Światowy potencjał odnawialnych źródeł energii przewyższa wielokrotnie aktualne zużycie pierwotnych nośników energii, wynoszące 13,5 mld ton paliwa umownego rocznie. Ludzkość dysponuje już wariantowymi, sprawdzonymi technikami i technologiami, pozwalającymi na pełne pokrycie potrzeb na przetworzone formy energii tj. ciepło, energię elektryczną oraz silnikowe paliwa płynne i gazowe.

Mimo to odnawialne nośniki energii pokrywają dziś zaledwie 18% światowego zapotrzebowania na media energetyczne, energia wiatru, słońca oraz geotermalna wciąż jeszcze odgrywa marginalną rolę w światowym bilansie energetycznym. Ta sytuacja wynika z faktu, że węgiel, ropa i gaz ziemny są wciąż jeszcze tańsze od powyższych i w dodatku łatwo dostępne.
Natomiast z wytwarzanej przez przyrodę 150 mld ton/rok biomasy, przemysł światowy przetwarza zaledwie 5 mld ton/rok na artykuły spożywcze. Jej energetyczne wykorzystanie jest wciąż jeszcze dalekie od możliwości techniczno-technologicznych światowej gospodarki.

Masowy przyrost roślin przebiega wg następującego procesu: Przy udziale zielonej substancji w liściach, zwanej chlorofilem, rośliny wykorzystują energię słoneczną w ramach procesu, zwanego fotosyntezą, do budowy bogatych w energię węglowodanów z dwutlenku węgla – będącego w otaczającej je atmosferze – oraz z wody – czerpanej korzeniami z ziemi – wraz z potasem, fosforem, wapniem i innymi pierwiastkami.
Według określeń Unii Europejskiej biomasa obejmuje substancje organiczne pochodzenia roślinnego, jak i zwierzęcego oraz pochodne z ich transformacji. W ramach tak sformułowanej definicji do biomasy należy zaliczyć między innymi: drewno, słomę, makulaturę, komunalne odpady i osady ściekowe, odpady rolniczo-hodowlane, biogaz z beztlenowej fermentacji odpadów organicznych itp.
Energetyczne zasoby biomasy obejmują dwie grupy:
- Nośniki energii w fazie stałej, nadające się do spalania, pirolizy oraz tlenowo-parowego zgazowania do mieszaniny tlenku i dwutlenku węgla, wodoru i metanu. Gaz ten można przetwarzać w energię elektryczną i ciepło wg wariantowych technologii, ale również do metanolu, czy paliw silnikowych wg technologii Fischera-Tropscha, co realizuje się już w skali przemysłowej.
- Przetwarzanie określonych składników biomasy w paliwa płynne i biogaz, będący przede wszystkim mieszaniną średnio 60% obj. metanu oraz 40% dwutlenku węgla. Amerykanie wytwarzają już metanol z biogazu obok wysypiska odpadów komunalnych.
Z ziemniaków (uprawa w Polsce obejmuje około 50 000 ha) i zboża (zbiory w kraju wynoszą około 3 mln ton/rok) wytwarza się również etanol, a z oleju rzepakowego (1 mln t/rok) i jemu podobnych w reakcji z metanolem produkuje się na coraz większą skalę biodiesel (firma AT-Agrotechnik buduje w „Rafinerii Trzebinia” wytwórnię o mocy 100 000 ton/rok) – znacznie przewyższający liczbą cetanową i smarownością olej napędowy z ropy naftowej.
Obornik, gnojowicę, odpady rolnicze i komunalne oraz osady pościekowe przetwarza się w świecie na ogromną skalę do biogazu. Ten bywa na miejscu via silniki spalinowe przetwarzany do ciepła i energii elektrycznej, a w USA nawet do metanolu (o czym już wspomniano), który dodaje się do benzyn. Samym metanolem napędza się już silniki Otta w autach w USA.
W podsumowaniu powyższego widać jednoznacznie, że biomasę można przetwarzać na drodze trzech grup procesowych: fizycznych, termiczno-chemicznych oraz biologicznych, co syntetycznie ujęto rys. 1.
