Zarys efektywnosci malych ukladow kogeneracynych na biomase_Sygit.pdf

Zarys efektywno Ļ ci małych

kogeneracji na biomas ħ

dr in Ň . Maciej Sygit

SYGMA Sp. z o.o. www.sygma.pl

1. Konieczno Ļę rozwoju energetyki odnawialnej.

W najbli Ň szych latach ulegnie znacznemu wzrostowi poziom wykorzystania energii odnawialnych w szczególno Ļ ci

zwi Ģ zanych z biomas Ģ . Zwi Ģ zane jest to z wyczerpywaniem si ħ tradycyjnych no Ļ ników energii z jednoczesnym wzrostem ich

cen a przede wszystkim z postanowieniami protokołu z Kioto, regulacjami UE a tak Ň e z obowi Ģ zuj Ģ c Ģ w Polsce „Strategi Ģ

rozwoju energetyki odnawialnej”. Zgodnie z krajow Ģ polityk Ģ energetyczn Ģ udział tzw. „zielonej energii” w zu Ň yciu energii

elektrycznej ogółem w roku bie ŇĢ cym ma wynie Ļę 3,6% natomiast w roku 2010 7,5% a w 2020 14%. Zgodnie z Dyrektyw Ģ

2004/8/EC szczególne znaczenie dla produkcji ciepła i energii elektrycznej powinny mie ę kogeneracje.

2. Energia biomasy

Biomasa ( zgodnie z Dyrektywa UE 2001/77/W) oznacza podatne na rozkład biologiczny frakcje produktów, odpady i

pozostało Ļ ci przemysłu rolnego (ł Ģ cznie z substancjami ro Ļ linnymi i zwierz ħ cymi), le Ļ nictwa i zwi Ģ zanych z nim gał ħ zi

gospodarki, jak równie Ň podatne na rozkład biologiczny frakcje odpadów przemysłowych i miejskich. Z kolei zgodnie z

Rozporz Ģ dzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 9 grudnia 2004 ( Dz. U. nr 267 poz. 2656) biomasa – to stałe lub ciekłe

substancje pochodzenia ro Ļ linnego lub zwierz ħ cego, które ulegaj Ģ biodegradacji, pochodz Ģ ce z produktów, odpadów i

pozostało Ļ ci z produkcji rolnej oraz le Ļ nej, a tak Ň e przemysłu przetwarzaj Ģ cego ich produkty, a tak Ň e cz ħĻ ci pozostałych

odpadów, które ulegaj Ģ biodegradacji. W roku 1984 biomasa ro Ļ linna pokrywała 13% Ļ wiatowej produkcji energii, w tym

Kanada pokrywała biomas Ģ 7% potrzeb energetycznych, a USA 4% potrzeb. W roku 1990 udział biomasy w Ļ wiatowej

produkcji energii wynosił 12%. [1]. W warunkach europejskich z 1 ha u Ň ytków rolnych zbiera si ħ rocznie 10 – 20 t biomasy

co stanowi równowarto Ļę 5 do 10 ton w ħ gla kamiennego. Ł Ģ czny potencjał energetyczny odnawialnych Ņ ródeł energii na

Dolnym ĺ l Ģ sku wynosi ok. 90 PJ rocznie w tym biomasy na poziomie 14 PJ. Kolejne 18 PJ rocznie b ħ dzie mo Ň na

wykorzysta ę uprawiaj Ģ c ro Ļ liny energetyczne na obecnych nieu Ň ytkach i ugorach.

3. Okre Ļ lenie małych układów kogeneracyjnych (CHP) na biomas ħ .

Wraz z niezwykle dynamicznym w ostatnich latach rozwojem technik wykorzystywania energii odnawialnych pojawiaj Ģ si ħ

nowe sposoby ich gospodarczego wykorzystywania. W latach osiemdziesi Ģ tych i dziewi ħę dziesi Ģ tych najbardziej popularn Ģ

form Ģ stosowania małych układów kogeneracyjnych na biomas ħ były biogazownie instalowane przy fermach hodowlanych

zwierz Ģ t. Uzyskiwan Ģ energi ħ elektryczn Ģ czy ciepło wykorzystywano głównie na potrzeby własne tych ferm. W ostatnich

latach wzrosło gwałtownie zainteresowanie komercyjnym wykorzystaniem układów kogeneracyjnych na biomas ħ . Zwi Ģ zane

jest to z systemem zach ħ t finansowych dla inwestorów – zarówno po stronie uzyskiwanych przychodów ze sprzeda Ň y

„zielonej” energii elektrycznej, redukcji CO 2 oraz systemów dotacji do wydatków inwestycyjnych.

