Untitled - Adam

Alternatywne źródła energii na obszarach wiejskich
Instytut Zootechniki - Państwowy Instytut Badawczy
Dyrektor Instytutu Zootechniki PIB
Prof. dr hab. Eugeniusz Herbut
Opracowano w ramach realizacji projektu RUBIGAS - Agrobiogas as an alternative source of energy in rural areas, 2013-1-PL1-LEO05-37532
Autorzy:
Instytut Zootechniki PIB: Piotr M. Mikosz, Maciej Dymacz, Krzysztof Paleczny, Piotr Moskała, Paweł Radomski
Slovak University of Agriculture: Zuzana Palkova
Comunitatea Pentru Invatarea Permanenta: Rodica Pana, Andreea Micu,
Zemedelski Institute - Stara Zagora: Jivko Krastanov, Teodora Angelova, Staika Laleva, Yovka Popova
G. G. Eurosuccess Consulting LTD: Giorgos Giorgakis, Masha Ivanovic
ISBN
Spis treści:
ENERGIA ODNAWIALNA - INFORMACJE OGÓLNE
5
ENERGIA Z BIOMASY
14
ENERGIA Z BIOGAZU ROLNICZEGO
45
ENERGIA GEOTERMALNA
74
ENERGIA SŁONECZNA
88
ENERGIA WIATROWA
103
ENERGIA WODNA
119
ENERGIA ODNAWIALNA
INFORMACJE OGÓLNE
1. Czym są odnawialne źródła energii?
Według definicji podanej przez Komisję Europejską określenie „odnawialne źródła energii” (OZE) oznacza odnawialne, niekopalne źródła energii (energia
wiatru, energia słoneczna, energia geotermalna, energia fal, pływów morskich, hydroenergia, energia pozyskiwana z biomasy, gazu wysypiskowego, gazu
pochodzącego z oczyszczalni ścieków i biogazów).
Ministerstwo Gospodarki informuje, że energia odnawialna jest to energia uzyskiwana z naturalnych, powtarzających się procesów przyrodniczych.
Odnawialne źródła energii stanowią alternatywę dla tradycyjnych pierwotnych nieodnawialnych nośników energii (paliw kopalnych). Ich zasoby uzupełniają
się w naturalnych procesach, co praktycznie pozwala traktować je jako niewyczerpalne. W warunkach krajowych energia ze źródeł odnawialnych obejmuje
energię z bezpośredniego wykorzystania promieniowania słonecznego (przetwarzanego na ciepło lub energię elektryczną), wiatru, zasobów geotermalnych
(z wnętrza Ziemi), wodnych, stałej biomasy, biogazu i biopaliw ciekłych. Pozyskiwanie energii z tych źródeł jest, w porównaniu do źródeł tradycyjnych
(kopalnych), bardziej przyjazne środowisku naturalnemu. Wykorzystywanie OZE w znacznym stopniu zmniejsza szkodliwe oddziaływanie energetyki na
środowisko naturalne, głównie poprzez ograniczenie emisji szkodliwych substancji, zwłaszcza gazów cieplarnianych.
Realizując politykę europejską Polska wdraża zapisy zawarte m.in. w dyrektywie Parlamentu Europejskiego 2009/28/WE, która określa obowiązkowe krajowe
cele ogólne i środki w zakresie stosowania energii ze źródeł odnawialnych. Dyrektywa mówi, że każde państwo członkowskie dba o to, aby jego udział energii
ze źródeł odnawialnych, (…) w końcowym zużyciu energii brutto w 2020 r. odpowiadał co najmniej jego krajowemu celowi ogólnemu dla udziału energii ze
źródeł odnawialnych. Obowiązkowe krajowe cele ogólne są zgodne z celem zakładającym 20 % udział energii ze źródeł odnawialnych w końcowym
zużyciu energii brutto we Wspólnocie w 2020 r.
Dla Polski docelowy udział energii ze źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto w 2020 r. wynosi 15%.
Unia Europejska zwraca uwagę, że kontrola zużycia energii w Europie oraz zwiększone stosowanie energii ze źródeł odnawialnych wraz z oszczędnością
energii i zwiększoną efektywnością energetyczną stanowią istotne elementy pakietu środków koniecznych do redukcji emisji gazów cieplarnianych
i spełnienia postanowień Protokołu z Kioto. Aby łatwiej osiągnąć cele krajowe i w efekcie 20% udział OZE w zużyciu energii w 2020 r. każde państwo
członkowskie promuje wydajność i oszczędność energetyczną i do nich zachęca.
Udział odnawialnych źródeł energii w produkcji energii elektrycznej w Polsce
2. O energii
2.1 Energia
Energia jest to zdolność systemu do wykonywania pracy.
Zgodnie z równaniem Einstein’a E=mc2 energia jest równa masie. Energia
jest przenoszona nie tylko przez masę, ale również przez pola magnetyczne.
Bezpośrednia konwersja jednej formy energii w drugą jest możliwa, ale nie
zawsze.
