Post on 17-Jul-2020
Pozyskiwanie energii elektrycznej z biomasy(wybrane problemy)
Autorzy: Adam Guła1, Adam Hmpel2
1) 1. Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie2) 2. KISE - The Krakow Institute for Sustainable Energy
wykład na Studiach podyplomowychw ramach modułu:
Rozproszone źródła energii/efektywność konwencjonalnych źródeł energii
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie5 Marca 2010
WBREW TEMU, CO NIEKTÓRZY ZDAJĄ SIĘ ZAKŁADAĆ
BIOMASA jest
ZASOBEM OGRANICZONYMdostępność terenów uprawnych, jakość gleby, klimat ...
... lecz równieŜ środki finansowe na inwestycje
biomasę moŜna wykorzystywaćdo celów energetycznych
na róŜne sposoby:
• jako paliwa silnikowe (biopaliwa)• do produkcji energii elektrycznej• do celów grzewczych
jednakŜe, potrzebujemy jej równieŜ jako Ŝywności !!
• …………jako paszy
• …………do rekreacji
• …………do ochrony róŜnorodności biologicznej
dostępne zasoby biomasy
nie mogą
zaspokoić tych wszystkich potrzeb
jednocześnie
musimy wybierać !!
Zatem
mamy tu do czynienia z typowym zagadnieniem optymalizacyjnym
potrzebne jest odpowiednie narzędzie
(model matematyczny)
do wsparcia procesu decyzyjnego
(powinie być on dostatecznie uniwersalny i przyjazne dla uŜytkownika)
taki model nadal pozostaje do opracowania !!
w przeciwnym razie będziemy podejmować decyzje
NIEOPTYMALNE lub wręcz BŁĘDNE
(włączając w to te na szczeblu UE)
TECHNOLOGIA TECHNOLOGIA AGRALNAAGRALNA
BOTANIKABOTANIKA
KOGENERACJA
SILNIKI
ELEKTRYCZNOŚĆ
CIEPŁO
GENERACJA ROZPROSZONA
GAZOWAGAZOWA
ŚŚRODOWISKORODOWISKO
BIOTECHNOLOGIABIOTECHNOLOGIA
POZIOM 1
POZIOM 2
STASTAŁŁAA
CIEKCIEKŁŁAAKONWERSJAKONWERSJA
SPALANIE BEZPOŚREDNIE
CIEPŁO ELEKTRYCZNOŚĆ
KOGENERACJA
CIEPŁO
ELEKTRYCZNOŚĆ
TRANSPORT
DWA POZIOMY OPTYMALIZACJI
BADANIA I ROZWÓJ
• Maksimum:• redukcji emisji gazów cieplarnianych (problem globalny)
• substytucji ropy i gazu (problem krajowy)
• zysku (gotówka, zbywalne certyfikaty) (korzyści indywidualne)
• lub
• Minimum:
• kosztów osiągnięcia zamierzonych celów
• powierzchni wymaganych do zagospodarowania gruntów
FUNKCJA CELUposzukujemy np:
Taki model musi zostać opracowany !!
w przeciwnym razie nadal będziemy podejmowaćSUBOPTYMALNE, lub wręcz BŁĘDNE
decyzje
(włączając w to doraźne cele ustanowione przez UE)
INVERT
Investing in RES & RUE TechnologiesModel for Saving Public Money
Simulation tool to support the design of efficient promotion schemes
Developed under the EU ALTENER Programme by the consortium :
• TUWIEN (Haas) (AT)
• FHG (DE)
• AGH & FEWE (PL) RISOE (DK)
• CEEETA (PT)
• ACE (UK)
• DuTh (GR)
Projekt UE 4BIOMASS
Promowanie ZrównowaŜonego Wykorzystania Odnawialnych Źródeł Energii
w Europie Środkowej
WP 3: ZrównowaŜone Wykorzystanie Biomasy 3.1 Transnational Tool Development
Joint Management Tool (JMT)
www.4biomass.eu
Polska stanowi przykład niewłaściwego
(lub w znacznym stopniu sub-optymalnego)
wykorzystania zasobów biomasowych
(oraz środków publicznych wspierających jej wykorzystanie)
Przykładem tego jest:
wykorzystanie biomasy stałej do produkcji energii
elektrycznej (współspalanie z węglem w kotłach pyłowych)
PROBLEM
Biomasa do produkcji energii elektrycznej, czy ciepła ??