Zdefiniowane zostały poj ħ cia mikrojednostki CHP oraz małej jednostki CHP [15].

Zgodnie z cytowan Ģ dyrektyw Ģ :

- mikro jednostki CHP na biomas ħ posiadaj Ģ zainstalowan Ģ moc

maksymaln Ģ poni Ň ej 50 kW El

- małe jednostki CHP na biomas ħ posiadaj Ģ zainstalowan Ģ moc

maksymaln Ģ poni Ň ej 1 MW El

Z kolei podmiotem typu CHP jest wyró Ň niona organizacyjnie jednostka gospodarcza prowadz Ģ ca działalno Ļę gospodarcz Ģ ,

polegaj Ģ c Ģ na przetwarzaniu energii biomasy w energi ħ elektryczn Ģ oraz ciepło. Energia elektryczna sprzedawana jest

odbiorcom zewn ħ trznym natomiast ciepło wykorzystywane jest cz ħĻ ciowo na potrzeby własne podmiotu, a jego

nadwy Ň ka sprzedawana jest odbiorcom zewn ħ trznym.

3. Podstawowe technologie małych CHP na biomas ħ .

Zgodnie z badaniami przeprowadzonymi [2] w 2003 w 15 krajach UE struktura stosowanych technologii kogeneracyjnych na

biomas ħ kształtowała si ħ nast ħ puj Ģ co:

- turbiny parowe - 58%

- silniki parowe - 18%

- turbiny gazowe - 9%

- układy typu ORC - 7%

- silniki Stirlinga - 3%

- silniki gazowe - 1%

Wspomniane wy Ň ej badania nie dotyczyły wył Ģ cznie małych układów CHP, st Ģ d nie nale Ň y wyci Ģ ga ę daleko id Ģ cych

wniosków. Według bada ı [3] przeprowadzonych w Danii, Finlandii i Szwecji w małych układach HCP (<1 MW El )

stosowane technologie to: gazyfikacja biomasy wraz z silnikiem gazowym, silnik parowy oraz silniki gazowe na biogaz

pochodz Ģ cy z biogazowni. Wyniki te potwierdza tak Ň e J. Fischer [4] (tabela 1). Małe układy kogeneracyjne s Ģ na ogół

zasilane paliwami gazowymi [5]. Podstawowymi paliwami pochodz Ģ cym z biomasy s Ģ :

- gaz z fermentacji biologicznej

- gaz wysypiskowy

- gaz ze zgazowania biomasy

Tabela 1 – Nakłady na budow ħ układów CHP (Fischer [6])

4. Rodzaje wykorzystywanej biomasy.

Polska posiada bardzo dobre mo Ň liwo Ļ ci pozyskiwania biomasy na cele energetyczne. W szczególno Ļ ci mog Ģ to by ę

[7]:

- drewno i odpady drzewne,

- słoma, produkty oraz odpady rolne,

- odchody zwierz Ģ t hodowlanych przerabiane w biogazowniach.

Poziom wspomnianych wy Ň ej, powszechnie dost ħ pnych i słabo wykorzystywanych surowców energetycznych, jest bardzo

du Ň y. Dochodz Ģ do tego odpady komunalne oraz uprawiane ro Ļ liny energetyczne. Podane wy Ň ej rodzaje biomasy

charakteryzuj Ģ si ħ Ļ rednim poziomem kaloryczno Ļ ci (do kilkunastu MJ/kg), a czasami ze wzgl ħ du na du ŇĢ wilgotno Ļę nawet

poziomem niskim. Powszechna dost ħ pno Ļę biomasy na terenie całego prawie kraju oraz Ļ redni poziom jej warto Ļ ci

energetycznej powoduj Ģ , Ň e nadaje si ħ idealnie jako surowiec energetyczny do małych, lokalnych CHP, zlokalizowanych w

nieznacznej odległo Ļ ci od bazy surowcowej. W cytowanej wcze Ļ niej pracy[2] pokazano, Ň e w krajach skandynawskich

surowcem energetycznym do małych CHP na biomas ħ s Ģ dobra powszechnie dost ħ pne w naszym kraju.