Poniżej prezentuje się wybrane procesy, realizowane już w światowej gospodarce na skalę wielkoprzemysłową, mające wykazać, że technicznie oraz technologicznie można nie tylko węgiel, ale również ropę i gaz ziemny w całości zastąpić stojącą rokrocznie do dyspozycji ogromną ilością biomasy, a w odwodzie jest jeszcze energia wiatru, słońca i geotermalna. Nie powinno się w tym miejscu pominąć energii pływu (odpływów oraz dopływów) akwenów wodnych, uzyskiwanej z działania siły grawitacji księżyca i planet.
Wśród odnawialnych źródeł energii jedynie woda rzek jest coraz efektywniej zagospodarowywana przez ludzkość.
W niniejszej publikacji problematyka wykorzystania biomasy zostaje ograniczona do jej przemiany wg różnych technologii w ciepło i energię elektryczną, co syntetycznie ilustruje rys. 2.
*
W kraju uzyskuje się rocznie prawie 20 mln m sześc. drewna przemysłowego, z czego 4,5 mln m sześc. to od razu drewno opałowe (łącznie z pochodzącym z plantacji wierzby krzewiastej itp.). Przy wytwarzaniu tarcicy oraz dalszego jej przetwórstwa – na meble, okna, palety, itp. – uzyskuje się prawie 4/5 drewna odpadowego. W ostatecznym bilansie Polska dysponuje obecnie 16 mln m sześc. drewna energetycznego rocznie.
Trzeba jednak podkreślić, że możliwości pozyskiwania drewna z polskich lasów wynoszą aż 40 mln m sześc. rocznie. Przyrosty roczne w lasach wynoszą 4 m sześc. drewna z 1 ha, co dla powierzchni 5 mln ha stanowi 40 mln całkowitej masy drewna rocznie.
Kotły opalane drewnem wytwarzają w kraju między innymi: firma FUWI w Elblągu, przedsiębiorstwo KUBACKI w Hajnówce, czy firma WUSP-MET w Pleszewie.
Z większych kotłowni na uwagę zasługują te w Kliniskach koło Szczecina o mocy 0,8 MWterm., Rychlikach koło Elbląga o mocy 3 MWterm., czy w Wejcherowie o mocy 2 MWterm..
Na specjalne podkreślenie zasługuje przetwarzanie drewna odpadowego, kory, odpadów makulatury oraz osadów ścieków ligninowych (ługów warzelnych) w zakładach celulozowo-papierniczych w Ostrołęce, Kwidzynie, Świeciu i innych - do ciepła oraz energii elektrycznej - via turbiny parowe - w blokach o mocy około 15 MWel. w każdym z wymienionych zakładów. Są to typowe w świecie elektrociepłownie na drewno z turbinami przeciwprężnymi i upustowo-kondensacyjnymi wg rys.3.

Obecnie stosowane technologie spalania uwzględniają równoczesne wykorzystanie różnorakich, odnawialnych nośników energii. Elektrociepłownie, bazujące na nich, są bowiem tylko wówczas opłacalne, gdy wyeliminuje się przerwy w dostawie paliwa. Te uwarunkowania uwzględnia technologia firmy BABCOCK BORSIG POWER z Oberhausen, RFN. Konstrukcja pieca została tam tak dobrana, że możliwe jest spalanie różnych odpadów z odnawialnych nośników energii, jak i drewna ze specjalistycznych plantacji (np. wierzby krzewiastej). Można je nawet mieszać z odpadami z hodowli zwierząt (np. z ferm kurzych) i przemysłu spożywczego. Firma ta oferuje elektrociepłownie o globalnej mocy do 20 MW.
Istotą technologii BABCOCK BORSIG POWER jest spalanie biomasy w stacjonarnej fazie fluidalnej. Tylko w takim systemie procesowym można efektywnie i równocześnie spalać szeroką paletę nośników energii, co zapewnia wysoka turbulencja przetwarzanych materiałów. Energię elektryczną uzyskuje się poprzez konwencjonalne turbiny parowe sprzężone z elektrogeneratorami. Upust pary z turbiny gwarantuje dowolną temperaturę wody w kolektorach miejskiej sieci grzewczej. Filtry tkaninowe przechwytują popioły lotne, które są cennym nawozem uprawianej biomasy. Temperatura 850-900 st. C w piecu fluidalnym minimalizuje emisję tlenków azotu, a siarkę spalanych materiałów wiąże się dodawanym do strefy paleniskowej pyłem węglanu wapnia z kamieniołomów.
Podstawowe parametry elektrociepłowni, tj. ciśnienie i temperatura pary przed turbiną są tak dobrane, aby koszty ciepła kształtowały się w granicach 26-28 zł/GJ, a energii elektrycznej 20-24 gr/kWh. Stopień sprawności elektrociepłowni przewyższa 30%.
Firma BABCOCK BORSIG POWER wybudowała od 1980 roku ponad 50 zakładów tego typu zasilanych biomasą, z których referencyjne ujmuje tab.1.






Tabela 1. Wykaz referencyjnych elektrociepłowni z fluidalnymi kotłami na biomasę



Aby elektrociepłowni, przetwarzającej biomasę zapewnić opłacalność, niezbędne są instalacje referencyjne gwarantujące przede wszystkim wysoki poziom niezawodności ruchu oraz wskaźnik sprawności powyżej 30%. Jest oczywiste, że inwestor winien wizytować instalacje referencyjne u różnych dostawców licencji.
Obok firmy BABCOCK BORSIG POWER, na uwagę zasługują elektrociepłownie opalane biomasą wg know-how koncernu SIEMENS AG.
W holenderskiej miejscowości Cuijk od 1999 roku znajduje się w eksploatacji największa w Europie elektrociepłownia opalana biomasą o mocy 25 MW. Spala się w niej różnorakie drewno w postaci rozdrobnionej: odpadowe, pochodzące z przecinki lasów oraz ze specjalnych plantacji energetycznych na gruntach o niskiej wartości rolniczej (wierzbę krzewiastą).
Elektrociepłownię tą zbudowano w ciągu 21 miesięcy kosztem 40 mln euro. Tu również stosuje się spalanie w stacjonarnej fazie fluidalnej, w kotłach fińskiej firmy KVAERNER PULPING OY. W sumie spala się w tym zakładzie 150.000 ton drewna rocznie różnorakiego pochodzenia. Elektrociepłownia dysponuje dwoma pojemnikami na rozdrobnione paliwo, każdy o pojemności 9000 m sześc., które stanowią trzydniowy zapas. Instalacja pracuje 7500 godz./rok, osiąga sprawność powyżej 30% i jest wysoce rentowna. Jako referencyjna, stała się bazą ostatnio zawartego kontraktu z włoską firmą IDRO COMPANY S.r.L. na budowę identycznej elektrociepłowni w Cisterna di Latina w pobliżu Rzymu, o mocy 10 MW z przerobem 90.000 ton/rok różnorakich gatunków drewna odpadowego oraz z plantacji.
Spalanie słomy
Produkcja słomy w kraju wynosi 25 mln ton/rok. Jej wartość opałowa odpowiada 13 mln ton/rok węgla, a jej własności fizykochemiczne - w porównaniu z innymi nośnikami - energii ujęto tabelą 2.
Tabela 2 Własności fizykochemiczne wybranych nośników energii


Jak widać z tej tabeli, słoma zawiera relatywnie wiele chloru w porównaniu z innymi nośnikami energii, który może powodować korozję urządzeń kotłowych, jeśli nie dobierze się do ich budowy odpowiednich materiałów.
Już w 1996 roku we wsi Szropy koło Malborka uruchomiono dwa duńskie kotły DANSTOKER, każdy o mocy 0,5 MW dla ogrzewania 450 gospodarstw domowych. Zastosowano tu baloty słomy o wymiarach 2x1,2x0,85 metra, które podaje się automatycznie w sposób ciągły. Na uwagę zasługuje informacja o tym, że w sezonie grzewczym 1996/97 roku za słomę zapłacono 57.000 zł, a koszt węgla wyniósłby 169.000 zł. Ogrzewanie zmodernizowanej kotłowni okazało się trzy razy tańsze w stosunku do starej. Koszt wytwarzanego tam ciepła ze słomy wyniósł 7 zł/GJ, natomiast z miału węglowego wyniósłby 14 zł/GJ, a z węgla kamiennego o granulacji orzecha sięgałby aż 28 zł/GJ.
Podobne ciepłownie uruchomiono w 1997 roku w Grabowcu koło Zamościa (1 MW), w Czerninie koło Malborka (3 MW) i Lubaniu (8 MW).
Klasyczną ciepłownię opalaną słomą, która ogrzewa miejscowość Schkölen w Turyngii, RFN, z 600 gospodarstwami domowymi, ośmioma budynkami użyteczności publicznej oraz 47 zakładami przemysłowymi zaprezentowano na rys. 4.
Wg polskiej technologii zbudowano kotłownię opalaną słomą we wsi Wieniec koło Gdańska (0,6 MW).
Dziś kotłownie na słomę wytwarza między innymi firma GRASO w Starogardzie Gdańskim. Jej ciepłownie pracują między innymi w Bączku koło Starogardu Gdańskiego (0,6 MW), w Kamienniku koło Elbląga (0,3 MW) i w Trutnowach koło Tczewa (0,3 MW).
Wśród innych krajowych producentów ciepłowni opalanych słomą należy wymienić: firmę ENERGOMONTAŻ w Gdańsku i firmę METALERG w Oławie. Tego typu kotłowni pracuje w kraju już prawie 200 na łączną moc nieco ponad 70 MW.

Zgazowanie biomasy
Relatywnie najwyższą z możliwych sprawności osiągają te elektrociepłownie, które bazują na zgazowaniu biomasy, co ma duże znaczenie gospodarcze, zważywszy na fakt, że biomasa stanowi największe, poza energią wód źródło energii odnawialnej.
Zgazowanie biomasy nie tylko umożliwia osiąganie wysokich sprawności energetycznych, ale również pełne spełnienie norm ochrony środowiska.
Terminem „zgazowania” substancji, zawierającej atomy węgla w swoim składzie, nazywa się cykl przemian z udziałem tlenu, dwutlenku węgla oraz pary wodnej, prowadzący do wytworzenia gazu syntezowego, składającego się głównie z tlenku węgla oraz wodoru i metanu. Obejmuje on następujące trzy etapy:
- Suszenie: w przeciwieństwie do węgla, drewno zawiera relatywnie sporo wilgoci, bo aż 50%. Wyzwolona para wodna reaguje potem w fazie zgazowania z węglem, przetwarzając go do tlenku węgla i wodoru.
- piroliza: w temperaturach 250-750 st. C przebiega termiczny kraking (piroliza) biomasy do;
- gazu zawierającego CO, H2, CH4 i CO2 z parą wodną oraz oparami aromatów (benzen, toluen, ksyleny itp.);
- smółek i olejów;
- węgla drzewnego i składników mineralnych.
- Zgazowanie: w tej fazie, wymagającej temperatury powyżej 750 st. C, przebiega szereg reakcji endotermicznych przy niedomiarze tlenu oraz częściowo z udziałem pary wodnej, a nawet z CO2, które ciekłe i stałe surowce pirolizy przemieniają głównie do tlenku węgla i wodoru, a częściowo nawet do metanu.
Jeżeli zgazowanie prowadzi się z udziałem powietrza, to typowy gaz syntezowy zawiera:15-22% CO, 12-19% H2, 2-5% CH4, 8-12% CO2, a resztę stanowi azot. Azot można oczywiście wyeliminować poprzez zastosowanie prawie czystego tlenu i pary wodnej, a wówczas komponenty palne gazu syntezowego obejmą: 45-33% CO, 38-41% H2, 4-8% CH4,10-14% CO2 i 3-4% N2. Zgazowanie prowadzić można w złożu fluidalnym oraz stacjonarnym. Skład gazu syntezowego zależy od temperatury, ciśnienia, składu surowca, czasu przebywania reagentów w gazyfikatorze i od granulacji surowca.
Wzrost temperatury procesu zgazowania przesuwa skład równowagowy w kierunku zwiększonego udziału CO, H2 i CH4. Dlatego należy dążyć do maksymalizacji temperatury w gazyfikatorze. Jest to korzystne również dla minimalizacji zawartości dioksyn w gazie syntezowym.
Zwiększenie ciśnienia omawianego procesu podwyższa zawartość metanu, co sprzyja wzrostowi wartości opałowej produkowanego gazu syntezowego.
Pozostałością po procesie zgazowania są przede wszystkim mineralne składniki surowca, będące nawozami dla uprawy biomasy.
Sprawność procesu określa się stosunkiem energii chemicznej wytworzonego gazu syntezowego do energii chemicznej surowca. W praktyce sprawność ta osiąga wartość w granicach 30-90% w zależności od stosowanej technologii, stopnia czystości tlenu, zawilgocenia surowca oraz wielkości instalacji.
Udaną i efektywną produkcję zgazowarek biomasy przeprowadza Zdzisław Żuromski w zakładzie Mechanicznym „ZAMER” w Kraszewie na bazie licencji Marka Dudyńskiego. Tą o mocy 2,5 MW ze złożem stacjonarnym, zilustrowano na rys. 5. Generator zgazowania drewna (z możliwością dodawania doń słomy, odpadów komunalnych i węgla) jest w górnej części okrągły, a w dolnej stożkowaty. W górnej płycie znajduje się śluza dla wprowadzenia stałych nośników energii (ich optymalne zawilgocenie wynosi 12%), a zespół dysz z kolektora powietrza znajduje się w dolnej części stożka, w pobliżu odprowadzenia popiołu transporterem ślimakowym do pojemnika. Zgazowując wierzbę w temperaturze około 1050 st. C uzyskuje się gaz syntezowy o składzie 17-25% CO, 4-8% H2, 2-4% CH4,18-21% CO2 (resztę stanowi azot). Firma wytwarza również zgazowarki pracujące w systemie fluidalnym z bocznym zasilaniem zrębkami drewna.
Proces zgazowania sterowany jest automatycznie systemem przekaźników z jednoczesną sygnalizacją optyczno-akustyczną ewentualnych zaburzeń. Łączna moc zainstalowanych napędów krajowego generatora zgazowania biomasy wynosi 14 kW. Wytworzony gaz syntezowy kierować można do silnika spalinowego, sprzężonego z elektrogeneratorem, wzgl. do turbiny gazowej też współpracującej z elektrogeneratorem. Jej spaliny, poprzez wymiennik ciepła, ogrzewają wodę grzewczą, płynącą kolektorami do budynków mieszkalnych, użyteczności publicznej oraz odbiorców lokalnej gospodarki. Typowe elektrociepłownie na bazie zgazowania biomasy prezentują rysunki 6-7.
*
W niniejszym studium zaprezentowano jedynie najważniejsze możliwości oraz kierunki działań techniczno-technologicznych, które jednoznacznie dowodzą, że nie tylko węgiel, ale również ropę oraz gaz ziemny można zastąpić już dostępną biomasą na potrzeby ciepłownictwa, energii elektrycznej oraz paliw płynnych i gazowych dla silników spalinowych.
Roczny uzysk biomasy w świecie wynosi 150 mld ton, z czego wyroby spożywcze obejmują zaledwie 5 mld ton. Gospodarka światowa dysponuje już sprawdzonymi technikami i technologiami przemiany biomasy do wszelkich użytecznych form energii z paliwami silnikowymi włącznie.
Kraje rozwinięte – angażując ogromne środki – rokrocznie budują kolejne zakłady przetwarzania biomasy w ciepło, energię elektryczną, a ostatnio nawet w paliwa silnikowe. W tym zakresie Polska ustępuje wyraźnie nawet kilku krajom ościennym, gdyż:
- Nieracjonalnie prowadzi się gospodarkę leśną. Z 40 mln m sześc. drewna rocznie zagospodarowuje się połowę.
- Ponad 13 mln ton/rok odpadów komunalnych na składowiskach miejsko-gminnych wytwarza spore ilości biogazu. Z każdej bowiem tony tych odpadów uzyskuje się aż 280 m sześc. mieszaniny 60% obj. metanu oraz 40% dwutlenku węgla. Ten gaz można niewielkim kosztem przetwarzać na miejscu w ciepło i energię elektryczną, co doskonale ilustruje rys. 8.
- Identycznie jest w rolnictwie. Odpady z rolnictwa i hodowli należy na miejscu, w prostych agregatach przetwarzać w biogaz oraz wysokiej jakości nawóz. Pozyskiwany biogaz należy od razu na miejscu spalać w silnikach Otta, Diesla, czy Stirlinga, by uzyskać ciepło z energią elektryczną na własne potrzeby.
- Już dziś winno się rozpocząć budowę gminnych elektrociepłowni na bazie miejscowej biomasy. Wolne powierzchnie rolne należy przeznaczyć pod uprawę roślin energetycznych, co stanowi najszybszą drogę do wzrostu ekonomicznej efektywności polskiego rolnictwa i poprawy warunków bytowych naszych rolników.