|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 12/2003
Wierzba energetyczna. Sposób na biedę?
|
|
|
Spośród nowych – niekopalnych – źródeł energii, wierzba okazuje się - wśród wielu roślin energetycznych - najbardziej obiecującą. Dziś widać już wyraźnie, że z wielu nośników energii odnawialnej, biomasa w ogóle, a biomasa wierzbowa w szczególności staje się bardzo rozwojowym i ekonomicznie efektywnym kierunkiem produkcji rolnej. Dowodem tego może być fakt, że podczas gdy w lasach przyrost roczny biomasy wynosi 3-5 t/ha, to uprawa wierzby w rolnictwie owocuje rocznym przyrostem 22-25 ton suchej masy z hektara. Na rys. 1 widoczny jest roczny przyrost biomasy.
|
Bezrobocie i bieda na polskiej wsi, a w dodatku niekorzystna struktura ziemi wymuszają poszukiwania alternatywnych w stosunku do produkcji żywności i paszy kierunków produkcji rolnej. Głównym z nich jest uprawa roślin energetycznych – a wśród nich wspomniana wierzba i to szczególnie z odmian Salix viminalis var. Gigantea. Angażowanie polskiej wsi w poszukiwanie alternatywnych kierunków produkcji wpisuje się w dotychczas nierozwiązany problem zaopatrzenia gospodarstw rolnych w tanią energię elektryczną oraz ciepło. To wszystko ukierunkowało poszukiwania roślin, które zapewniają nie tylko szybki przyrost biomasy, łatwość dostosowania się do konkretnych warunków klimatyczno-glebowych, ale umożliwiają (po prostu zapewniają) wypracowanie znacznie większych dochodów od uprawy żywności i pasz.
Te warunki spełnia roślina z rodzaju Salix, ponieważ genotyp wierzby jest bardzo bogaty – jeden z najbogatszych zaraz po ryżu. Daje to podstawy dla możliwości tworzenia wielu odmian o wszelkich kierunkach ich wykorzystania.
Jak wykorzystać?
Najbardziej aktualnym obecnie kierunkiem wykorzystania biomasy wierzbowej staje się jej wykorzystanie na cele energetyczne. Przy czym najefektywniejszą jest oczywiście kogeneracja. Przy uprawie wielkich plantacji możliwy jest przerób wierzby – via zgazowanie – do metanolu. Wierzbę można spalać samodzielnie, lub w mieszaninie z miałem węglowym w rozmaitych konstrukcjach pieców, tak jak każde inne drewno, ale sprawność takiego procesu będzie jednak niewielka. Do znacznie bardziej efektywnego – i co się z tym wiąże, także wysoce oszczędnego – należą systemy tlenowego (powietrznego) zgazowania, gdzie w pierwszej fazie jest suszenie, a w drugiej towarzyszy proces pirolizy. Ich wariantowym rozwiązaniom – w sprzężeniu z różnorakimi procesami kogeneracyjnymi – poświęcony jest niniejszy artykuł. Sprawność bowiem tych systemów przetwarzania biomasy do energii elektrycznej oraz ciepła dochodzi nawet do 93%. Zawsze jednak należy rozważyć stopień zawilgocenia (a zatem i wysuszenia) przerabianego drewna. Wpływ stopnia zawilgocenia drewna wierzbowego na wartość opałową ilustruje rys. 2.
Zaleca się – jako najbardziej efektywne i najmniej uciążliwe – spalanie drewna wierzbowego w postaci „powietrznie wysuszonego”. Jest to drewno suszone w warunkach otoczenia przez okres 3-4 miesiące w zadaszonych wiatach. Osuszone do poziomu „powietrznie wysuszonego” zawiera 23-28% wilgoci i osiąga 16-18 GJ wartości opałowej z tony. Takie drewno daje się łatwo zrębkować oraz ekonomiczniej transportować od gałęzi. Zrębki spala się jednorodnie w specjalnych piecach, ale efektywniejsze jest ich spalanie z miałem węglowym i ten system jest powszechnie stosowany w Austrii. Z drewna wierzbowego można również produkować brykiety lub granulat opałowy, ale w pierwszym przypadku konieczne jest obniżenie zawilgocenia do 16% mas, a w drugim przypadku do 20% mas.