5. Koszty budowy małego CHP.

Dla przyj ħ tej technologii CHP, parametrów technicznych oraz rodzaju wykorzystywanej biomasy mo Ň na przyj Ģę , Ň e koszt

wybudowania takiego obiektu nie jest zale Ň ny w istotnym stopniu od lokalizacji. Oczywi Ļ cie koszt wspomnianej budowy nie

zawiera nakładów niezb ħ dnych na wybudowanie sieci przesyłu ciepła, jak równie Ň nakładów niezb ħ dnych do wybudowania

sieci przesyłowej energii elektrycznej oraz odpowiednich przył Ģ czy.

W cytowanej pracy[2] podano, Ň e warto Ļę nakładów inwestycyjnych wynosiła 1500€/1kW, 2720€/1kW do 5556€/1kW

(inwestycja zrealizowana w 1999 r.) W przypadku budowy kompletnej biogazowni (dot. Danii), nakłady inwestycyjne

oscylowały w ostatnich latach na poziomie 3500€/1kW. Warto Ļ ci te zbli Ň aj Ģ si ħ obecnie do poziomu 2000€/1kW [9]

6. Funkcjonowanie biogazowi w Austrii [10].

Liczba rolniczych biogazowi (farm-based biogas plants) pocz Ģ wszy od 1990 r. wzrosła od kilkunastu do kilkuset.

Jednocze Ļ nie malej Ģ jednostkowe nakłady inwestycyjne. Wi ħ kszo Ļę biogazowi funkcjonuje przy fermach zwierz Ģ t

wykorzystuj Ģ c odchody jako podstawowy surowiec lecz coraz cz ħĻ ciej dodawane s Ģ odpady ro Ļ linne oraz komunalne. We

wszystkich biogazowniach wytwarzany jest pr Ģ d elektryczny. Gwarantowane ceny sprzeda Ň y energii elektrycznej (0,165

€/1kWh oraz 0,145€/1kWh) zapewniaj Ģ zwrot nakładów inwestycyjnych po 7 – 8 latach. Energia elektryczna sprzedawana

jest do sieci energetycznej, ponadto ok. 20% biogazowi sprzedaje ciepło odbiorcom zewn ħ trznym. Biogazownie zu Ň ywaj Ģ na

własne potrzeby 11% wytworzonej energii elektrycznej oraz 27% ciepła. Najcz ħĻ ciej zainstalowane s Ģ generatory CHP o

mocy 77 kW. Zapotrzebowanie na sił ħ robocz Ģ jest uzale Ň nione od struktury surowca. W przypadku wykorzystywania

odchodów zwierz ħ cych wynosi 1,1 godz./dzie ı a przy u Ň yciu odpadów rolnych dochodzi do 5 godz./dzie ı . Biogazownie s Ģ

mocno zautomatyzowane.

Nakłady inwestycyjne na budow ħ biogazowi.

Badania przeprowadzono analizuj Ģ c 34 biogazownie wybudowane po 2000 r. Zale Ň no Ļę pomi ħ dzy nakładami

inwestycyjnymi a moc Ģ zainstalowanego generatora energii elektrycznej wynosi w przybli Ň eniu:

I = 3500 €/ 1kWel x M + 120.000 €

gdzie M – oznacza moc agregatu CHP wyra Ň ona w kWel

Tabela 2 Analiza ekonomiczna wybranych biogazowni [4].

Charakterystyka

Moc generatora pr Ģ du (kW)

Nakłady inwestycyjne (1000€)

Dotacje inwestycyjna (%)

Oprocentowania po Ň yczki (%)

Cena sprzedawanej energii (cent/kWh)

Przychody ze sprzeda Ň y energii (1000 €)

Roczne koszty operacyjne (1000 €)

Okres zwrotu nakładów inwestycyjnych

137.5

16,5

1,8

100

450

16,5

84.5

34,1

7,5

330

1,160

14,5

406,5

222,4

7. Funkcjonowanie biogazowi w Danii [11]

Obecnie w Danii produkcja biogazu wynosi ok. 69 mln m3/rok a do 2020 r. ma wzrosn Ģę do poziomu ok. 800 mln m3.

Du ı skie plany przewiduj Ģ wł Ģ czenie du Ň ych biogazowni do działaj Ģ cej sieci przesyłowej gazu ziemnego [12].

Tabela 3. Ekonomiczny model typowej biogazowni w Danii na biomas ħ [ 13]

Parametr

Warunki

Obj ħ to Ļę reaktora (m3)

700

zbli Ň one

Podstawowy substrat

kukurydza

do polskich

Dodatkowy substrat

obornik

Nakłady inwestycyjne

250,000 €

800,000 zł

Dotacje

50,000

Wytworzona energia elektryczna (kWh/rok)

750,000

Cena za energi ħ elektryczn Ģ

0.1023 €

0,32

Koszty eksploatacji

58,200 €

74,000 zl

- osobowe

9,000

12,000

- ruchu

750

2,000

- uprawy, zakupu surowców

48,450

60,000

Przychody ze sprzeda Ň y ogółem

81,225

255,000

10.

