Krystyna Kubica
ITC Politechnika Śląska
ul. Konarskiego 22
44 – 101 Gliwice
Polski Klub Ekologiczny Okręg Górnośląski
Energetyczne wykorzystanie biomasy – uwarunkowania techniczno-technologiczne
Energia stanowi jedną z najważniejszych materialnych potrzeb życiowych człowieka i odgrywa istotna
rolę w utrzymaniu równowagi gospodarczej i społecznej świata. Poziom kultury, cywilizacji, stan
gospodarki światowej oraz poszczególnych krajów uzależnione są od rozwoju i wykorzystania energii.
Wzrastająca populacja ludności świata oraz rozwój społeczno-gospodarczy powodują wzrost
zapotrzebowania na energię.
Zużycie energii przez ludność świata nie jest zrównoważone, prawie 10-krotnie większe jest zużycie
energii elektrycznej na mieszkańca w krajach rozwiniętych w porównaniu do krajów rozwijających. Prognozy
zapotrzebowania na energię pierwotną wskazują na ponad dwukrotny jego wzrost w świecie do 2020 roku i
ponad czterokrotny do 2100r, w Unii Europejskiej (EU – 25) do 2020 roku wzrost ma sięgać 10%. Jednocześnie
dostawy energii z istniejących źródeł zaopatrzenia w energię oraz dostępne zasoby energii, w postaci paliw
kopalnych, są ograniczone co skutkuje nie nadążaniem podaży energii za popytem, zwłaszcza że są one
rozmieszczone nierównomiernie a większość usytuowana jest w politycznie niespokojnych regionach świata (np.
ropa naftowa).
Strategia polityki energetycznej w skali globalnej, regionalnej i lokalnej musi uwzględniać uzyskanie
trwałego rozwoju zarówno w zakresie ekonomii, ekologii i oczekiwań społecznych, zgodnie z zasadami trwałego
zrównoważonego rozwoju. Według Światowej Rady Energetycznej, zrównoważony rozwój energetyczny winien
uwzględniać trzy aspekty tego zagadnienia:
− nieprzerwanej dyspozycyjności energii o wystarczającej jakości i ilości, dostosowanej do zmieniającej się
potrzeb klientów,
− rosnącej dostępności energii, rozumianej tak, że pokrywane są koszty dostawy i dalszego rozwoju
energetycznego,
− akceptowalności energii, tzn. jej zgodności z obawami - społecznymi, czy to rozwojowymi,
środowiskowymi czy też socjalnymi.
Jeden ze scenariuszy rozwoju energetyki światowej do roku 2050 (i dalej), opracowany przez Światową
Radę Energetyki, zakłada znaczący wzrost udziału OŹE w całkowitym zużyciu surowców energetycznych w
przypadku realizacji scenariusza przeciwdziałania efektowi cieplarnianemu, Rys.1. W skali globalnej regionalne
strategie rozwoju energetycznego są i pozostaną zróżnicowane, zależnie od lokalnych zasobów surowców oraz
uwarunkowań ekonomiczno-techniczno-społecznych. Niemniej jednak odnawialne źródła energii odgrywać
muszą coraz poważniejszą rolę w globalnym energetycznym bezpieczeństwie w najbliższych 10-leciach.
Energia w Europie: Europa jest ubogim w naturalne paliwa gazowe i ciekłe regionem, podstawowym
kopalnym zasobem energetycznym jest węgiel. Zasoby węgla kamiennego w Europie wynoszą 475 mld ton, co
stanowi 9,15% zasobów światowych. Około 88% zasobów bilansowych węgla
kamiennego (nawet 92%
zasobów przemysłowych) posiadają Niemcy (56 000 Mt) i Polska (45 739 Mt).
Brak zasobów paliw ciekłych i gazowych w EU
−15 uzależnił kraje Europy Zachodniej od importu
surowców energetycznych z krajów OPEC. Przewiduje się, że to uzależnienie wzrośnie w ciągu najbliższych
20
−30 lat do 70% (dla ropy 90%, dla gazu 70%, a dla węgla 100%). Rozszerzenie UE o kraje posiadające
zasoby węgla globalnie zwiększyło bezpieczeństwo energetyczne krajów UE
−25, jednocześnie zwiększyło
całkowity ładunek emitowanych zanieczyszczeń z sektora produkcji energii.
Mając na względzie bezpieczeństwo energetyczne, redukcję efektu cieplarnianego kraje UE
−15 jako jedne
z pierwszych podjęły intensywne działania w zakresie wykorzystania zasobów odnawialnych źródeł energii
(OŹE). W przyjętym w 1997 roku dokumencie (White Paper for a Community Strategy and Action Plan “Energy
for the future: Renewable Energy Sources of Energy” COMM(97)599 final), że w tych krajach w 2010 r. ok.
12% energii pierwotnej wytwarzane będzie ze źródeł odnawialnych. Ostatnia analiza wykazała, że z uwagi na
globalny wzrost zapotrzebowania na energię ten wzrost udziału OŹE w Krajach EU15 jest wolniejszy i wyniósł
w roku 2002 około 6%, Rys 2.
Przyjęta przez Parlament Europejski i EC zasada promowania OŹE poprzez wdrażania odpowiednich
Dyrektyw UE (2001/77/EC z 27.10.2001, 2002/91/EC z 4.1.2003, 2003/30/EC z 17.5.2003, 2003/96/EC z
31.10.2003, 2004/8/EC z 21.2.2004)
nie znajduje jeszcze odzwierciedlenia w statystyce zużycia energii
pierwotnej. Należy zauważyć, iż w 2002 roku oszacowany udział energii biomasy i odpadów w całkowitej
energii OŻE w krajach EU25 był największy i wyniósł 65%.
W świetle powyższego nowa poszerzona UE, ze zwiększonym bezpieczeństwem energetycznym (wzrost
udziału węgla), ale zwiększonym negatywnym obciążeniem środowiska musi zintensyfikować działania na rzecz
energetycznego wykorzystania OŹE, wdrażania Technologii Zerowych Emisji (ZET). Szczególne wyzwanie
staje przed Polską, w której energetyka a także ciepłownictwo i ogrzewnictwo indywidualne oparte jest na
węglu.
Energia w Polsce;
Polska należy do krajów europejskich o średniej – zasobności w kopalne surowce
energetyczne. Oszacowane zasoby w 2003 roku wynosiły ponad 30,4 Gtoe. W tej wielkości prawie 99,5%
stanowią zasoby węgla kamiennego i brunatnego. Pozostałe pierwotne nośniki energii, a więc ropa naftowa i gaz
ziemny stanowią zaledwie 0,54% ogółu krajowych zasobów surowców energetycznych. W latach 1950
−2000
następowało sukcesywne zmniejszanie się zużycia węgla i wzrost udziału paliw węglowodorowych. Pomimo
tego udział węgla w strukturze energii pierwotnej w Polsce stanowi w dalszym ciągu ponad 60% i jest
najwyższy w krajach EU.
Udział sumy energii odnawialnej i odpadowej w strukturze energii pierwotnej jest stosunkowo mały. W
2000 r. wynosił on 4,7%, a udział energii odnawialnej z instalacji geotermalnych, małych elektrowni wodnych,
siłowni wiatrowych, cieplnych kolektorów słonecznych, ogniw fotowoltaicznych, nowych technologii
energetycznego przetwarzania biomas nie przekracza 1,5%. Problem zmiany struktury źródeł energii pierwotnej
został uwzględniony w „Programie polityki energetycznej Polski” do 2020r, [6]. Wszystkie istotne aspekty
aktualnego podejścia do zrównoważonego rozwoju energetycznego kraju zostały ujęte w Polityce Energetycznej
Polski do 2025 roku. Jej celem jest:
zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego,
wzrost konkurencyjności gospodarki i jej efektywności energetycznej,
ochrona środowiska przed negatywnymi skutkami działalności energetycznej, związanej z
wytwarzaniem, przesyłaniem i dystrybucją energii i paliw.
Gospodarowanie energią, w szerokim tego słowa znaczeniu, obejmuje wszystkie poziomy decyzyjności,
nakłada obowiązki na władze lokalne. W zapisach Polityki Energetycznej Polski znalazły się tak istotne
zagadnienia jak zarządzanie bezpieczeństwem energetycznym oraz stosowane do tego celu mechanizmy i
narzędzia, określone zostały wielkości rodzaje zapasów paliwa, zwrócono uwagę na konieczność zwiększenia
efektywności energetycznej gospodarki kraju i poszanowania energii, dotrzymania wymogów ochrony
środowiska, podkreślono wagę wzrostu wykorzystania odnawialnych źródeł energii, wagę badań naukowych i
prac rozwojowych dotyczących energii oraz ich wpływ na sektor paliwowo-energetyczny i gospodarkę
narodową.
Przyjęta „Strategia rozwoju energetyki odnawialnej" przez Radę Ministrów uchwałą z dnia 5 września
2000 r i zatwierdzona przez Sejm RP uchwałą z dnia 23 sierpnia 2001 r. zakłada zwiększenie udziału energii ze
źródeł odnawialnych w bilansie paliwowo-energetycznym kraju do 7,5% w 2010 r. i do 14% w 2020 r. Ten
scenariusz wzrostu OŹE w krajowym bilansie energii pierwotnej w roku 2010 został utrzymany w Polityce
Energetycznej Polski do 2025 roku [6]; jest on zgodny z indykatywnym celem ilościowym, ustalonym dla Polski
e dyrektywie 2001/77/WE z dnia 27 września 2001 roku w sprawie promocji na rynku wewnętrznym energii
elektrycznej produkowanej z odnawialnych źródeł energii. Postawione cele są realne do osiągnięcia, wymagają
jednak podjęcia szeregu działań i umiejętnego wykorzystania doświadczeń innych krajów. Realizacja w/w
programu zmian struktury źródeł energii nie zmieni faktu, że paliwa stałe
− węgiel brunatny i węgiel kamienny
w dalszym ciągu stanowić będą w Polsce podstawowe źródło energii zarówno w energetyce zawodowej,
przemysłowej, jak i w sektorze komunalnym i mieszkaniowym.
Polska posiada określone zasoby wszystkich form OŹE. W przypadku energii wiatru należy mówić o
regionalnym, nadbałtyckim pasie ekonomicznie uzasadnionej jej dostępności; jej potencjał ocenia się na 36 PJ.
Potencjał energii Słońca szacowany jest na 1340 PJ, energii geotermalnej na około 200 PJ, hydroenergii na 43
PJ, a biomasy na 895 PJ. Biomasa należy w Polsce do OŹE o największych zasobach. Mogą one być podzielone
na dwie grupy: pierwsze to nośniki energii w fazie stałej przeznaczone do bezpośredniego spalania, takie jak
drewno (w tym drewno upraw energetycznych), słoma i wysuszone osady ściekowe; drugie to wytworzone z
biomasy płynne i gazowe paliwa, takie jak biogaz, bioetanol i gaz pirolityczny. Zasoby biomasy pochodzenia
drzewnego (drewna opałowego) oceniane są na 7,2 mln Mg, czyli równoważność około 4 mln Mg węgla
kamiennego, a zasoby słomy na około 25 mln Mg (równoważność 12,5 mln Mg węgla. Osadów ściekowych i
przemysłowych odpadów organicznych powstaje w Polsce około 2,5 mln Mg s.m. rocznie, z czego palnych i
wyselekcjonowanych odpadów organicznych na składowiskach odpadów komunalnych jest około 0,4 mln Mg
rocznie. Kolejnym surowcem energetycznym o charakterze biomasy jest biogaz z oczyszczalni ścieków. To
paliwo nadaje się do wykorzystania w układach kogeneracji małej mocy. Biogazownie komunalne
wykorzystujące osady ściekowe stanowią w Polsce 29 instalacji o mocy około 40 MW, w tym 72 GWh energii
elektrycznej. Trudno jest oszacować zasoby biogazu, możliwego do pozyskania z wysypisk odpadów. Z
wysypiska o powierzchni 15 ha i masy składowanych w ciągu roku odpadów wynoszącej 180 000 Mg, można
uzyskać rocznie 20–60 GWh (70–210 TJ) ciepła. Biogaz może być pozyskiwany w gospodarstwach rolnych.
Gdyby połowę gnojowicy i obornika przetworzyć na biogaz, to można by uzyskać energię równoważną 0,38 mln
Mg węgla. Osady ściekowe, odpady komunalne i biogaz z oczyszczalni ścieków mogą stanowić istotny składnik
w zasobach OŻE możliwych do lokalnego energetycznego wykorzystania, w układach skojarzonej produkcji
energii elektrycznej i ciepła. Należy także podkreślić intensywny rozwój w dziedzinie ogniw paliwowych, które
mogą mieć duże znaczenie w zabezpieczeniu zapotrzebowania na energię w rozproszonych źródłach małej
mocy. Warunkami trwałego wzrostu wykorzystania biomasy na rynku paliw i energii, będzie powstanie
zróżnicowanych rodzajowo lokalnych rynków biomasy (w tym również rozwijania szybkorosnących upraw
energetycznych) oraz rozwój krajowych technologii i urządzeń energetycznego wykorzystania biomasy,
wspieranymi przez długofalowe programy operacyjne.
Rozwój technologii wykorzystania OŹE oraz czystych technologii spalania węgla ma w Polsce szczególne
znaczenie dla instalacji o mocy poniżej 50 MW
th
, które decydują o „lokalnym bezpieczeństwie energetycznym i
ekologicznym”.
Zmiana struktury surowcowej produkcji energii w kierunku zastępowania paliw kopalnych odnawialnymi
nośnikami energii (przede wszystkim węgla - biomasą stałą), oprócz niezaprzeczalnie ważnych efektów
ekologicznych w skali globalnej, posiada ogromne znaczenie w wymiarze społecznym, szczególnie istotne w
warunkach polskich. Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii skutkuje tworzeniem dodatkowych miejsc
pracy przy produkcji i obsłudze urządzeń technologicznych, przy produkcji, przygotowaniu i transporcie
biopaliw, w obsłudze przedsiębiorstw inwestujących w OŹE itd.
Doświadczenia krajowej energetyki w zakresie spalania biomasy datują się dopiero od kilku lat, są więc
niewielkie. Rozwój ciepłowni opalanych słomą i drewnem koncentrował się dotychczas głównie na małych
kotłach dla indywidualnych gospodarstw lub niedużych kotłowniach komunalnych i przemysłowych. Dopiero od
niedawna obserwuje się wzmożone tempo prac nad rozwojem procesów spalania biomasy w większej skali
technologicznej. Wyjątkowo dużym zainteresowaniem cieszy się obecnie współspalanie biomasy drzewnej z
węglem w konwencjonalnych kotłach węglowych, gdyż jest najszybszą drogą do realizacji wymogów „Strategii
rozwoju energetyki odnawialnej”. Wdrożenie tej technologii w energetyce zawodowej umożliwi zastosowanie
biomasy w kotłach o znacznych mocach i wysokiej sprawności przetwarzania, bez konieczności oczekiwania na
moment ich technicznego zużycia i zastąpienia agregatami nowych generacji.
Technologiczne właściwości biomasy drzewnej
Specyficzne własności fizykochemiczne biomasy powodują, że jest ona paliwem trudnym technologicznie.
Podstawowy skład pierwiastkowy taki sam, a więc obecność tych samych głównych pierwiastków węgla,
wodoru, azotu, tlenu i siarki; różny jest jednak ich udział, Tab.1.
Tablica 1. Właściwości fizykochemiczne węgla i biomasy
Składnik
Oznaczenie
Jedn.
Biomasa
Węgiel
Węgiel
C
daf
%
44–51
75–85
Wodór
H
daf
%
5,5–7
4,8–5,5
Tlen
O
d
daf
%
41–50
8,8–10
Azot
N
d
daf
%
0,1–0,8
1,4–2,3
Siarka
S
t
d
%
0,01–0,9
0,3–1,5
Chlor
Cl
t
d
%
0,01–0,7
0,04–0,4
Części lotne
V
daf
%
65–80
35–42
Zawartość popiołu
A
d
%
1,5–8
5–10
Ciepło spalania
Q
s
a
MJ/kg
16–20
21–32
Skład popiołu
SiO
2
-
%
26,0 – 54,0
18,0 - 52,3
Al
2
O
3
-
%
1,8 – 9,5
10,7 – 33,5
CaO
-
%
6,8 – 41,7
2,9 – 25,0
Na
2
O
-
%
0,4 – 0,7
0,7 – 3,8
K
2
O
-
%
6,4 – 14,3
0,8 - 2,9
P
2
O
5
-
%
0,9 – 9,6
0,4 – 4,1
Wysoka zawartość części lotnych (2,5-krotnie wyższa niż w węglu kamiennym) drastycznie zmienia
warunki dynamiczno - termiczne procesu spalania, co uniemożliwia „czyste” spalenie biomasy w typowym kotle
węglowym. Całkowite, proste zastąpienie węgla biomasą w kotłach przystosowanych do spalania węgla jest
niemożliwe. Wysoka zawartość wilgoci w surowej biomasie (45-60% w zależności od terminu zbioru) wpływa
negatywnie na efektywność procesu spalania. Niska wartość opałowa w przeliczeniu na jednostkę objętości
skutkuje koniecznością operowania kilkakrotnie większymi objętościowo ilościami biomasy w celu dostarczenia
do procesu takiej samej ilość energii jak z węglem.
W porównaniu do węgla, biomasa charakteryzuje się dużo wyższą zawartością tlenku wapnia, alkaliów
(zwłaszcza potasu) i fosforu, zmienną i czasem wysoką zawartością chloru, które mogą prowadzić do
wzmożonej korozji oraz narastania agresywnych osadów w kotle podczas jej bezpośredniego spalania. Z kolei
wyższa zasadowość popiołu ze spalania biomasy powoduje zmniejszenie emisji SO
2
, w stopniu wyższym aniżeli
wynika to ze stechiometrii spalania; zawarte w popiele związki wapnia działają jako swoisty adsorbent tlenków
siarki, powstających w czasie spalania. Większość problemów występujących w trakcie spalania biomasy można
uniknąć stosując technologie współspalania biomasy z węglem.
Biomasa, podobnie węgiel może być energochemicznie przetwarzana w procesach pirolizy, zgazowania,
upłynniania i spalania. Do aktualnie najczęściej stosowanych w praktyce technologii energetycznego
wykorzystania biomasy należy zaliczyć:
• bezpośrednie spalanie (kawałkowej, rozdrobnionej, kompaktowanej – peletyzowanej, brykietowanej,
balotowanej, itp.)
• bezpośrednie współspalanie z węglem (tzw. co-firing), gdzie wykorzystuje się konwencjonalne kotły
• pośrednie współspalanie z węglem (wstępne zgazowanie biomasy i następcze współspalanie wytworzonego
gazu procesowego).
Energia zawarta w biomasie może być wykorzystana tylko do produkcji ciepła lub do produkcji ciepła i energii
elektrycznej (proces kogeneracji). Kogeneracja, czyli skojarzone wytwarzanie energii cieplnej i elektrycznej,
powoduje mniejsze zużycie paliwa i mniejszą emisję substancji szkodliwych niż proces oddzielnej produkcji
elektryczności i ciepła. W układach skojarzonych wskaźnik wykorzystania energii chemicznej paliwa wynosi aż
80-90%, co jest możliwe dzięki odzyskiwaniu ciepła zawartego w spalinach. Kogeneracja jest więc korzystna
zarówno ze względów termodynamicznych, jak i ekonomicznych. W roku 2003 w krajach OECD prawie 60%
energii elektrycznej wytwarzanej z biomasy produkowano właśnie w procesie kogeneracji.
Bezpośrednie spalanie biomasy ma aktualnie zastosowanie instalacjach o małej mocy poniżej 5MW
th
, w kotłach
o odpowiedniej konstrukcji, uwzględniającej jej wysoką zawartość części lotnych i niską gęstość nasypową oraz
w piecach instalowanych w indywidualnych gospodarstwach domowych. Zastosowanie bardziej
zaawansowanych technologii optymalnego energetycznie i ekonomicznie energetycznego, indywidualnego
wykorzystania biomasy wymaga, z uwagi na omówione w poprzedniej części artykułu szczególne jej
właściwości fizykochemiczne, budowy rozbudowanych instalacji przemysłowych specjalnej konstrukcji.
Współspalanie biomasy z węglem może być zasadniczo realizowane dwoma technologiami:
- bezpośredniego współspalania, które może ono być implementowane dwoma metodami. Jedna z metod polega
na spalaniu mieszanki paliwowej węgla i biomasy (mikstu paliwowego) o odpowiednim stosunku masowym,
która jest transportowana typowym układem węglowym do komory spalania, Rys.1.1 (a). W przypadku drugiej
metody biomasa do spalania jest oddzielnie przygotowywana i wprowadzana pneumatycznie lub mechanicznie
do kotła spalania bez jej wstępnego mieszania z węglem – mieszanie następuje wewnątrz komory spalania. Ten
proces spalania nazywany jest współspalaniem w układzie hybrydowym lub współspalaniem równoległym, Rys.
1.1 (b). Jest ono stosowane w kotłach opalanych węglem, produkujących parę do celów przemysłowych, jako
biomasę może też być wykorzystany biogaz. Paliwa w tym przypadku są przygotowywane i wprowadzane do
komory spalania niezależnymi ciągami transportowymi.
- pośredniego współspalania; w tej technologii biomasa poddawana jest wstępnemu spalaniu lub zgazowaniu a
zawarta w powstałym gazie energia jest wykorzystywana w instalacji kotła węglowego, uprzednio odpowiednio
przygotowanego – zmodernizowanego. Może ona też być realizowana dwoma metodami. W pierwszym
przypadku stała biomasa lub biogaz jest spalany w przedpalenisku a entalpia powstałego gazu spalinowego jest
wykorzystania w komorze spalania z zamontowanymi powierzchniami grzewczymi lub jest bezpośrednio
wykorzystana jako czynnik grzewczy w wymienniku ciepła, Rys. 1.2 (a). W drugiej metodzie zgazowanie
biomasy jest prowadzone w reaktorze zgazowania, powstały gaz reakcyjny jest wprowadzany do komory
spalania, gdzie jest spalany w palniku gazowym.
K
Biomass
Fossil fuel
(a)
Biomasa
Paliwa kopalne
(b)
K
K
Biomass (100%)
Fossil fuel
(100%)
Biomasa 100%
Paliwa kopalne
100%
K
Biomass
Fossil fuel
PP
Flue gas
K
Biomass
Fossil fuel
RG
Gas from biomass
gasification
(a)
(b)
Biomasa
Paliwa kopalne
Biomasa
Paliwa kopalne
Spaliny
Gaz ze zgazowania
biomasy
Rys.1.1. Uproszczony schemat technologicznego
układu procesu współspalania: (a) bezpośrednie
współspalanie wstępnie przygotowanej mieszanki; (b)
współspalanie w układzie hybrydowym, równoległym
(K – kocioł).
Rys.1.2 Uproszczony schemat technologicznego
układu współspalania pośredniego z przedpaleniskiem
PP (a) lub zgazowaniem RG (b).
Ze względu na stosunkowo niskie nakłady inwestycyjne, jakie należy ponieść na przystosowanie istniejących
instalacji kotłowych do współspalania, w praktyce najczęściej realizowane jest aktualnie współspalanie
bezpośrednie.
Współspalanie rozdrobnionej biomasy drzewnej z węglem posiada szereg zalet w porównaniu ze spalaniem tych
paliw oddzielnie. Węgiel stabilizuje proces spalania, co ułatwia stosowanie biomasy o zmiennej i wysokiej
zawartości wilgoci. Dodatek biomasy skutkuje mniejszym wypadem popiołu oraz zmniejszeniem emisji netto
dwutlenku węgla, dwutlenku siarki oraz zanieczyszczeń organicznych, w tym szczególnie także toksycznych
zanieczyszczeń, jak np. wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, zawierających w swym składzie
związki o działaniu rakotwórczym. Efektywna redukcja emisji zanieczyszczeń z procesu współspalania węgla i
biomasy w porównaniu do procesu spalania samego węgla jest w niektórych przypadkach wyższa, niż
wynikałoby z proporcji udziału biomasy w węglu.
Wykonane w ostatnim okresie wielozadaniowe programy badawcze, weryfikujące w testach pilotażowych w
skali przemysłowej możliwość efektywnego energetycznie i ekologicznie współspalania biomasy z węglem w
kotle rusztowym, fluidalnym i pyłowym pokazały, że współspalanie biomasy drzewnej z węglem w
konwencjonalnych układach technologicznych kotłowni węglowych, przy prawidłowo dobranych warunkach
technologicznych, może przebiegać bez zaburzeń procesu spalania oraz potwierdziły efektywność ekologiczną
tej technologii.
Warunkiem efektywnej realizacji procesu współspalania w tradycyjnych, przystosowanych do spalania węgla,
układach kotłowych jest zachowanie optymalnego dla danych warunków (parametry jakościowe stosowanej
biomasy i węgla, charakterystyka instalacji energetycznej) udziału biomasy w mieszance paliwowej, co
gwarantuje efektywny pod względem energetycznym i ekologicznym przebieg procesu spalania, bez
konieczności radykalnych zmian organizacji procesu spalania w kotle.
W przypadku kotłów rusztowych szczególnie ważne jest także odpowiednie uziarnienie dodawanej biomasy,
dostosowane do uziarnienia stosowanego węgla i charakterystyki pracy kotła. Potencjalni producenci mieszanek
paliwowych węgiel-biomasa muszą na ten problem zwrócić szczególną uwagę, gdyż skutkiem niewłaściwego
uziarnienia mieszanki paliwowej jest wyraźny wzrost emisji tlenku węgla i tlenków azotu oraz znaczące
obniżenie efektywności energetycznej procesu.
Współspalanie biomasy z węglem może być efektywnie realizowane także w kotłach małej mocy, stosowanych
w ogrzewnictwie indywidualnym i komunalnym. Technicznie możliwy średni udział biomasy w mieszankach
paliwowych może być większy niż w energetyce zawodowej, co wynika z większej łatwości przystosowania
małych, obsługiwanych „ręcznie” kotłowni do nowej technologii. Dla niedużych mocy jednostkowych łatwiejsza
i relatywnie tańsza będzie także wymiana kotłów grzewczych na jednostki umożliwiające zwiększenie udziału
biomasy w mieszance paliwowej.
Efekty ekologiczne współspalania biomasy: spalanie węgla powoduje znaczące emisje tlenków węgla (ditlenek
węgla odpowiedzialny za występowanie efektu cieplarnianego), ditlenku siarki i tlenków azotu (powodują
występowanie zjawiska kwaśnych deszczów), zanieczyszczeń organicznych, w tym wielopierścieniowych
węglowodorów aromatycznych (WWA) o charakterze muta-, terato- i kancerogennym, zaliczanych do grupy
trwałych związków organicznych (TZO) i lotnych związków organicznych (VOCs) oraz popiołu lotnego
(zawierającego metale ciężkie oraz radioaktywne pierwiastki). Dodatek biomasy do węgla powoduje
zmniejszenie emisji SO
2
oraz NO
x
paliwowych wprost proporcjonalnie do ilości dodanej biomasy. Możliwość
redukcji siarki ma szczególne znaczenie w przypadku współspalania biomasy z węglami wysoko zasiarczonymi.
Z kolei możliwość bez inwestycyjnego ograniczenia emisji NO
X
(podobnie jak w przypadku ditlenku siarki) ma
szczególne znaczenie, w aspekcie dyrektyw UE wymuszających ich redukcję. Stopień redukcji emisji CO
2
jest
również uzależniony od ilości substytuowanego pierwiastka C zawartego w paliwie bazowym – węglu przez
biomasę, zgodnie ze znaną zasadą, że ilość CO
2
pochłaniana przez biomasę w trakcie jej wzrostu jest równa
ilości CO
2
uwalnianej w trakcie spalania. Prowadzone badania wykazały, że dodatek biomasy do węgla, oprócz
ograniczenia emisji CO
2
, powoduje efekt synergizmu w odniesieniu do emisji CO, zanieczyszczeń organicznych
(TOC), w tym WWA oraz lotnych związków organicznych (VOCs). Efekty te zaobserwowano nie tylko w
przypadku rusztowych palenisk węglowych małej mocy, ale także w przemysłowych kotłach rusztowych i
fluidalnych i pyłowych. Rysunki 2 i 3 przedstawiają dane uzyskane w pilotażowych testach współspalania
wierzby energetycznej z węglem w kotle rusztowym WR-10 oraz w kotle pyłowym.
Współspalanie biomasy z węglem daje, oprócz ograniczenia emisji CO
2
wynikającej z addytywnej ilości dodanej
biomasy, powoduje efekt synergizmu w odniesieniu do emisji CO, zanieczyszczeń organicznych (TOC), w tym
WWA oraz lotnych związków organicznych (VOCs). Ponadto przy spalaniu mieszanek paliwowych obserwuje
się zmniejszenie SO
2
i NO
x
w spalinach oraz zmniejszoną ilość części palnych w popiele (żużlu). Efekty te
zaobserwowano nie tylko w przypadku rusztowych palenisk węglowych małej mocy, ale także w
przemysłowych kotłach rusztowych i fluidalnych.
Należy jednak zauważyć, że istnieją ograniczenia w stosowaniu technologii bezpośredniego współspalania
biomasy w węglach w aktualnie istniejących i zaprojektowanych do spalania węgla instalacjach energetyki
zawodowej. Przekroczenie określonego poziomu udziału biomasy w mieszance paliwowej, uzależnionego od
technologii spalania powoduje spadek sprawności energetycznej kotła, Rysunek 4. Pilotażowe badania
wykazują, ze w przypadku kotłów rusztowych ten udział nie powinien być wyższy niż 10% m/m, dla kotłów
pyłowych poniżej 5% m/m, a w kotłach fluidalnych może sięgać ponad 20% m/m. Przekroczenie tego udziału
wymaga modyfikacji procesu spalania w danym urządzeniu, co zdecydowanie zwiększa koszty inwestycyjne.
Należy jednak zauważyć, że każdorazowo przed decyzją o ciągłym, komercyjnym spalaniu mieszanki biomasa-
węgiel w konkretnej instalacji energetycznej, niezbędna jest optymalizacja pracy kotła powiązana z
kompleksową analizą energetyczno-emisyjną. Kolejnym zagrożeniem dla instalacji, zaprojektowanych i
pracujących na paliwie węglowym, jest korozja wynikająca ze wspomnianej powyżej wyższej zawartości
alkaliów (Na, K) i chloru w biomasie. Dlatego technologia pośredniego współspalania biomasy z węgla i
nowoczesne technologie spalania biomasy, jako indywidualnego paliwa, wydają się być przyszłościowymi
technologiami energetycznego jej wykorzystania, wymagają one jednak odpowiednio dużych nakładów
inwestycyjnych na nowe rozwiązania inżynieryjno-technologiczne instalacji przemysłowych.
Zalety stosowania bezpośredniego współspalania biomasy z węglem to najmniejsze koszty inwestycyjne;
efektywne wdrożenie OZE, zielonej energii, przy stosunkowo niskich nakładach inwestycyjnych na węzeł
zabezpieczenia jednorodności mieszanki paliwowej węgiel-biomasa. Zastosowanie biomasy jest także metodą na
zwiększenie atrakcyjności producenta energii i uzyskania przewagi konkurencyjnej na rynku oraz pozwala
efektywnie kreować politykę rozwoju lokalnego, regionalnego, wykorzystując łatwiejszy dostęp do
proekologicznych funduszy wspierających procesy inwestycyjne. Współspalanie biomasy z węglem jest również
kreatorem węgla jako podstawowego paliwa w uwarunkowaniach naszego kraju, ale równocześnie sposobem na
zmniejszenie jego negatywnego oddziaływania na środowisko.
Rys. 2 Względna ekologiczna efektywność współspalania węgla i biomasy (zrębków wierzby) w porównaniu do spalania węgla w kotle
rusztowym WR10. [Kubica K., Drożdż W., Czekalski B., studium aktualnego stanu techniki, technologii i oddziaływania na środowisko
wykorzystania węgla i biomasy w energetyce scentralizowanej i w instalacjach spalania małej mocy, Raport AGH do 4T1202329, listopad
2006]
91,7
22,7
46,3
37,7
68,9
101,0
138,3
91,5
44,0
36,9
18,4
84,9
98,7
91,1
22,0
36,0
37,5
43,4
113,9
116,5
32,8
0
20
40
60
80
100
120
140
Spraw ność
CO
SO2 /10
NOx/10
Zanieczyszcz
org
16 WWA*10-4
B(a)P *10-3
S
p
ra
w
n
o
ś
ć
,
[%
}
E
m
is
ja
[
m
g
/m
3
n
]
w
p
rz
e
li
c
z
e
n
iu
n
a
6
%
O
2
węgiel
3,33 % m/m biomasy
5 % m/m biomasy
Rys.3 Efektywność energetyczna i emisyjna współspalania węgla i biomasy w kotle OP -130 w porównaniu do samego węgla [Kubica K.,
Drożdż W., Czekalski B., studium aktualnego stanu techniki, technologii i oddziaływania na środowisko wykorzystania węgla i biomasy w
energetyce scentralizowanej i w instalacjach spalania małej mocy, Raport AGH do 4T1202329, listopad 2006]
100
100
100
100
100
100
100
92,5
46,3
76,5
91,9
82,6
82,4
52,8
88,5
99,8
77,8
67,6
59,7
81,1
36,6
0
20
40
60
80
100
120
Zużycie paliwa
CO
SO2
NO2
Zan.org.
16 WWA
B(a)P
[
%
]
węgiel
25% biomasy
35% biomasy
Rys.4 . Wykres sprawności kotła OR – 32 nr 3 w zależności od udziału pelet w mieszance z węglem [Kubica K., Drożdż W., Czekalski B.,
studium aktualnego stanu techniki, technologii i oddziaływania na środowisko wykorzystania węgla i biomasy w energetyce
scentralizowanej i w instalacjach spalania małej mocy, Raport AGH do 4T1202329, listopad 2006}
Oprócz omówionych efektów ekologicznych w postaci zmniejszenia emisji substancji szkodliwych dla
środowiska, w tym SO
2
, NO
x
i zanieczyszczeń organicznych, a także redukcji emisji CO
2
, odpowiedzialnego za
efekt cieplarniany, nie do pominięcia są również inne, rzadziej wspominane w literaturze przedmiotu efekty
ekologiczne, mające jednak niebagatelne znaczenie dla środowiska. Efekty te polegają na możliwości
ograniczania postępującej degradacji środowiska w wyniku wydobywania paliw kopalnych i deponowania w
środowisku odpadów z przemysłu wydobywczego oraz ograniczeniu procesów erozji gleby, regulacji gospodarki
wodnej i asymilacji zanieczyszczeń powietrza w wyniku prowadzenia upraw energetycznych biomasy. Ponadto
energetyczne zagospodarowanie biomasy ogranicza ilość gazów cieplarnianych (np. metanu, CO
2
), które
mogłyby być uwolnione w procesach niezorganizowanej biodegradacji nie zużytkowanej biomasy.
Uwarunkowania efektywnego wdrożenia biomasy jako paliwa w energetyce; Możliwości szybkiego
wdrożenia technologii współspalania w kotłowniach dużych, wyposażonych w zmechanizowane układy odbioru
i magazynowania paliwa oraz nawęglania kotła, uwarunkowane są, w pierwszym rzędzie, stopniem
wykorzystania zainstalowanej mocy, który przekłada się na stopień wykorzystania posiadanych możliwości
magazynowania oraz wydajności transportowania paliw w układach technologicznych. Rezerwy mocy kotłów
pozwolą w tym przypadku na utrzymanie aktualnego poziomu produkcji energii z wykorzystaniem paliwa o
mniejszej wartości opałowej (mieszanki węgla i biomasy), a potencjał magazynowo-transportowy,
przygotowany dla większych mocy, pozwoli na pracę z większymi objętościowo ilościami paliw, bez
dodatkowych znaczących nakładów inwestycyjnych. Toteż jako najatrakcyjniejszy obszar wdrażania tej
technologii postrzegana jest energetyka zawodowa, która dysponuje potężnym potencjałem produkcyjnym, przy
czym wykorzystuje tylko ok. 2/3 jego mocy.
Podstawowym warunkiem powodzenia przedsięwzięć wdrożeniowych jest dostatecznie duża podaż biomasy o
stabilnej jakości, w odpowiedniej cenie oraz w uzasadnionej ekonomicznie odległości od źródła ciepła.
Rozproszony charakter występowania (niski stopień koncentracji podaży) biomasy, stwarza poważne problemy
w przypadku energetyki zawodowej, którą charakteryzuje koncentracja produkcji energii w dużych zakładach.
Niska wartość opałowa jednostki objętości biomasy (6 do 7-krotnie niższa od węgla kamiennego) znacznie
zwiększa koszty transportu, przede wszystkim odpadów z produkcji leśnej, które stanowią surowiec rozproszony
na szczególnie dużej powierzchni i możliwy do wykorzystania tylko w przypadku korzystnej lokalizacji zakładu
energetycznego. Spełnienie tego warunku jest zdecydowanie łatwiejsze w warunkach energetyki rozproszonej.
Niewielkie moce zainstalowane w poszczególnych kotłowniach, ułatwiają wykorzystanie lokalne surowca
odpadowego z gospodarki leśnej, zieleni miejskiej itp.
Rozproszony charakter występowania biomasy jest cechą bardzo korzystną z perspektywy krajowych
uwarunkowań społeczno-gospodarczych. Lokalna podaż surowca energetycznego powoduje, że środki
finansowe, które trzeba wydać na zakup paliw, pozostają w regionie (powiecie, gminie), przyczyniając się do
aktywizacji ekonomicznej lokalnych społeczności.
Rozproszona podaż oraz niska wartość opałowa biomasy powodują jednak, że uwarunkowania techniczno -
ekonomiczne wdrożeń nie zawsze sprzyjają ich realizacji. Biomasa wymaga kilkakrotnie większych
powierzchni składowych, objętości magazynowych oraz wydajności ciągów transportowych. Niekorzystna
lokalizacja zakładu energetycznego w stosunku do źródeł biomasy, brak dostatecznych rezerw magazynowo-
transportowych i produkcyjnych mogą być przeszkodą w stosowaniu nawet niewielkich ilości biomasy. Podobne
problemy wystąpią także w „małej energetyce”, w rejonach o wysokim zagęszczeniu mieszkańców (duże
aglomeracje miejskie). Dlatego wydaje się, że biomasa jest nośnikiem energii odnawialnej przede wszystkim dla
lokalnych zakładów energetycznych.
Problemy jakościowe; Zastosowanie w energetyce biomasy w postaci zrębków drzewnych stwarza dodatkowe
problemy związane z zabezpieczeniem odpowiedniej jakości tego paliwa. Zrębki z odpadów drewna są
surowcem o zróżnicowanej jakości, zawierającym duże ilości zanieczyszczeń w postaci kory, igliwia i listowia
oraz zanieczyszczeń mineralnych, chemicznych i roślinnych (grzybów i pleśni), nierównomiernie rozłożonych w
całej masie drewna. Magazynowanie takich zrębków na wolnym powietrzu, w stosach o dużej objętości, w
grubej warstwie, jest bardzo niekorzystne, gdyż są one szczególnie narażone na długotrwałe wpływy
atmosferyczne i złożone procesy chemiczno-biologiczne zachodzące wewnątrz stosu. Stosowanie zrębków
drzewnych jako paliwa, wymaga określenia i utrzymania niezbędnych rygorów jakościowych. Odbiorca
biomasy, czy będzie to „wielka energetyka”, czy indywidualny użytkownik małego kotła, musi być pewien, że
kupuje paliwo o określonej jakości, która determinuje jego przydatność, a tym samym cenę.
Podsumowanie
Reasumując, optymalne energetycznie, ekologicznie i ekonomicznie wykorzystanie biomasy warunkowane jest
zarówno zastosowaną technologią i techniką przetwarzania biomasy, jej podażem, jak i jakością i stabilizacją
jakości biomasy.
Należy zauważyć, że działania na rzecz wdrażania technologii spalania lub współspalania biomasy stanowią
również bodziec rozwoju nowoczesnych technologii. Wynikający z rozwoju tych technologii postęp w wielu
sektorach gospodarki wywołuje w efekcie rozwój lokalnych rynków pracy i poprawę warunków ekonomicznych
życia ludności. Z punktu widzenia właściwości paliwa istotne jest utrzymanie stałości właściwości
fizykochemicznych,
uziarnienia
i
unikania
dodatkowych
zanieczyszczeń.
W
związku
z powyższym, bardzo ważnym zagadnieniem dla producentów energii jest wspomożenie lokalnych plantatorów
w tworzeniu stowarzyszeń producentów biomasy, posiadających możliwości jej sezonowania i umożliwiających
zabezpieczenie logistyki dostaw. Zagadnienia logistyki dostaw i certyfikacji jakości wydają się być jednym z
istotnych elementów decydujących o powodzeniu stosowania biomasy w elektroenergetyce. Niezależnie od tych
działań biomasa, ale także produkty uboczne – odpady o charakterze organicznym (nie niebezpieczne) winny
stać się znaczącym składnikiem bilansu surowców energetycznych w warunkach lokalnych, w energetyce
cieplnej – indywidualnej, komunalnej, zawodowej i elektroenergetyce.
Wielopłaszczyznowość zagadnienia energetycznego wykorzystania biomasy jest powodem trudności w
kompleksowym rozwijaniu i wdrażaniu opracowanych technologii. Z jednej strony udokumentowany szeregiem
prac badawczych, pozytywny wpływ stosowania biomasy jako źródła energii na stan środowiska naturalnego
zachęca do wprowadzania nowych rozwiązań, z drugiej strony konieczność zmiany mentalności, dostrzeżenia
wymiernych efektów ekonomicznych i socjologicznych stanowi barierę dalszego postępu w tej dziedzinie.
Osiągnięcie celu, jakim jest zwiększenie udziału energii ze źródeł odnawialnych w bilansie energii pierwotnej w
Polsce, wymaga więc nie tylko pokonania problemów natury technicznej, lecz również odpowiednich działań
organizacyjnych w zakresie propagowania nowych rozwiązań technicznych oraz systemowego, zintegrowanego
powiązania producentów biomasy i energii, z uwzględnieniem uregulowań prawnych i finansowych.
Zastosowanie biomasy jako odnawialnego źródła energii ciągle wymaga wielu działań zachęcających do jej
szerokiego wdrożenia. Istotne jest przeprowadzenie zharmonizowanych przedsięwzięć organizacyjno -
prawnych, które w znacznym stopniu mogą wpłynąć na zintensyfikowanie rozwoju energetyki odnawialnej
opartej o biomasę, jako nośnika energii. Należy podkreślić, że jest to proces o charakterze innowacyjnym i to nie
tylko ze względów techniczno-technologicznych stymulujących rozwój nowych technologii w energetyce
odnawialnej. Innowacyjność wynika również z konieczności systemowego powiązania producentów biomasy
oraz energii z systemem jej zakupu posiadającym niezbędne preferencje.