Ochrona i zagospodarowanie gleb
Ziemia uprawna podlega biodegradacji i biodewastacji zwykle, gdy przeznaczona jest nie na produkcję rolniczą, a na wszelkie inne cele lub gdy uprawiana jest niewłaściwie. Na przykład gdy na czasowo wyłączonej z produkcji rolnej składowane są odpady. Po okresie użytkowania składowisko odpadów winno być rekultywowane: rekultywacją techniczną i rekultywacją biologiczną. Właśnie do celów rekultywacji biologicznej użyta zostaje wierzba. Według Szczukowskiego (1998), który podaje za Bugałą (1975) i Maciakiem (1973), a także Succowem (1976) na stanowiskach zdegradowanych rolniczo siedlisk z powodzeniem uprawiać można Salix americana, Salix amygdalina oraz drzewiaste formy Salix alba i Salix fragilis. Na gruntach ornych, w sąsiedztwie zakładów przemysłowych, dobrze tolerowane są - znoszące wiele zanieczyszczeń między innymi metalami ciężkimi - Salix caprea, Salix cinerea, Salix acutifolia (Kisser 1960, Kulczyński 1975, Lattke 1969, Pelz 1956).
Wymienioną odmianę wierzby Salix cinerea, a także Salix aurita, Salix repens (Schiechtl 1965) szczególnie nadają się do rekultywacji zakwaszonych składowisk hałd pogórniczych. Korzenie wierzby wyłapują około 80% zanieczyszczeń. Wierzbową oczyszczalnię ma np. cieszyński POLIFARB.
Bardzo dobre przyrosty na silnie toksycznych składowiskach śmieci komunalnych otrzymali Francuzi sadząc Salix purpurea i Salix eleagnos (Fredou 1974). Te dwie odmiany, a także Salix daphnoides i Salix repens mogą stanowić nasadzenia rekultywacyjne zarówno na piaszczystych jak i kamienistych zboczach, do stabilizacji gruntów przed erozją (Dolatowski 1990, Lattke 1969).
Wszystkie te odmiany, a szczególnie podstawowe formy wierzb z rodzaju Salix viminalis gigantea, charakteryzują się silnym przyrostem biomasy. System korzeniowy sięga czasem nawet 8-10 m przez co system odżywiania penetruje nie tylko warstwę gleby, ale złoża gruntów położone znacznie głębiej. Ocenia się, że biomasa jednego hektara już dwuletniej wierzby pochłania całkowicie w ciągu roku 350 kg azotu i 80 kg fosforu (Philip 1997).
Biodegradację metali z osadów ściekowych wykazali ponadto (Perttu z Kowalikiem 1997) zarówno w doświadczeniach szwedzkich jak i polskich, stosując wierzbę jako swoisty filtr dla tych zanieczyszczeń. Biodegradacja dotyczyła szczególnie kadmu, który najczęściej limituje wielkość osadu ściekowego, możliwą do zastosowania w rekultywacji terenów zdegradowanych i zdewastowanych.
Wierzba w ochronie wód
Od bardzo dawna, zarówno w Polsce, jak i w innych krajach wierzbę stosowano w ochronie cieków wodnych (Waga 1848, Wyrobisz 1949) w postaci plecionej lub wiązanej faszyny. Obecnie coraz częściej nowe klony wierzby stosuje się do ochrony cieków wodnych przed przedostawaniem się do nich zmywanych z pól uprawnych nawozów i pestycydów. Sadzi się w tym celu nad brzegiem cieków Salix purpurea i Salix purpurea „Gracilis” (Valtyni 1971, Valtyni 1972). Salix amygdalinę i Salix viminalis bardzo dobrze toleruje zalewanie nieprzetworzonymi ściekami komunalnymi (Białkiewicz 1969). Instytut Budownictwa Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa wykorzystał obydwie te odmiany do zaprojektowania małych hydrobiologicznych oczyszczalni ścieków (Jucherski 1995). Wierzbą obsadzane były w przeszłości na Żuławach Elbląskich kanały odprowadzające wodę. Najczęściej stosowano Salix viminalis jako krzew i Salix fragilis jako drzewo.
Jeden krzew już dwuletniej wierzby z rodzaju Salix viminalis w klonach wierzb energetycznych może transpirować nawet do 180 m sześc. wody (Philip 1997). Obecnie prowadzi się badania nad zastosowaniem mat wierzbowych do ochrony składowisk odpadów stałych. Podstawą badań jest właściwość zatrzymywania przez maty wierzbowe nawet do 80% wód opadowych, spływających na składowisko.
Ważnym kierunkiem wykorzystania wierzby jest zastosowanie jej w rekultywacji szczególnie zdegradowanych i zdewastowanych powierzchni osadników lub hałd pogórniczych. Opracowana w tym kierunku technologia wykorzystuje osady ściekowe z miejskich oczyszczalni ścieków, które miesza się w odpowiednich stosunkach z ziemią uprawną lub z humusem. Tworzy się w ten sposób podłoże na którym sadzi się wierzbę. Metodę tę można stosować do rewitalizacji hałd osadników lub hałd pogórniczych pozbawionych życia biologicznego.
Zgazowanie biomasy
Relatywnie najwyższą z możliwych sprawności osiągają te elektrociepłownie, które bazują na zgazowaniu biomasy, co ma pokaźne znaczenie gospodarcze zważywszy 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, nazywamy cykl przemian z udziałem tlenu, dwutlenku węgla oraz pary wodnej, prowadzący do wytworzenia gazu syntezowego, składającego się głównie z tlenku węgla oraz wodoru obok 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 produkty 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.
Godzi się odnotować udaną i efektywną produkcję zgazowarek biomasy w kraju przez Zdzisława Żuromskiego w zakładzie Mechanicznym „ZAMER” w Kraszewie na bazie licencji Marka Dudyńskiego. Tą o mocy 2,5 MW ze złożem stacjonarnym, zilustrowano na rys. 3. Generator zgazowania drewna (z możliwością dodawania doń słomy, odpadów komunalnych i węgla) jest w górnej części okrągły (o średnicy 3600 mm), a w dolnej stożkowaty (o całkowitej wysokości 4750 mm). 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, a 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 ewent. 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.
Ze względu na koszta inwestycyjno-eksploatacyjne celowe jest zgazowywanie mieszaniny biomasy z węglem i to nie tylko z powodu pokaźnej objętości surowca odnawialnego, ale również z uwagi na wyższą sprawność energetyczną procesu. Wpływ mocy elektrociepłowni z układem zgazowania biomasy na koszta inwestycyjne ujęto rys. 4. Dla mocy elektrociepłowni 1200 kWel i 1800 kWec nakłady te wynoszą około 600 euro/kWel.
Rozwiązania techniczne elektrociepłowni z modułami zgazowania biomasy są podobne do tych, które bywają coraz częściej budowane na bazie tlenowo-parowego zgazowania węgla. Relatywnie wysokie sprawności zapewniają:
- elektrociepłownie z tłokowymi silnikami spalinowymi wg rys. 5;
- elektrociepłownie z turbinami gazowo-parowymi wg rys. 6.
Szczególnie interesujące są elektrociepłownie z tłokowymi silnikami spalinowymi, zasilanymi gazem syntezowym. Silniki te mogą być nie tylko z wewnętrznym spalaniem typu Otta i Diesla wg rys. 7, ale również z zewnętrznym spalaniem typu Stirlinga wg rys. 8. Te silniki umożliwiają bowiem produkcję energii elektrycznej z dużą sprawnością w obszarze małych mocy, nawet poniżej 100 kW i dzięki temu znajdują zastosowanie w domkach jedno- i wielorodzinnych, a ilustruje to rys. 9. Tą wysoką sprawność zapewniają oczywiście efektywne układy kogeneracyjne.
Sprawność wytwarzania energii elektrycznej w silnikach spalinowych zależy oczywiście od wartości opałowej gazu. Stąd celowość prowadzenia zgazowania biomasy pod podwyższonym ciśnieniem oraz z udziałem pary wodnej, co zwiększa uzysk metanu. Dalszy wzrost wartości opałowej można uzyskać przez zastąpienie powietrza prawie czystym tlenem. Podczas gdy zgazowanie drewna powietrzem umożliwia produkcję gazu syntezowego o wartości opałowej w granicach 5 - 6 MJ/m3N, to przy niemal czystym tlenie ten wskaźnik osiąga aż wartość 12-15 MJ/m3N
Elektrociepłownie gazowo-parowe z modułem zgazowania biomasy zaprezentowano na rys. 6. Technologia z turbinami gazowo-parowymi na bazie zgazowania węgla jest już od wielu lat dobrze znana z licznych wdrożeń przemysłowych pod nazwą Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC)
A zatem ta technologia – również z udziałem biomasy – charakteryzuje się wysoką sprawnością energetyczną. Ten typ elektrociepłowni – ze względów ekonomicznych – może być stosowany jedynie w elektrociepłowniach o mocy powyżej 40 MWel. W przypadku stosowania biomasy, jednostkowy koszt budowy elektrociepłowni o powyższej mocy elektrycznej wynosi 1400 euro/kWel. Cena wierzby krzaczastej w przeliczeniu na suchą masę wynosi obecnie 45 euro/tonę.
Bardzo efektywną jest elektrociepłownia z modułami zgazowania biomasy i ogniwem paliwowym. Gaz syntezowy wymaga jednak dodatkowego węzła procesowego dla katalitycznej przemiany tlenku węgla w wodór z udziałem pary wodnej, przy czym w Polsce pracuje kilka tego typu instalacji z wysokim stopniem niezawodności ruchu przy dobrej ekonomicznej efektywności.