Wykorzystanie biomasy stałej w Polsce
jest (nadal) motywowane głównie
Dyrektywą 2001/77/EC„ w sprawie promocji energii elektrycznej ze źródeł
odnawialnych na wewnętrznym rynku energii elektrycznej”
2,2% 2,6%3,2%
4,0%
5,3%
7,5% 7,5% 7,5% 7,5% 7,5%
9,0%9,0%9,0%9,0%9,0%
7,5%
6,0%
4,8%
3,6%3,1%
10,4%10,4%10,4%10,4%10,4%
8,7%
7,0%
5,1%
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
Gre
en e
lect
rici
ty f
ract
ion
Ordinance 2001 Ordinance 2005 Ordinance 2006
Polski cel indykatywny w dla „zielonej” energii elektrycznej
POLSKA:
• Kraj nizinny – niewielki potencjał energii wody
• Niewielki teŜ potencjał energetyki wiatrowej
• DuŜe (CHOĆ OGRANICZONE) zasoby biomasy
ZATEM:
Współspalanie biomasy z węglem
PROBLEMY
Przykłady problemów techniczych:
Dr Eng.
Z.Bębenek, AGH
Slagging of ash
at higher (red) and
cooler (blue)
temperature pipes
from left-to-right
hard coal (hc)
(hc)+10%WP,
brown coal (bc),
bc+10%WP
WP=wood pellets
dramatic
increase with
addition of WP
is observed
especially for
brown coal
40.0 39.2
5.4
12.6
46.6
13.0
57.0
37.5
0
10
20
30
40
50
60
węgiel kamienny węgiel kamienny -WP 10% wegiel brunatny węgiel brunatny - WP 10%
zdo
lno
ść d
o Ŝ
uŜl
ow
ania
[m
g/g
Ash
]
zdolność do ŜuŜlowania - rura I zdolność do ŜuŜlowania - rura IIWP -pelety z drewna
t (rura I) = 1055 - 1063 °Ct (rura II) = 1219 - 1226 °C
t (rura I) = 989 - 1007 °Ct (rura II) = 1138 - 1163 °C
fractional remainder of the ground material on the seaves
of the grinding mill for different pure coals
and coal+20% biomass (right-most green column)
0
2
4
6
8
10
12
14
BOGDANKA WESOŁA MYSŁOWICE
WIECZOREK PIAST Biokasa 20%, Węgiel 80%
[%]
remainder of pure coal (left) and
coal +biomass (right)
on the seaves of the grinding mill after grinding of100 t of the input mass
Producenci energii elektrycznej
NIGDY BY SIĘ NA TO NIE DECYDOWALI, GDYBY DZIAŁANIA TE NIE BYŁY
(SUTO?) KOMPENSOWANE
JAK?
ZA KAśDĄ MWh „ZIELONEJ” ENERGII PRODUCENCI OTRZYMUJĄ
ok. 3 RAZY WIĘCEJ NIśza MWh wyprodukowaną z węgla
(około 70-80 EUR / MWh więcej)
ten dodatkowy koszt jest ponoszonyprzez KAśDEGO konsumenta energii elektrycznej
ukryte subsydiowanie (hidden subsidy)
szereg ekspertów jest zdania, Ŝe współspalanie biomasy z węglem
do produkcji energii elektrycznej jest MARNOWANIEM
pieniędzy i dostępnych zasobów biomasy
PobieŜne szacunki wykazują,
Ŝe duŜo lepszym rozwiązaniem dla Polski
byłoby wykorzystanie biomasy
przede wszystkim
do produkcji ciepła na terenach wiejskich
Zajmijmy się tylko rzędem wielkości,
0
5
10
15
20
25
2005 2010 2015
Ele
ctri
city
pro
du
ctio
n
[TW
h]
Goal RES without biomass
According to the According to the aforementionedaforementioned targets,targets,The annual green electricity productionThe annual green electricity production shouldshould be be roughlyroughly:: 17 – 18 TWhOOf f thisthis amountamount windwind andand hydro hydro cancan covercover onlyonly aboutabout:: 6-7 TWh
zatem
około 10 TWh energii elektrycznej
musi być wyprodukowane z biomasy
„ukryte subsydia” na „zieloną” energię elektryczną
wynoszą
70 €/MWh • 10 TWh/rok =
700 mln €/rok !!
onacza to, Ŝe
700 mln €/rok x 20 lat =
14 bln €!!
Na przestrzeni około 20 lat
t.j. w czasie eksploatacji nowoczesnego kotła biomasowego,
te ukryte subsydia wyniosą
czy istnieje jakaś lepsza alternatywa
dla wykorzystania tych środków,
dla osiągnięcia tych samych celów końcowych
(redukcji emisji CO2)?
Małe kotły grzewczedo wykorzystania na terenach
wiejskich
10 10 TWhTWh energii energii elektryczelektrycznnejej
stanowistanowi
3636 PPJJ energii cieplnejenergii cieplnej
Gospodarstwo rolne w Polsce wymaga przeciGospodarstwo rolne w Polsce wymaga przecięętnietnie 30 kW30 kWna cele grzewczena cele grzewcze,,co w polskich warunkach oznacza okoco w polskich warunkach oznacza okołłoo 240 GJ /rok
Oznacza to, Oznacza to, ŜŜe e 10 10 TWhTWh energii cieplnej energii cieplnej zaspokaja zapotrzebowanie na ciepzaspokaja zapotrzebowanie na ciepłło przezo przez
150 000 150 000 gospodarstgospodarstww
Przy czym
OSIĄGAMY TAKI SAM EFEKT REDUKCJI EMISJI CO2
faktycznie ZNACZNIE WIĘKSZY!gdyŜ omijamy
STRATY ENERGI ZWIĄZANE Z TRANSPORTEMI PRZYGOTOWANIEM PALIWA W KOŃCOWEJ FORMIE
Bariera:Bariera:
rolnicy zazwyczajrolnicy zazwyczaj nie dysponujnie dysponująąddostatecznymi ostatecznymi śśrodkamirodkami na zakup na zakup
i instalacji instalacjęę nowoczesnego kotnowoczesnego kotłła na biomasa na biomasęę
niezbniezbęędne jest wsparcie finansowedne jest wsparcie finansowe
SKSKĄĄDD??
Jakiej wysokości subsydia do zielonego ciepłabyłyby potrzebne aby osiągnąć taki sam efekt
ekologiczny redukcji emisji CO2?
Rachunki wykonane przy uŜyciu
wspomnianego juŜ modelu INVERT pokazały Ŝe
subsydia w wysokości 40%
do typowej inwestycji biomasowej o mocy 20-40 kW
znacząco pobudziłyby rynek
(i obniżyły koszty pojedynczej inwestycji poprzez efekt skali)
INVERT
Investing in RES & RUE TechnologiesModel for Saving Public Money
Simulation tool to support the design of efficient promotion schemes
Developed under the EU ALTENER Programme by the consortium :
• TUWIEN (Haas) (AT)
• FHG (DE)
• AGH & FEWE (PL) RISOE (DK)
• CEEETA (PT)
• ACE (UK)
• DuTh (GR)
Coal boilers
Straw boilers Coal stoves
Takie subsydia w wysokości 40%
do typowej inwestycji instalacji kotła o mocy 20-40 kW
wyniosłyby około 2000 EUR/gospodarstwo
co daje
(gdyby wykorzystać biomasę potrzebną dla tych 10 TWh „zielonej energii):
2000 EUR x 150 000 sztuk = 300 mln EUR
TYLKO !!
Jest to mniej niŜ 700 mln, które w ramach „ukrytych subsydiów”
poniosą konsumenci energii elektrycznej
w jednym zaledwie roku
W czasie 20 lat eksploatacji kotła, subsydia te wyniosłyby
20 x 700mln = 14 bln EUR(!) co jest odpowiednią liczbą do porównania
tzn.
za około 2% !!!sumy tych „ukrytych subsydiów”
odniesiemy taki sam efekt
(w rzeczywistości większy)
redukcji emisji gazów cieplarnianych
dodatkowo działania te spowodują:utworzenie miejsc pracy w regionie
pobudzenie lokalnej gospodarki
poprawę jakości Ŝycia ludności
poprawę jakości lokalnego środowiska naturalnego
High investment costsHigh investment costs –– howhow toto remedyremedy::
eeffectffect of scale +of scale + financialfinancial ssupportupport
First project in Trzcianne commune in Northeast Poland
- 41 small individual boilers (25-50 kW)
- 3 larger ones (100-300 kW)
In a single project (decreased transaction costs)
(could be scaled-up to ca. 200+ units)
Location: Chrzelice ( southern Poland )Boiler type: EKOPAL RM 30 (100 kW)Application: heating of two single-family houses
Przykłady instalacjiChrzelice 100 kW
AGH, 180 kW
prosty i efektywny kocioł grzewczy na biomasę
stanowi szansę dla Polski
oraz innych krajów
w Europie środkowo-wschodniejtakich jak np. Słowacja, Ukraina, Litwa, ...
równieŜ w północnej części Chin
słoma
wiatr
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
dCO2 (MtCO2)
0
5
10
15
20
25
30
gradient (kgCO2/€)
DziDzięękujemy za uwagkujemy za uwagęę