Przychody ze sprzeda Ň y energii el.

78,225

240,000

11.

Przychody ze sprzeda Ň y energii cieplnej

3,000

15,000

12.

Wynik brutto na działalno Ļ ci

23,025

181,000

9. Koszty budowy układów CHP wykorzystuj Ģ cych zgazowanie biomasy.

Rozwi Ģ zania te s Ģ szczególnie popularne w krajach skandynawskich, gdzie wyst ħ puj Ģ ca biomasa zawiera du Ň o składników

trudno poddaj Ģ cych si ħ procesowi fermentacji metanowej. W szczególno Ļ ci dotyczy to wykorzystania odpadów drewna, torfu

a nawet słomy do produkcji energii elektrycznej i ciepła. W tabeli 4 przedstawiono wybrane wska Ņ niki techniczno-

ekonomiczne układów CHP na biomas ħ wykorzystuj Ģ cych technologi ħ jej zgazowania [14].

Tabela 4. Parametry ekonomiczno-techniczne CHP wykorzystuj Ģ cych technologie zgazowania.

Moc elektryczna

kW el

Moc cieplna

Nakłady

inwest.

Przył Ģ cza

i budynki

Nakłady

ogółem

£’1000

Koszty

bie ŇĢ ce bez

surowców

Zu Ň ycie [t]

drewna

(suchego) przez

7451 godz.

100

200

140

10%

154

624

350

650

480

10%

528

2,012

1,000

2,000

1,600

15%

1,840

103

6,036

1,800

3,500

3,400

15%

3,910

166

8,569

2,000

4,000

2,800

15%

3,220

149

12,072

2,550

5,660

4,300

15%

4,945

205

13,635

LITERATURA

[1] http://www.ekoenergia.pl/index.php?id=energia_biomasy.htm

[2] Calliope Panoutsou , „Opportunities for biomass cogeneration: findings of BIOCOGEN project”

“CHAPNET NETWORK CONFERENCE” Bruksela 2003

[3] Kirjavainen M., Sipilä K., Savola T., Salomón M. & Alakangas E., Small-scale biomass CHP

technologies: Situation in Finland, Denmark and Sweden. OPET Report 12. 2004

[4] Fischer,J .„Technologies for small scale Biomass CHP-Plants – an actual survey”,

http://www.risoe.dk/konferencer/energyconf/presentations/fischer.pdf

[5] Skorek J., Kalina J., „ Technologie I efektywno Ļę ekonomiczna generacji rozproszonej w układach gazowych ”

http://www.itc.polsl.pl/kalina/publikacje/technologie.pdf

[6] Fischer J., „Technologies for small scale Biomass CHP-Plants – an actual survey”,

http://www.risoe.dk/konferencer/energyconf/presentations/fischer.pdf

[7] Rogulska M., Oniszk-Popławska A., Pisarek M, and Wi Ļ niewski G., „Biomass and Agriculture: Sustainability,

Markets and Policies” OECD Publication Service, Paris, 2004

[8] Ocena rynku biomasy. Projekt Fobiom – Etap I. Program SAVE. Listopad 2004

[9] Veringa H.J. “Advanced techniques for generation of energy from biomass and waste”

http://www.ecn.nl/fileadmin/ecn/units/bio/Overig/pdf/Biomassa_voordelen.pdf

[10] Walla C., Schneeberger W.,, Farm biogas plants In Austria – An economic analysis” , 2005

[11] The Development of Biogas Technology in Denmark: Achievements & Obstacles”

http://diggy.ruc.dk/bitstream/1800/363/1/The_Development_of.pdf

[12] Bo Holm-Nielsen J., Al. Seida T., „Biogas In Europe: a general overview” South Jutland University Centre

[13] Braun R., Wellinger A.„ Potential of Co-digestion” IEA Bioenergy, Task 37 – Energy from Biogas

And Landfill Gas

[14] Barker N., Garson A.„ The Potential of Small-Scale Distributed Embedded and Non-Networked Heat and Power

Systems At the Domestic, Company (Farm), and Business Park/Public Building Levels”

www.dardni.gov.uk/file/con05026g.pdf

[15] Dyrektywa 2004/8/EC

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: