Biomasa kao izvor energije

mrmr..scsc. Velimir . Velimir ŠŠegon,egon,Dr.Dr.scsc. Julije Domac. Julije Domac

SadrSadržžaj predavanjaaj predavanja

1. Biomasa – što i zašto?2. Izvori biomase3. Tehnologije za pretvorbu biomase u

energiju4. Utjecaj na okoliš i održivost korištenja5. Gospodarski aspekti6. Primjeri projekata i programa

Biomasa su biorazgradivi dijelovi proizvoda, otpada i ostataka poljoprivredne proizvodnje (biljnog i životinjskog porijekla), šumarske i srodnih industrija.

Biomasa dolazi u čvrstom, tekućem (npr. biodizel, bioetanol, biometanol) i plinovitom stanju (npr. bioplin, plin iz rasplinjavanja biomase, deponijski plin).

ŠŠto je biomasa?to je biomasa?

Biomasa, Biomasa, bioenergijabioenergija,,……

Šumska biomasa

• Ostaci i otpad koji nastaju pri redovitom gospodarenju šumama, prostorno i ogrjevno drvo

• Održivo korištenje – međunarodni konsenzus (Montrealski proces, pan-europski Helsinški proces, Prijedlog iz Tarapota)

• Hrvatska: 44% pod šumama, ukupni godišnji prirast 9,6 milijuna m3

Biomasa iz drvne industrije

• Ostaci i otpad pri piljenju, brušenju, blanjanju,…

• Gorivo u vlastitim kotlovnicama, sirovina za proizvode, brikete, pelete

• Često otpad koji opterećuje poslovanje drvno-prerađivačke tvrtke

• Jeftinije i kvalitetnije gorivo od šumske biomase

Biomasa iz poljoprivrede

• Slama, kukuruzovina, oklasak, stabljike, koštice, ljuske,…

• Heterogena biomasa različitih svojstava• Niska ogrjevna vrijednost, visok udio

vlage, različite primjese (klor!)• Prešanje, baliranje, peletiranje• Danska: instalirana snaga elektrana na

ostatke žitarica 450 MW!

12 1,2

2

4

6

8

10

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0

PJ TJ/km2

GRADSKI OTPAD (OSIJEK)

POLJOPRIVREDA

ŠUMARSTVO I DRVNA INDUSTRIJA

RELATIVNI POTENCIJAL

Životinjski ostaci

• Anaerobna fermentacija (izmet – sve vrste životinja + zelena masa)

• Spaljivanje (stelja, lešine – peradarske farme)

• Bioplin (60% metana, 35% CO2 te 5% smjese vodika, dušika, amonijaka, sumporovodika, CO, kisika i vodenepare) - 26 MJ/Nm3

Energetski nasadi• Kratka ophodnja – visoki prinosi• Vrbe i topole: 10-12 t suhe tvari godišnje• Eukaliptus: 35 t suhe tvari godišnje•• Nasadi brzorastuNasadi brzorastuććih trava: 15ih trava: 15--18 t suhe 18 t suhe

tvari goditvari godiššnjenje•• KoriKorišštenje otpadnih voda, gnojiva i taloga tenje otpadnih voda, gnojiva i taloga

(vegetacijski filtri), (vegetacijski filtri), bioraznolikostbioraznolikost•• Izbjegavanje viIzbjegavanje višškova u poljoprivrednoj kova u poljoprivrednoj

proizvodnjiproizvodnji

Biomasa iz otpada• Zelena frakcija kućnog otpada• Biomasa iz parkova i vrtova s urbanih

površina• Mulj iz kolektora

otpadnih voda

Energetska vrijednost biomase• Znatna nehomogenost• Čimbenici: udio vlage i sadržaj pepela• Drvo – 8,2 do 20 MJ/kg• Biljni ostaci – 5,8 do 16,7 MJ/kg• Biodizel – 37,2 MJ/l• Etanol – 26,8 MJ/l

• 1 l nafte = 42 MJ; = 2 MJ

Prerada biomase

• Mala energetska vrijednost po jedinici mase• Transport, skladištenje, rukovanje• Zgušnjavanje (briketiranje, peletiranje)• Anaerobna i alkoholna fermentacija• Rasplinjavanje• Karbonizacija• Piroliza

Briketiranje i peletiranje

• Smanjenje volumena• Automatizacija loženja• Faze: usitnjavanje materijala, sušenje,

peletiranje (briketiranje) i hlađenjepeleta (briketa)

• Potrošnja peleta u Srednjoj Europi: 2001.= 120 000 t, 2002.= 200 000 t, 2010.= 1 000 000 t

Tehnologije za pretvorbu biomase u energiju

Primarne tehnologije:-Termokemijske pretvorbe-Biokemijske pretvorbe

Sekundarne tehnologije:-Parna i plinska turbina -Motor s unutrašnjim izgaranjem

-Stirling motori-Gorive ćelije

Proces sagorijevanja

1) Zagrijavanje i sušenje

2) Destilacija (isparavanje) hlapivih sastojaka – piroliza

3) Izgaranje hlapivih sastojaka

4) Izgaranje čvrstog ugljika

Sagorijevanje - goriva

1) Drvna biomasaRazlike u odnosu na ugljen: -udio vlage: veći i promjenjiv (svježe drvo 50-55%, ugljen 5-10%)-udio hlapivih sastojaka: znatno veći (80% za drvo, 35% za ugljen)

Posljedica: dizajn peći mora biti različit

Sagorijevanje - goriva2) Poljoprivredni ostaci-Mala energetska gustoća (J/m3) – briketi, peleti-Slama: veći udio Na, Cl, K (korozija); manja temperatura taljenja pepela (taloženje)

3) Gradski otpad-Veliki investicijski troškovi (US$ 4000/kW)-Negativna percepcija javnosti-Primarni cilj nije proizvodnja energije nego zbrinjavanje otpada!

Dizajn kotlova na drvaIzgaranje na rešetci (manji sustavi)-Pouzdana i provjerena tehnologija-Prednost: manji troškovi-Nedostatak: za vlažno gorivo neravnomjerno izgaranje (veće emisije) -Nepomična i pomična rešetka

Fluidizirani sloj (veći sustavi)-Cirkulirajući i mjehurićast (’bubbling’)-Pogodno za goriva niske gorive vrijednosti (veći udio vlage)

Rasplinjavanje

Termokemijska pretvorba na visokoj temperaturi (i do 1400 oC) uz ograničen dovod kisika

Zašto rasplinjavanje? – efikasnost proizvodnje električne energije u plinskoj turbini oko 35% (moguće i do 45%), u parnom kotlu na drva oko 20%

Glavni problem: plinske turbine vrlo osjetljive na nečistoće u plinu (čestice, para) – potrebno pročišćavanje (skupo)

Rasplinjavanje, nastavak

Sastav plina: CO, CH4, H2; svojstva ovise o:

1) dizajn uređaja za rasplinjavanje-odozgo (protustrujno)-odozdo (istostrujno)-u sloju

2) temperaturi, vlažnosti i sastavu biomase

3) sredstvu rasplinjavanja (zrak: 4-6 MJ/Nm3 ili kisik: 15-20 MJ/Nm3)

PirolizaProizvodnja tekućeg goriva (bio-ulje) – manji troškovi transporta i skladištenja

Termokemijski proces s ograničenim pristupom kisika (druga faza izgaranja i rasplinjavanja)

Složeni proces – vrlo promjenjiva svojstva bio-ulja ovisno o uvjetima i sirovini, ulje slično nafti

Znatan potencijal (npr. piroliza otpada), ali potrebna ulaganja u istraživanje i razvoj - malo primjera komercijalnih postrojenja

1) za vlažne sirovine: anaerobno truljenje –bioplin

Svojstva bioplina i ‘vrijeme vrenja’ ovise o:-temperaturi i tlaku-svojstvima materijala u digestoru

Sastav tipičnog bioplina: 60% metan, 35% CO2 i 5% smjesa raznih plinova (25-26 MJ/ Nm3)

1 krava = 1,5 m3 bioplina dnevno1 svinja = 0,7 m3 bioplina dnevno

Biokemijska pretvorba

Biokemijska pretvorba, nastavak

2) fermentacija – bioetanol

Zamjena za benzin, udio do 20% etanola u mješavini moguće bez preinaka motora

Tri osnovne sirovine:-šećer (šećerna trska)-škrob (kukuruz)-celuloza (drvo, poljoprivredni ostatak)

Biodizel• Po svojstvima (gustoća, energetska vrijednost) biodizel sličan mineralnom dizelu - moguća upotreba u svakom dizel motoru• Sirovine: biljna ulja, životinjske masti, otpadna jestiva ulja – najčešće uljana repica• Visoka viskoznost ulja – esterifikacijametanolom• Bolja mazivost - odstranjivanje sumpora i aromata iz mineralnog dizela• Cijevi za gorivo, za povrat goriva iz pumpe, brtve koje dolaze u dodir s gorivom – za nove automobile prilagođeno

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1991. 1993. 1995. 1997. 1999. 2001. 2003.

Zapadna EuropaIstočna EuropaSjeverna AmerikaAzijaSvijet ukupno

Svjetska proizvodnja u tisućama tona

Biomasa u elektroenergetskom Biomasa u elektroenergetskom sektorusektoru

Brazil, 3,5 MW

SAD, 30 kW

Biomasa u elektroenergetskom Biomasa u elektroenergetskom sektorusektoru

Biomasa u elektroenergetskom Biomasa u elektroenergetskom sektorusektoru

SAD, 50 MW

Biomasa u elektroenergetskom Biomasa u elektroenergetskom sektorusektoru

Švedska, 20 MW

Biomasa u elektroenergetskom Biomasa u elektroenergetskom sektorusektoru

Finska, 49 (167)MW

Biomasa i okoliš

Održivost korištenja• Količina koja se koristi < prirast• Potreba vraćanja organske tvari u tlo za

poljoprivrednu biomasu (koristi se do 30%)• Potreba vraćanja minerala u tlo za šumsku

biomasu (sakupljanje bez iglica i lišća, rasipanje pepela)

• Planiranje: šumska gospodarska osnova (25 + 25 godina), ostali postupci

Primjer: udio minerala u šumskoj biomasi

• 10 tona biomase po hektaru = 61 kg dušika, 113 kg kalcija, 14 kg fosfora, 14 kg kalija (ukupno 202 kg)

184 kg

18 kg

Biomasa i CO2

Biomasa je “CO2-neutralno” gorivo –fotosinteza!

Biomasa i štetne tvari

0

500

1000

1500

2000

2500

Drvo Plin Ulje za loženje Ugljen

g/MWh

SO2

0

20

40

60

80

100

120

Drvo Plin Ulje za loženje Ugljen

g/MWh

čestice

Teške kovine (Pb, Cd),Ne-metanski hlapivi organski spojevi (NMVOC),… 0

50100150200250300350400450

Drvo Plin Ulje za loženje Ugljen

g/MWh

NOx

Biomasa i zaštita voda• Biološki filtri• Biorazgradivost (95% u 28 dana)• Korištenja biogoriva u vodopropusnim

područjima (krš!), građevinarstvu, šumarstvu, posebno zaštićenim područjima

• “Čisti” pepeo

Biomasa i bioraznolikost• Energetski nasadi i šume – stanište za

ptice i male sisavce• Izbjegavanje monokulturne

poljoprivredne proizvodnje• Smanjena uporaba herbicida,

pesticida i umjetnih gnojiva• Zadržavanje tla i

sprečavanje erozije

Gospodarski aspekti

• Cijena biomase• Investicijski troškovi u postrojenja i

opremu• Makroekonomska bilanca• Socijalno-ekononomski aspekti• Vanjski troškovi ili Gdje povući granicu?

Cijena biomase

• Jeftino gorivo – niska ili zanemariva otkupna cijena

• Znatan utjecaj izvlačenja, prerade, transporta

• Cijena biomase za grijanje i proizvodnju električne energije konkurentna fosilnim gorivima

• Cijena etanola na granici konkurentnosti• Cijena biodizela dvostruko skuplja

Investicije u bioenerganeStruktura troškova bioenergane 5-50 MWt:• Kotao sa pratećom strojarskom

opremom - 25%• Strojarska oprema kotlovnice - 30%• Mjerenje, regulacija i el. instalacije - 15%• Zgrada kotlovnice - 15% • Infrastruktura energane - 5% • Građevinski radovi 10%

Elektrane na biomasu

Tehnologija Efikasnost (%)

Investicija (USD/kWe)

Motor s unutrašnjim izgaranjem

25-30 800-1200

Parna turbina 15-35 1700-4800

Plinski motor 10-25 700-2000

Stirling motor 20-30 1000-4800

Mikro turbina 20-30 1000-1300

Troškovi uslijed cijelog energetskog lanca po kWh (UK)

0

1

2

3

4

5

6

Ugljen Nafta Plin Nuklearneelektrane

Vjetar Biomasa

Globalno zagrijavanje

Buka

Usjevi

Zdravlje zaposlenika

Javno zdravlje

Euro

cen

t

Biomasa i zapoBiomasa i zapoššljavanjeljavanje

Tehnologije 2005. 2010. 2020.Bioplin 37 223 70 168 120 285Izgaranje 15 640 27 582 37 271Rasplinjavanje 78 524 96 026 117 151Biogoriva 10 900 32 369 48 709Brzorastući nasadi 33 527 56 472 79 223Šumski ostaci 133 291 139 421 147 170Poljoprivredni otpad 140 823 220 645 288 971Ukupno 449 928 642 683 838 780

Primjeri korištenja biomase

Korištenje biomase u Hrvatskoj

Hrvatska - danas

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1965 1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995

PJ OstaloDrvni otpadOgrjevno drvo

Udio u ukupnoj potrošnji energije 1965. 24,8% 1970. 14,1% 1975. 11,2% 1980. 7,6% 1985. 6,2% 1990. 5,6% 1995. 4,2%

Hrvatska - sutra2030. godina:• 39,0 – 60,2 PJ• 5,8 – 10,8 % ukupne

potrošnje energijeNačin korištenja!

•• Snaga kotla na biomasu: 1 MWSnaga kotla na biomasu: 1 MW•• Gorivo: drvna sjeGorivo: drvna sječčkaka•• Grijani objekti: Zgrada UGrijani objekti: Zgrada UŠŠP GospiP Gospićć, ,

osnovna osnovna šškola, gimnazija i srednja kola, gimnazija i srednja šškola, kola, sportska dvorana, dom kulturesportska dvorana, dom kulture

•• Nositelj projekta: Hrvatske Nositelj projekta: Hrvatske ššume d.o.o.ume d.o.o.•• Rezultati: Rezultati:

–– smanjenje potrosmanjenje potroššnje lonje ložž ulja za 304.000 l/god, ulja za 304.000 l/god, –– smanjenje emisija CO2 za 880 t/godsmanjenje emisija CO2 za 880 t/god–– cijena grijanja na biomasu manja za 10%cijena grijanja na biomasu manja za 10%

Centralizirani toplinski Centralizirani toplinski sustav na biomasu Gospisustav na biomasu Gospićć

•Privatna tvrtka s 100 zaposlenih, osnovna djelatnost proizvodi od trske i šibe•Diverzifikacija poslovanja (stabilnost): pokretanje proizvodnje biodizela•U siječnju 2006. dozvola za sakupljanje otpadnih ulja i masti•Dovršenje izgradnje i početak probnog pogona u listopadu 2006.•Sakupljanje ulja na 3000 mjesta u cijeloj Hrvatskoj•Kapacitet 560.000 l/mjesečno, trenutno 30%

VitrexVitrex d.o.o. d.o.o. –– biodizelbiodizel iz iz otpadnog jestivog uljaotpadnog jestivog ulja

Graz – biodizel iz otpadnog jestivog ulja

120 autobusa: smanjenje štetnih

emisija

Sakupljanje ulja• 250 restorana

• kućanstva

Esterifikacija: biodizel

Otpadno jestivo ulje: problemi čišćenja kanalizacije

• 2002: 12,5 milijardi litara etanola (40% svjetske proizvodnje)

• Udio etanola u ukupnoj potrošnji benzina za promet: 57% (1988.), 40% (1997.)

• Troškovi proizvodnje: 0,16 US$/l

• 1.000.000 l etanola: 38 radnih mjesta

• 1.000.000 l benzina: 0,6 radnih mjesta

BioetanolBioetanol -- BrazilBrazil

• Vaxjo – grad u južnom dijelu Švedske, 70.000 stanovnika • Jedan od 100 Europskih naselja koji do 2010. namjeravaju potpuno preći na obnovljive izvore energije• 1996.: Gradsko poglavarstvo odlučilo prestati s korištenjem fosilnih goriva za vlastite aktivnosti• Biomasa – za područno grijanje i transport• Za uspješnost projekta nužna suradnja svih zainteresiranih strana – Sveučilište, industrija, nevladine udruge, građani

Grad Grad VaxjoVaxjo, , ŠŠvedskavedska

Sustavi podruSustavi područčnog grijanja nog grijanja na biomasu na biomasu -- ŠŠtajerskatajerska

• Toplinski sustavi za manja naselja: 50-300 kW • Ukupno instalirano 11 MW (110 postrojenja), drvna sječka (wood chips) ili peleti• Ključ uspjeha:

– Ulagači: lokalni mali vlasnici šuma – sigurnost opskrbe!

– Regionalne energetske agencije – promocija, obrazovanje javnosti i stručnjaka

– Subvencije: do 50% investicija

Varnamo, Švedska: • rasplinjavanje drva - fluidizirani sloj• kogeneracija: 6 MWe, 9 MWth (područno grijanje)• u pogonu od 1996., prva u svijetu

ARBRE, UK: • 8 MWe, u pogonu od 1999.• godišnje 39.000 t drva, pretežno iz brzorastućih nasada

Oba postrojenja demonstracijska – komercijalno 35-70 MWe

BIGCC (BIGCC (BiomassBiomass IntegratedIntegratedGassificationGassification CombinedCombined CycleCycle))

• Toplana za područno grijanje - 460 MW

• U centru Beča!!!

• Godišnje oko 250.000 t otpada (cca 50.000 kamiona)

• Dizajn – turistička atrakcija

Spalionica otpada Spalionica otpada SpittelauSpittelau -- BeBečč