz
masy
spalonej w jednostce wytwórczej biomasy lub biogazu oraz
masy spalonych w jednostce wytwórczej innych rodzajów paliw (wagi legalizowane).
Kluczowe w obliczeniach i rozliczeniach ilości energii wytwarzanej z biomasy w procesie
współspalania jest prawidłowe określenie masy współspalanych paliw oraz ich wartości
opałowej. Należy podkreślić, iż obowiązek udowodnienia i udokumentowania prawidłowości
obliczania i rozliczania ilości energii wytwarzanej z biomasy ciąży na przedsiębiorstwie
prowadzącym współspalanie i sprzedającym energię elektryczną oraz ciepło objęte
obowiązkiem zakupu.
W celu wyeliminowania ewentualnych problemów w obliczaniu i rozliczaniu energii ze
źródeł odnawialnych wytwarzanej we współspalaniu, wspomniany projekt nowego
rozporządzenia nakłada na przedsiębiorstwa energetyczne obowiązek wykonywania
pomiarów, rejestracji i obliczania ilości energii wytwarzanej za pomocą instalacji wykorzy-
stujących paliwa odnawialne i konwencjonalne według standardowych procedur. Procedury te
nie zostały w omawianym projekcie sprecyzowane i bliżej opisane, zapisano jedynie
obowiązek ich standaryzacji.
Oczekuje się, że procedury zostaną opracowane i wprowadzone w życie wraz z nowelą
Prawa energetycznego
z dniem 1 stycznia 2005 r.
Problemy współspalania biomasy w kotłach energetycznych
Współspalanie uważane jest obecnie za najprostszy i najtańszy sposób zwiększenia produkcji
energii elektrycznej z paliw odnawialnych.
Zalety współspalania:
-
prawie natychmiastowe wykorzystanie biomasy w dużej skali (duże kotły),
- proces spalania jest stabilizowany przez
spalanie węgla,
- niższe emisje SO
2
, NO
x
, CO
2
(w części odnoszącej się do paliw kopalnych), elastyczność
kotła i brak zależności produkcji energii elektrycznej od dostępności biomasy (problemy
logistyczne) co jest korzystne dla operatora systemu energetycznego (np. w porównaniu z
energią wiatru).
Wady współspalania:
-
trudności z dostawą i przygotowaniem (suszenie, rozdrobnienie) wystarczającej ilości
biomasy oraz jej cena,
- ograniczenie wydajności i sprawności kotła,
- efekty uboczne współspalania związane ze składem substancji mineralnej biomasy.
Ze względu na to, że współspalanie będzie uznane jako produkcja energii elektrycznej ze
źródeł odnawialnych dopiero od 1 lipca 2004 r. brak jest wdrożeń w pełnej skali.
Wiele elektrowni i elektrociepłowni przeprowadziło natomiast krótsze lub dłuższe próby
współspalania, np.:
EC Tychy, El. Połaniec, El. Stalowa Wola, Elektrociepłownie
Warszawskie (EC Pruszków, EC Żerań), Południowy Koncern Energetyczny (El. Jaworzno II
i III, EC Katowice, El. Siersza), El. Kozienice, EC Gorzów.
Instytut Energetyki prowadził
badania współspalania (w ramach projektów UE) na kotłach OP-380 w
El. Łagisza
i w
El.
Stalowa Wola.
Podstawowe uwarunkowania techniczne współspalania na podstawie dotychczasowych
doświadczeń Ien oraz elektrowni i elektrociepłowni
Przy analizie możliwości współspalania biomasy w kotle energetycznym za krytyczne
uznano:
• własności biomasy w porównaniu z własnościami węgla,
• pozyskiwanie znacznej ilości biomasy i jej przygotowanie do współspalania,
• sposób podawania biomasy i paliwa do komory paleniskowej,
• przebieg spalania w komorze paleniskowej kotła,
• zmiana rozkładu obciążeń cieplnych powierzchni ogrzewalnych,
• zachowanie się substancji mineralnej biomasy i jej wpływ na parametry eksploatacyjne
kotła,
• wykorzystanie odpadów paleniskowych.
Własności biomasy
W tabeli 1 zestawiono własności węgla kamiennego oraz kilku rodzajów biomasy.
Własności fizykochemiczne biomasy powodują, że jest ona paliwem trudnym
technologicznie, znacznie różniącym się od węgla spalanego w kotłach energetycznych.
Podstawowe różnice między tymi paliwami, to:
• niska wartość opałowa w przeliczeniu na jednostkę objętości — konieczność
operowania kilkakrotnie większymi objętościowo ilościami biomasy w celu
dostarczenia do procesu takiej samej ilości energii jak z węgla,
• wysoka zawartość wilgoci w surowej biomasie (45 — 60%), która wpływa
negatywnie na efektywność procesu spalania,
• wysoka zawartość części lotnych (2,5-krotnie wyższa niż w węglu kamiennym),
drastycznie zmieniająca warunki zapłonu i spalania,
• zawartość popiołu w energetycznie przydatnej słomie jest podobnego rzędu jak dla
węgla kamiennego, natomiast dla roślin energetycznych mieści się w zakresie 2 —
6%, a jedynie dla odpadów drzewnych jest bardzo niska i wynosi < 1 %,
• zawartość azotu i siarki w biomasie jest niska, ale duża jest zawartość chloru,
szczególnie w przypadku słomy, co stwarza duże ryzyko występowania korozji
urządzeń,
• głównymi składnikami popiołu z węgla kamiennego są Si0
2
, AI
2
O
3
, i Fe
2
0
3
, natomiast
dla biomasy oprócz dużej ilości K
2
O i Si0
2
stwierdzono duże ilości CaO (dla malwy
CaO wynosi -81%),
• większość rodzajów biopaliw stałych wykazuje stosunkowo niskie temperatury
mięknięcia i topnienia popiołu w porównaniu z węglem, głównie z powodu dużej
zawartości związków metali alkalicznych.
•
Pozyskiwanie biomasy i przygotowanie do współspalania
Wprowadzenie współspalania w dużej skali wymaga znacznej podaży biomasy o stabilnej
jakości, w odpowiedniej cenie oraz w uzasadnionej ekonomicznie odległości od źródła ciepła.
Rozproszony charakter występowania biomasy stwarza poważne problemy w przypadku
energetyki zawodowej, którą charakteryzuje koncentracja produkcji energii w dużych
zakładach.
Niska wartość opałowa jednostki objętości biomasy (~6-krotnie niższa od węgla kamiennego)
znacznie zwiększa koszty transportu, co ogranicza możliwości wdrożeniowe. Niekorzystna
lokalizacja zakładu energetycznego w stosunku do źródeł biomasy, brak dostatecznych rezerw
magazynowo-transportowych i produkcyjnych będzie przeszkodą w stosowaniu nawet
niewielkich ilości biomasy.
Dodatkowym niekorzystnym aspektem będzie konkurencja o paliwo z aktualnym lokalnym
wykorzystaniem biomasy na cele grzewcze i w przyszłości z energetyką rozproszoną.
Główne źródła biomasy to:
• leśnictwo,
• rolnictwo:
- odpady i półprodukty z produkcji rolnej,
- uprawy energetyczne,
• przemysł — głównie drzewny, spożywczy i papierniczy.
Biomasa z przemysłu jest w większości wykorzystywana na własne cele energetyczne.
Ze względu na znaczną skalę zapotrzebowania, potencjalnym źródłem biomasy do
współspalania pozostają leśnictwo i uprawy energetyczne. Według szacunków EC BREC,
zakładając zgodnie ze strategią rządu 4% energii elektrycznej ze współspalania, odpowiada to
65 PJ energii chemicznej dostarczonej biomasy, tj. 10—12 mln m
3
drewna rocznie do
pozyskania.
Przyjmując zgodnie z deklaracjami
Lasów Państwowych
ok. 3 mln m
3
drewna z leśnictwa na
cele energetyczne, pozostałe 7 — 9 mln m
3
drewna powinno pochodzić z upraw
energetycznych, na co potrzeba ok. 300 tys. ha upraw, przede wszystkim wierzby krzewiastej.
Biorąc pod uwagę blisko 2 mln ha terenów rolniczych niewykorzystywanych gospodarczo w
wyniku wzrostu wydajności produkcji rolnej i braku zbytu na produkty rolne, jest to realne,
nawet uwzględniając różnego rodzaju uwarunkowania zewnętrzne, jak niekorzystna
lokalizacja czy wykorzystanie części odłogów i ugorów pod uprawy rzepaku lub pod
zalesienia.
Znaczące ilości biomasy wierzbowej z dużych plantacji energetycznych mogą pojawić się
najwcześniej za 5 lat (prace związane z założeniem plantacji trwają 1,5 roku, w technologii
upraw stosuje się 3-letnie cykle zbioru biomasy).
Należy przy tym rozwiązać szereg zagadnień natury organizacyjnej, jak:
- łańcuch dostaw (skup, standaryzacja i pomiar),
- przetwarzanie (zależne od technologii współspalania),
- przechowywanie, organizacja producentów, mechanizacja produkcji, wykorzystanie
istniejącej infrastruktury i doświadczenia.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]