W ogniwie paliwowym, które jest ogniwem galwanicznym, przebiega bezpośrednia przemiana energii chemicznej w elektryczną. Paliwo (obecnie głównie wodór) dopływa do anody, a utleniacz (tlen czysty lub jako powietrze) dopływa do katody. W ogniwie reagenty procesu utleniania nie łączą się bezpośrednio z sobą (jak to dzieje się w tradycyjnych elektrociepłowniach podczas wytwarzania pary wodnej, napędzającej turbinę -elektrogenerator), ale przebiega tam proces elektrochemiczny, w którego następstwie uzyskuje się od razu energię elektryczną. Procesom elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronów poza ogniwem, przez odbiornik energii elektrycznej (np. silnik), natomiast zamknięcie obwodu elektrycznego dokonuje się dzięki jonom przepływającym między elektrodami. Ogniwo paliwowe składa się zatem z anody, katody oraz elektrolitu - często w postaci stałej matrycy elektrolitowej. Ogniwa łączy się w baterie, których sprawność oblicza się ze stosunku uzyskanej energii elektrycznej do wytworzonej energii cieplnej w następstwie nieprzerwanego dopływu paliwa i utleniacza. Z jednego ogniwa uzyskuje się napięcie w zakresie 0,6-1,0 V przy gęstości energii elektrycznej wynoszącej 0,15-1,0 A/cm kw
W produkcji ogniw paliwowych dla pojazdów kosmicznych, wojska oraz celów ogrzewniczych znaczącą pozycję zajmuje firma Vaillant. Chociaż schemat działania ogniwa paliwowego jest relatywnie prosty (ilustruje go rys. 10), to agregat kogeneracyjny dla ogrzewania domu wielorodzinnego jest dość skomplikowany, co uwidacznia rys. 11. Bardzo wysoka sprawność energetyczna ogniw paliwowych zapewnia im szybki rozwój oraz szeroki front działań badawczo-wdrożeniowych w skali światowej.
W zależności od użytych elektrolitów oraz temperatury, w której są eksploatowane, rozróżnia się:
1) niskotemperaturowe ogniwa paliwowe pracujące według schematu przedstawionego na rys. 10, zalicza się do nich:
- ogniwa alkaliczne (Alkaline Fuel Cell -AFC) zawierające 30% roztwór KOH, eksploatowane w temperaturze do 100 st. C,
- ogniwa membranowo-polimerowe (Solid Polymer Fuel Cell - SPFC), w których elektrolitem jest protonowymienna membrana z polimeru sulfonofluorowęglowego, pracujące w temperaturze do 130 st. C,
- ogniwa kwasu fosforowego (Phosphoric Acid Fuel Cell - PAFC), w których elektrolitem jest prawie 100% roztwór kwasu fosforowego, pracujące w zakresie temperatur 130-220 st. C.
Są one już seryjnie produkowane z przeznaczeniem dla większych obiektów użyteczności publicznej; zaopatrują te obiekty w energię elektryczną i grzewczą o mocy do 200 kW;
2) wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe:
- ogniwa węglanowe (Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC), w których elektrolitem jest mieszanina Li2CO3 i K2CO3, lub Li2CO3 i Na2C03, umieszczona w porowatej matrycy sporządzonej z LiAlO2. Anoda jest wykonana z porowatego niklu, a katoda z porowatego tlenku niklu. Ogniwa te są eksploatowane w temp. 620-650°C
- ogniwa tlenkowo-ceramiczne (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC), pracujące w temp. 800-1000 st. C. Elektrolitem jest tu matryca wykonana najczęściej z tlenku cyrkonu, stabilizowanego tlenkiem itru.
Schemat elektrociepłowni z modułami zgazowania drewna, przemiany tlenku węgla w wodór oraz z ogniwem paliwowym ilustruje rys. 12.
Zaostrzające się przepisy ochrony środowiska oraz szybko rosnące ceny nośników energii zapewniają ogniwom paliwowym szybki wszechstronny rozwój. Można je bowiem zasilać również biogazem z wysypisk śmieci komunalnych, z oczyszczalni ścieków oraz beztlenowej fermentacji odpadów rolnictwa i ogrodnictwa.
Zaprezentowane domowe oraz lokalne elektrociepłownie – niezależnie od tego, czy zawierają moduły silników tłokowych, turbin gazowo-parowych, względnie ogniw paliwowych – można również zasilać biogazem z beztlenowej fermentacji wysypisk odpadów komunalnych, ścieków miejskich oraz odpadów rolnictwa i ogrodnictwa. Wysoka sprawność energetyczna oraz dobre wskaźniki ekonomiczne w/w agregatów leżą u podstaw nasilających się działań wdrożeniowych we wszystkich krajach i kontynentach.
|
|
|
|