Źródła energii
Energia nuklearna – jest uwalniania w trakcie rozszczepiania jąder pierwiastków ciężkich lub wiązania jąder pierwiastków lekkich. Obecnie najbardziej
praktyczne w zastosowaniu są pierwiastki ciężkie (U, Th, Pu) w połączeniu z lekkimi pierwiastkami (H, D, T, zgodnie z prognozami przewidującymi
opanowanie reakcja termojądrowych).
Energia chemiczna - energia zawarta we wiązaniach chemicznych pomiędzy atomami i molekułami, która jest uwalniana w wyniku przegrupowania
w chmurach elektronowych atomów. Typowym przykładem tej formy energii są paliwa kopalne.
Energia mechaniczna – energia poruszających się ciał lub indywidualnych cząsteczek. Przykłady tego rodzaju energii obejmują energię kinetyczną
przenoszoną przez wiatr i wodę.
Energia cieplna – energia wytwarzana przez chaotyczny ruch atomów i cząsteczek w masie fizycznej. Zgodnie z prawami termodynamiki, spontaniczna
wymiana ciepła odbywa się jedynie od ciała cieplejszego do zimniejszego.
Energia elektryczna - zazwyczaj przenoszona przez pola elektromagnetyczne w związku z ruchem elektronów przewodzących w przewodach. Dlatego
energia elektryczna jest szczególnie odpowiednia do transmisji i dystrybucji energii do użytkowników. Jest ona nośnikiem energii. Wadą tej postaci energia
jest brak możliwości jej efektywnego przechowywania, może ona jednak być przekształcane w inne rodzaje energii.
Podział źródeł energii ze względu na ich odnawialność
a) Odnawialne źródła energii – potencjał energetyczny jest stale uzupełniany przez procesy naturalne lub przez działalność człowieka. Źródła te obejmują
energię słoneczną, energię wiatru, energię wodną, energię oceanów i energię z biomasy.
b) Nieodnawialne źródła energii - zasoby stopniowo wyczerpują się poprzez ich wykorzystywanie. Obejmują paliwa kopalne i paliwa jądrowe.
Podział źródeł energii ze względu na pozycję w łańcuchu konwersji
a) Pierwotne źródła energii występują w naturze. Obejmą paliwa kopalne i paliwa jądrowe, energię słoneczną, energię wiatru, energię wodną i geotermalną.
b) Wtórne źródła energii są to źródła energii uzyskane w wyniku konwersji źródeł pierwotnych. Na przykład ciepło wygenerowane w wyniku spalania węgla
(źródło energii pierwotnej) jest wykorzystywane, jako wtórne źródło energii.
Podział źródeł energii ze względu na zakres zastosowań
a) Konwencjonalne (tradycyjne) źródła energii są powszechnie wykorzystywane w praktyce. Obejmują paliwa kopalne i paliwa jądrowe oraz energię wodną.
b) Niekonwencjonalne źródła energii. Te źródła energii nie są jeszcze powszechnie stosowane. Odpowiednie technologie służące do ich praktycznego
zastosowania szybko się rozwijają lub są obecnie w trakcie weryfikacji. Źródła te obejmują energię słoneczną, energię wiatru, energię oceanów, energię
geotermalną, energię z biomasy i energię pozyskaną poprzez syntezę termojądrową.
2.2 Odnawialne źródła energii – znaczenie i podział
Energia, która pochodzi ze źródeł odnawialnych jest również znana, jako zielona energia. Jej zastosowanie ma szereg zalet:
• bezpieczna eksploatacja, wszechobecność i odnawialność,
• zmniejszenie uzależnienia od tradycyjnych, nieodnawialnych
źródeł energii
• mniejsze zanieczyszczenie środowiska,
• ograniczenie produkcji CO2 i innych gazów cieplarnianych,
• rozwój nowych technologii (nowe miejsca pracy w rozwijającym się
obszarze).
Odnawialne źródła energii służące do wytwarzania energii elektrycznej
obejmują następujące formy energii:
• Energia słoneczna:
 fotowoltaiczne kolektory słoneczne,
 kolektory termosłoneczne.
• Energia wiatrowa:
 konwencjonalna,
 turbiny do produkcji energii elektrycznej.
• Energia wodna:
 energia przepływu wody,
 energia fal,
 energia strumieni wodnych,
 energia pływów morskich.
• Energia geotermalna:
 do celów grzewczych,
 do produkcji energii elektrycznej.
Potencjał energii odnawialnej świata (http://earthtrends.wri.org/updates/node/149)
• Biomasa (biogaz):
 do celów grzewczych,
 do produkcji energii elektrycznej.
Odnawialne źródła energii mogą być używane:
• do produkcji energii elektrycznej.
• do celów grzewczych,
• w transporcie, jako paliwo.
Do odnawialnych źródeł energii, które nie produkują CO2 należy również biomasa, ponieważ w trakcie spalania biomasy wydzielana jest do atmosfery ta
sama ilość CO2 , co ilość, która jest absorbowana w trakcie wzrostu materiału biologicznego.
Dlatego biorąc pod uwagę emisję CO2 biomasę uważa się za neutralną.
2.3 Produkcja energii elektrycznej
1
Reguły dotyczące energii elektrycznej
Źródła prądu zmiennego nazywamy generatorami prądu zmiennego.
3
Wytwarzanie energii elektrycznej - przetwarzanie energii w elektrowni
2
Produkcja energii elektrycznej opiera się na transformacji energii. Konwersja energii jest
niezbędna, ponieważ energia elektryczna, która mogłaby zostać wykorzystana w sposób
bezpośredni zasadniczo nie występuje w przyrodzie.
Transformacja (konwersja) energii może być:
• jednopoziomowa
• wielopoziomowa.
1
Energia elektryczna jest wytwarzana w elektrowniach. Elektrownia jest producentem energii
elektrycznej. Sieć elektroenergetyczna obejmuje urządzenia do produkcji, dystrybucji i konsumpcji
energii elektrycznej. Elektrownia to każda jednostka, w której odbywa się konwersja
(transformacja) energii elektrycznej z innego rodzaju energii. Energia elektryczna jest szczególnie
interesująca ze względu na swoje właściwości. Charakteryzuje się tym, że może ona być
stosunkowo łatwo przenoszona na duże odległości, może być wykorzystana do przekształcenia w
inne pożądane źródła energii (światło, ciepło, fale elektromagnetyczne, itp.). Uważa się ją za
najważniejszą i najwyższą jakościowo formę energii.
Pierwotne źródło
energii
Elektrownia
1. nieruchomy element (stojan) alternatora
2. obracająca się cewka (wirnik) alternatora
3. obracanie się cewki w stałym polu magnetycznym wytwarza
siłę elektromagnetyczną. Jeśli obwód jest zamknięty, siła ta
wywoła okresowo zmienny prąd elektryczny - prąd zmienny.
Energia elektryczna
Absorbent - Substancja zdolna do absorbowania innej substancji z roztworu, zawiesiny lub gazowej mieszaniny i tworzenia z nich substancji jednorodnej.
Absorpcyjny układ chłodniczy – odwrócony obieg Rankine’a, w którym para jest absorbowana przez ciecz pompowaną pod wysokim ciśnieniem.
Kąt wysokości słońca – opisuje wysokość słońca na niebie. Kąt jest mierzony pomiędzy umowną linią między obserwatorem a słońcem i płaszczyzną
poziomą, na której stoi obserwator. Kąt wysokości jest obliczany w następujący sposób: sin (ALT) = [cos (L).cos (D).cos (H)]+[sin (L).sin (D)]
Gdzie: ALT - Kąt wysokości słońca, L – Szerokość geograficzna, D – Deklinacja, H – Kąt godzinny
Rozkład beztlenowy - odbywa się w warunkach beztlenowych i w jego wyniku wytwarzany jest łatwopalny metan.
Śruba Archimedesa – Śruba Archimedesa jest to silnik wodny, kojarzony z greckim matematykiem Archimedesem. Składa się on z dużej spiralnej śruby
obracającej się wewnątrz dopasowanego cylindra. Najniższa część śruby jest zanurzona w wodzie, a kiedy się obraca niewielka ilość wody jest zagarniana
do góry. Śruba jest używana do pobierania wody do nawadniania w delcie Nilu w Egipcie i jest często używana do zagarniania zboża w młynach.
Równonoc jesienna - gdy słońce znajduje się pionowo nad równikiem. Na ziemi ma ona miejsce dnia 23 września. W rezultacie, czasy trwania dnia i nocy
są równe.
Kąt azymutu słońca – jest to część pozioma jaką tworzy bezpośredni promień słońca i południe prawdziwe na półkuli północnej.
Biodiesel - proces wytwarzania biodiesla jest znany jako transestryfikacja i polega na dodaniu metanolu do oleju roślinnego.
Bioetanol – alkohol pitny, aktywny składnik piwa, wina i napojów spirytusowych.
Biomasa – rośliny uprawne lub odpady organiczne (w tym gnojowica i ścieki).
Wartość kaloryczna - wartość kaloryczna substancji palnych to ciepło wytwarzane podczas całkowitego spalenia 1 kg tej substancji (znana również jako
ciepło spalania lub wartość opałowa w przypadku paliwa).
Obieg węgla – cykliczny łańcuch wydarzeń, w którym następuje wymiana węgla pomiędzy zwierzętami i roślinami a środowiskiem.
Cykl Carnota - fikcyjny idealny obieg złożony z odwracalnych adiabatycznych (izentropowych) i izotermicznych procesów sprężania i rozprężania. Ponieważ
całe dostarczone ciepło netto jest konwertowane na pracę, cykl ten daje maksymalną możliwą wydajność pracy dla systemu działającego pomiędzy dwoma
zbiornikami o różnych temperaturach.
Kogeneracja – występuje kiedy wykorzystuje się ciepło odpadowe z produkcji energii.
Kogeneracja i chłodzenie – jeśli część wyprodukowanej energii zasila układ chłodzący.
Energia chemiczna - energia w układach chemicznych.
Kąt deklinacji słońca – kątowe przemieszczenie się słońca z płaszczyzny równika ziemi.
Elektrochemiczne magazyny energii – obejmują baterie i akumulatory.
Magazynowanie energii - akumulatory energii obejmują układy mechaniczne, chemiczne, elektrochemiczne lub termiczne.
Entropia – miara nieuporządkowania układu.
Etanol - alkohol pitny, aktywny składnik piwa, wina i napojów spirytusowych.
Egzergia – jakość energii. Maksymalna ilość energii użytecznej uzyskiwanej w procesie przetwarzania energii.
Egzergia ciepła - część ciepła, która zostanie przekształcona na pracę (dostępna energia lub dostępność termodynamiczna) w idealnym cyklu Carnota
działającym pomiędzy temperaturą źródła ciepła a temperaturą otoczenia.
Pierwsze prawo termodynamiki - energia i materiały są zawsze zachowane, nie mogą być ani wytworzone, ani zniszczone, mogą być jedynie
przekonwertowane z jednego stanu lub formy do drugiego.
Turbina Francisa - typ turbiny wodnej, silnik rotacyjny, który pobiera energię z ruchu wody. Jest to turbina reagująca na przepływ wody, łączy ona koncepcje
promieniowe i osiowe. Turbina Francisa została opracowana przez Jamesa B. Francisa w XIX wieku i była szeroko stosowana do wytwarzania prądu
przemysłowego przed sieciami elektrycznymi.
Ogniwa paliwowe - wykorzystanie paliwa i powietrza do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła bez stosowania spalania. Mogą one korzystać z różnych
źródeł paliwa, w tym z gazu ziemnego, metanu, gazu koksowniczego lub gazu składowiskowego.
Pompa ciepła - urządzenie, które dostarcza energię cieplną ze źródła ciepła (ziemi, wody, powietrza lub ciepła odpadowego). Pompy ciepła są
zaprojektowane tak, aby przenosić energię cieplną w kierunku przeciwnym do kierunku spontanicznego przepływu ciepła poprzez absorbowanie ciepła z
zimnej powierzchni i uwalnianie go na powierzchnię cieplejszą.
Kąt godzinny – kątowe przemieszczenie się słońca z jego pozycji na płaszczyźnie równika (wyrażany w godzinach, 1h = 15°).
Hydroliza - podział substancji poprzez interakcję z wodą, w wyniku którego powstaje wodór.
Turbina Kaplana - turbina Kaplana to silnik wodny wykorzystujący turbinę reagującą na przepływ wody, co oznacza, że ciecz robocza zmienia swoje
ciśnienie w miarę przemieszczania się przez turbinę i daje jej energię. Projekt łączy w sobie cechy promieniowe i osiowe.
Skala Kelvina - Termodynamiczna (absolutna) skala temperatury. Została ona opracowana przez irlandzkiego fizyka i inżyniera Williama Thomsona, lorda
Kelvina (1824/07). Punkt zerowy tej skali jest równoważny -273,15° w skali Celsjusza. Punkt ten jest uważany najniższą możliwą temperaturę we
wszechświecie. Dlatego też skala Kelvina jest znana również, jako bezwzględna skala temperatury.
Prawa Termodynamiki – Zerowe, Pierwsze, Drugie i Trzecie Prawo Termodynamiki.
Mechaniczne systemy magazynowania - obejmują przechowywanie energii kinetycznej w kołach zamachowych, przechowywanie pompowanej cieczy i
przechowywanie skompresowanego gazu.
Wartość opałowa paliwa – obliczana gdy woda w produktach spalania znajduje się w postaci pary.
Osmoza - przejście czystej wody i roztworów soli przez półprzepuszczalną membranę.
Pasywne wykorzystanie energii słonecznej – obejmuje pewne cechy budynków, które pozwalają na odniesienie maksymalnych korzyści z energii
słonecznej przez środowisko wewnętrzne. Cechy te dotyczą rodzaju przeszklenia, ścian, dachów i zależą od orientacji budynku.
Turbina Peltona – wodna turbina impulsowa. Woda jest przenoszona przez dysze na łopatki turbiny.
Fotosynteza – konwersja dwutlenku węgla i wody do węglowodanów prostych i tlenu za pomocą promieniowania słonecznego absorbowanego przez
chlorofil roślinny; 12H2O + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O.
Systemy fotowoltaiczne - Baterie słoneczne działające na zasadzie efektu fotoelektrycznego, dzięki któremu światło padające na specjalnie przygotowaną
granicę określonych par substancji wywołuje różnicę potencjałów.
Statyczna rurka Pitota - Urządzenie do pomiaru prędkości wiatru lub wody.
Proces Politropowy - P.Vn = const.
Energia potencjalna – energia związana z wysokością.
Moc – energia mechaniczna zużyta w jednostce czasu. Tempo wykonywanej pracy.
Energia ciśnienia - energia związana z ciśnieniem.
Piroliza – fizyczny i chemiczny rozkład odpadów spowodowany przez podgrzewanie odpadów w wysokiej temperaturze przy ograniczonym dostępie tlenu
(czyli w warunkach próżniowych).
Pyranometr - urządzenie do pomiaru strumienia promieniowania.
Obieg Rankine’a – ciepło na pracę. Jest to proces, w którym gotuje się płyn, aby uzyskać parę pod wysokim ciśnieniem, która jest doprowadzona do
urządzenia, które w trakcie rozprężania wykonuje pracę. Para pod niższym ciśnieniem skrapla się następnie poprzez jej ochłodzenie, a otrzymana ciecz jest
pompowana pod wysokim ciśnieniem do kotła, kończąc cykl.
Oddychanie - proces, w którym tlen jest transportowany z płuc zwierząt do mięśni przez hemoglobinę we krwi. Węglowodany utleniają się, tworząc
dwutlenek węgla, który jest transportowany z powrotem do płuc, by zostać uwolnionym do atmosfery.
Absorber selektywny - materiał, który dobrze absorbuje promieniowanie fal krótkich, ale słabo emituje dłuższe fale.
Drugie Prawo Termodynamiki – stanowi, że niemożliwe jest stworzenie systemu cyklicznego, którego jedynym skutkiem byłoby pobranie pewnej ilości
ciepła ze źródła i zamiana go w równoważną ilość pracy.
Równonoc wiosenna – czas, w którym słońce znajduje się pionowo nad równikiem na wiosnę. Czasy trwania dnia i nocy są równe.
Przesilenie letnie – czas, w którym słońce znajduje się najdalej od równika, tj. na szerokości zwrotnika Raka, w lecie na półkuli północnej.
Energia cieplna – energia, która powstaje w wyniku wymiany ciepła.
Zwrotnik Raka – szerokość geograficzna + 23°30' N.
Termodynamika - dotyczy sposobu, w jaki zachowują się substancje kiedy są ogrzewane, chłodzone, rozprężane lub kompresowane. W szczególności
dotyczy relacji między ciepłem, pracą i innymi formami energii.
Trzecie Prawo Termodynamiki - entropia substancji osiąga zero, kiedy jego termodynamiczna temperatura zbliża się do zera w skali Kelvina.
Całkowita energia - suma energii potencjalnej, energii kinetycznej, energii ciśnienia, energii chemicznej i energii cieplnej w systemie.
Anemometr - urządzenie do pomiaru prędkości wiatru i wody.
Silnik wiatrowy – wiatraki lub turbiny wiatrowe o poziomej lub pionowej osi obrotu.
Przesilenie zimowe - czas, w którym słońce znajduje się najdalej od równika, tj. na szerokości zwrotnika Koziorożca, w zimie na półkuli północnej
Zerowe Prawo Termodynamiki – jeśli dwie substancje są w równowadze z trzecią substancją, wtedy wszystkie te substancje są w równowadze ze sobą.
ENERGIA Z BIOMASY
1. Zasady pozyskiwania energii zawartej w biomasie
Wytwarzanie energii z biomasy jest jedną z najstarszych technologii pozyskiwania energii stosowanych przez człowieka. Biomasę wykorzystuje się do
wytwarzania ciepła i światła od czasu epoki kamienia i przez ponad 400 000 lat była ona głównym źródłem energii. Straciła przywództwo dopiero w
momencie pojawienia się paliw kopalnych i energii elektrycznej.
Biomasa to materiał biologiczny, występujący w stanie dzikim lub wytwarzany przez człowieka, który można wykorzystać do produkcji energii. Jest to energia
słoneczna przechwycona przez rośliny w procesie fotosyntezy, przekształcona w materię organiczną. Zarówno drewno, rośliny, jak i odpady rolnicze, w tym
odchody zwierząt hodowlanych, mogą być źródłem użytecznych form energii:
• elektrycznej,
• cieplnej,
• paliw płynnych dla pojazdów samochodowych.
Biomasa jest jednym z najważniejszych źródeł energii odnawialnej, stanowi ona również rodzime źródło energii, dzięki czemu można dokładnie określić, jaka
będzie w przyszłości wielkość produkcji oraz cena paliwa.
Biomasa to materiał biologiczny pochodzący z żyjących lub niedawno obumarłych organizmów. Najczęściej odnosi się ona do roślin lub materiałów
pochodzenia roślinnego, które nazywane są biomasą lignocelulozową. Jako źródło energii, biomasa może być bezpośrednio wykorzystana do produkcji
ciepła poprzez proces spalania lub pośrednio poprzez jej konwersję do różnych form biopaliwa. Konwersji biomasy na biopaliwo można dokonać na różne
sposoby, które dzielą się na: metody termiczne, chemiczne i biochemiczne. Biomasa może zostać przekształcona na inne użyteczne formy energii, takie jak
gaz metanowy lub paliwa transportowe, takie jak etanol i biodiesel. Gnijące śmieci oraz odpady rolnicze i odpady pochodzenia ludzkiego uwalniają metan
zwany również „gazem wysypiskowym” lub „biogazem". Rośliny uprawne, takie jak kukurydza i trzcina cukrowa, ulegają fermentacji, w wyniku której
otrzymuje się paliwo transportowe, etanol. Biodiesel, kolejne paliwo transportowe, produkowany jest z resztek produktów spożywczych, takich jak oleje
roślinne i tłuszcze zwierzęce. Ponadto, prowadzone są badania nad produkcją płynnych biopaliw z biomasy (ang. Biomass to liquids - BTLs) oraz etanolem
celulozowym.
1.1. Typy Biomasy
Zgodnie z nową dyrektywą UE dotyczącą odnawialnych źródeł energii, „biomasa” oznacza ulegającą biodegradacji frakcję produktów, odpadów i pozostałości
z produkcji rolnej (w tym substancje pochodzenia roślinnego i zwierzęcego), leśnej i powiązanych gałęzi przemysłu, w tym rybołówstwa i akwakultury, a także
ulegającą biodegradacji frakcję odpadów przemysłowych i komunalnych. Biomasa obejmuje wiele różnorodnych surowców, takich jak drewno, uprawy rolne,
produkty uboczne obróbki drewna, wyroby przemysłu rolniczego i leśnego, obornik i organiczna frakcja odpadów.
Zasoby wiejskie:
Odpady leśne i odpady drewna
Resztki pożniwne
Uprawy energetyczne
Biogaz z obornika/Hodowla Zwierząt
Zasoby miejskie:
Miejskie odpady drewna
Gaz wysypiskowy
Biogaz z oczyszczalni ścieków
Odpady z przetwórstwa spożywczego
http://www.epa.gov/chp/documents/biomass_chp_catalog_part3.pdf
Odpady leśne
Odpady leśne definiuje się jako biomasa pozostała w lasach, które zostały wycięte w
celu pozyskania drewna, i są prawie identyczne pod względem składu z przecinkami
leśnymi. Ponieważ w tartakach i innych zakładach przetwórczych można używać
tylko drewna o określonej jakości, odpady leśne stanowią pozostałości po wyrębie
lasów. Odpady leśne obejmują odpady zrębowe, nadmiar drzewek o małych pniach
lub szorstkie i zgniłe martwe drewno. Odpady te mogą zostać zebrane po
zakończonym wyrębie i wykorzystywane do celów energetycznych. Odpady leśne
zwykle pozostawiane są w lasach lub spalane w ramach programów gospodarki leśnej
Hodowla Zwierząt
Obornik
Biogaz uzyskiwany jest w ramach produkcji zwierzęcej w procesie fermentacji beztlenowej zachodzącym w
fermentorze. W produkcji zwierzęcej fermentacja beztlenowa stosowana jest, by zredukować poziom odoru
i patogenów oraz skutecznie oddzielić frakcję stałą gnojowicy od płynnej, by móc, odpowiednio, wykorzystać ją, jako
nawóz na pola uprawne lub wodę nawadniającą. Komory fermentacyjne służące do odzysku energii zostały
zaprojektowane, by optymalizować produkcję biogazu z rozkładającego się obornika. Biogaz pochodzący
z fermentacji obornika zazwyczaj zawiera od 60 do 80 procent metanu, w zależności od gatunku zwierzęcia
i systemu zbierania odchodów, w wyniku czego uzysk energii wynosi od około 600 do 800 Btu na standardową
stopę sześcienną (scf). Resztę biogazu stanowi CO2 i śladowe ilości siarkowodoru.
Pomiot Ptasi
Obornik drobiowy to składające się z odchodów drobiowych i moczu odpady organiczne. Pomiot ptasi odnosi się do nawozu zmieszanego ze ściółką (wióry i
trociny) i piórami. Jego wartość opałowa wynosi 9-15GJ/tonę, co jest wartością nieco niższą niż wartość opałowa drewna. Zawartość wilgoci wynosi 20-50%
w zależności od metod hodowlanych stosowanych przez rolników.
Hodowla Bydła
Techniki hodowli bydła znacząco wpływają na ilość i jakość obornika, który można dostarczyć do systemu fermentacji beztlenowej. Liczba krów,
pomieszczenia dla zwierząt, transport i wyścielenie stosowane w gospodarstwach determinują ilość obornika, a tym samym ilość wytworzonej energii. Istnieją
różne typy budynków hodowlanych. Najczęściej stosowane są systemy wolnostanowiskowe, zagrody z betonowymi korytarzami paszowymi i systemy
wolnowybiegowe. Rodzaj pomieszczenia determinuje ilość i jakość obornika, który może być zgromadzony.
Powszechnie stosowane metody gromadzenia odchodów obejmują spłukiwanie, stosowanie szufli oraz metody próżniowe.
Hodowla Owiec
Obornik owczy, podobnie jak inne nawozy zwierzęce, jest naturalnym nawozem o spowolnionym działaniu.
Składniki odżywcze w oborniku owczym stanowią odpowiedni nawóz ogrodowy bogaty w fosfor i potas, które
są pierwiastkami istotnymi dla prawidłowego rozwoju rośliny. Obornik owczy może być również używany, jako
mulcz organiczny. Ze względu na niski poziom odoru, obornik owczy może być z łatwością wykorzystany,
jako warstwa wierzchnia na rabatki ogrodowe.
Hodowla Świń
Odchody świńskie były w przeszłości używane, jako nawóz stały rozprowadzany przez pasące się zwierzęta w sposób
bezpośredni lub zbierany z podłoża pomieszczeń dla zwierząt wraz ze ściółką mającą za zadanie wchłaniać mocz.
Wypasane zwierzęta rozprowadzają odchody na pastwisku podczas wypasu. Do odchodów w pomieszczeniach
zamkniętych dodaje się ściółkę, by podłoże było suche, i w ten sposób obornik jest przechowywany w tym samym
miejscu. Płyn wypływający z odchodów jest gromadzony w zewnętrznym zbiorniku, odseparowany od frakcji stałej.
Obornik przechodzi przez proces kompostowania i jest usuwany co kilka miesięcy. Wartość nawozowa odzyskiwana jest
poprzez rozprowadzenie obornika na polach uprawnych w celu uzupełnienia obiegu składników odżywczych. Odchody
stałe są zwykle stosowane powierzchniowo, ale w niektórych przypadkach mogą być umieszczanie w głąb gleby podczas
orki natychmiast po ich rozprowadzeniu. Kompostowanie jest kolejną metodą gospodarki nawozami stałymi.
Podobnie jak w przypadku hodowli bydła, obornik może być stosowany, jako źródło paliwa dla
fermentacji beztlenowej.
tłuszcze i smary
Odpady Poubojowe i Odpady z Rybołówstwa
resztki żywności
odpady piekarnicze
Odpady poubojowe to części ciała zwierząt odcięte podczas przygotowania tusz do
wykorzystania, jako żywność. Odpady te mogą pochodzić z różnych źródeł, w tym rzeźni,
restauracji, sklepów i gospodarstw. Wiążą się one z możliwością stworzenia dla środowiska i
zdrowia ludzi lub zwierząt. Rozporządzenie o produktach ubocznych pochodzenia zwierzęcego
(2003) określa, w jaki sposób odpady zwierzęce mogą być usuwane w bezpieczny sposób.
Może to być bardzo kosztowny proces, ale odpady tego rodzaju mogą być również stosowane,
jako paliwo dla fermentacji beztlenowej.
kiszonka z kukurydzy
Organiczne Stałe Odpady Komunalne (MSW)
obornik krowi
Organiczne stałe odpady komunalne to odpady zebrane z nieruchomości komercyjnych lub
mieszkalnych, takie jak resztki żywności, papieru, itp.
kiszonka z traw
zielonka
odpady
obornik drobiu
odpady ziemniaczane
obornik świński
metry sześcienne biogazu na tonę substratu
Uprawy Energetyczne
Rośliny energetyczne są produkowane z przeznaczeniem na paliwo. Istnieje wiele roślin uprawnych, które mogą być wykorzystane z powodzeniem. Zarówno
zagajniki o krótkiej rotacji (SRC), jak i miskant są objęte systemem upraw roślin energetycznych (ECS), który ma na celu zwiększenie ilości powierzchni
odłogowanych na uprawy roślin energetycznych w Anglii dzięki dotacjom. Z uwagi na ten system dotacji, są to najbardziej popularne rośliny energetyczne.
Zagajniki o Krótkiej Rotacji (SRC)
Niektóre szybkorosnące gatunki drzew można ściąć do poziomu pniaka (lub
niskiego stołka), gdy są one w stanie uśpienia w zimie i pozwolić im wypuścić
nowe pędy w następnym sezonie wegetacyjnym. Praktyka ta, dobrze znana w
Wielkiej Brytanii i Europie, jest tradycyjną metodą zarządzania obszarami
leśnymi stosowaną od kilkuset lat do różnych celów, w tym w celu
pozyskiwania węgla, jako ogrodzenie i w przemyśle stoczniowym.
Przewiduje się, że w Wielkiej Brytanii uzysk z uprawy wierzby o krótkiej rotacji wyniesie 7 do 12 ton suchej masy na hektar rocznie, w zależności od miejsca i
wydajności zakładu. Oczekuje się, że nowe odmiany znacznie zwiększą plony. Przyjmuje się, że około 3000 ha upraw o krótkiej rotacji utrzyma generator
gazu o mocy 5 MWe.
Miskant
Miskant (powszechnie znany, jako trawa słoniowa) jest wysoką rośliną energetyczną, która osiąga ponad 3 metry. Przypomina on bambus i rośnie co roku
bez potrzeby przesadzania. Szybki wzrost, niska zawartość minerałów i wysoki uzysk biomasy sprawiają, że jest on najczęstszym wyborem, jako biopaliwo,
wyprzedzając kukurydzę i inne alternatywy. Miskant jest stosowany głównie do produkcji surowca w celach energetycznych, jak i do celów
nieenergetycznych. Jest to cenna, nowa roślina uprawna, oferująca duże korzyści dla wielu sektorów gospodarki, zarówno rolnictwa, jak i innych.
Zalety miskanta (trawy słoniowej) – wysokowydajny; przyjazny dla środowiska; łatwy w uprawie; niskie koszty utrzymania; roczny cykl wzrostu; brak
konieczności stosowania pestycydów i nawozów; zwiększa różnorodność biologiczna przyrody; spełnia wymogi wzajemnej zgodności; długa żywotność
Pelety
Pelet jest wykonany z suszonych i zagęszczonych trocin, wiór lub pyłu drzewnego. Peletyzacja jest obecnie najbardziej ekonomicznym i oszczędnym pod
względem energetycznym sposobem na konwersję biomasy w paliwo o
wysokiej gęstości energetycznej i stałej jakości. Z tego powodu jest to
jedna z najszybciej rozwijających się form unowocześnionej biomasy w
Europie i na całym świecie. Pelet może być stosowany zarówno do
ogrzewania budynków mieszkalnych i komercyjnych, jak i do produkcji
energii elektrycznej. Rynki globalne przekroczyły 12 milionów ton produkcji
rocznej w 2010 roku, która może wzrosnąć do ponad 100 mln ton do roku
2020. Europa jest obecnie największym rynkiem peletu.
Korzyści dla Środowiska Płynące z Peletu Drzewnego
•
•
•
Pelet drzewny jest neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla
Przemiana węgla na gaz ziemny zmniejsza emisję gazów cieplarnianych („GC") o 50%.
Przemiana węgla na pelety drzewne zmniejsza emisję gazów cieplarnianych („GC") o 100%.
Różne typy peletu
Zrębki drzewne
Zrębki drzewne są to kawałki drewna o długości 2 do 4 cm, które są
produkowane z odpadów drzewa, wiór pochodzących np. z trzebieży, roślin
lub gałęzi, bądź z odpadów pochodzących z przemysłu drzewnego. Zaletą
zrębek jest to, że szybciej wysychają i pozwalają na automatyczną pracę kotła
przy użyciu zbiornika paliwa i przenośnika.
Zrębki drzewne mogą być stosowane, jako paliwo stałe produkowane z
biomasy oraz surowiec do wytwarzania pulpy drzewnej.
Inne paliwa biogeniczne
Oprócz wyżej wymienionych paliw następujące produkty roślinne również klasyfikuje się, jako biomasę:
• słoma;
• pszenica;
• ziemniaki;
• burak cukrowy;
• pozostałości z przetwórstwa owoców (np. pestki, łupiny, ...);
• odpady drzewne z przemysłu drzewnego (trociny, pył szlifierski);
• pozostałości z przemysłu drzewnego (np. z przemysłu celulozowego);
• paliwa biogeniczne (biodiesel z nasion oleistych, takich jak rzepak, metanol ze zbóż).
2. Produkcja energii z biomasy
Biomasa dostarcza obecnie około 10% światowej energii, najczęściej używana jest w krajach rozwijających się, jako drewno opałowe lub węgiel drzewny do
ogrzewania i gotowania. Mimo obecnego niewielkiego udziału nowoczesnej bioenergii w energetyce światowej, biomasa ma, w dłuższej perspektywie,
potencjał, by mieć znacznie większy udział w globalnej podaży energii.
Paliwa pochodzące z biomasy obejmują odpady rolnicze, pozostałości pożniwne, odpady drzewne i drewnopochodne, itp. Biomasa nie zwiększa poziomu
dwutlenku węgla w atmosferze, gdyż pochłania tyle samo dwutlenku węgla, podczas gdy rośnie. Jest to najtańsze ekologiczne odnawialne źródło energii.
Zgazowanie to proces konwersji paliwa stałego, takiego jak drewno, odpady rolnicze i węgiel w dogodniejszy gaz palny. Jest to najczystsza i najbardziej
skuteczna znana metoda spalania. Proces ten odbywa się w zgazowywaczu, składającego się przede wszystkim z reaktora, w którym generowany jest gaz
palny, następnie gaz ten można wykorzystać do wytwarzania energii elektrycznej. Wśród różnych zgazowywaczy, do wytwarzania energii elektrycznej
najlepiej nadają się zgazowywacze współprądowe ze względu na zmniejszoną ilość substancji smolistych w wyprodukowanym gazie. Każdy zakład ma
własną strategię ustalania cen. Wśród ograniczeń i barier, które napotykamy w ramach popularyzowania wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł
odnawialnych, najbardziej krytyczną kwestią pozostaje cena energii pochodzącej z odnawialnych źródeł energii /International Journal of Engineering Science
and Innovative Technology (IJESIT) Tom 2, Wydanie 4, Lipiec 2013/.
Konwersja biomasy na energię (zwana także bioenergią) obejmuje szeroką gamę różnych typów i źródeł biomasy, typów konwersji, zastosowań końcowych
i wymagań infrastruktury. Biomasa może pochodzić z dedykowanych upraw energetycznych, takich jak zagajniki o krótkiej rotacji (SRC), trawy wieloletnie,
itp.; z pozostałości leśnych i innych pozostałości roślinnych (trzebież, surowe, etc.); oraz z odpadów biomasy, takich jak osad z organicznych odpadów
przemysłowych i odpadów pochodzących z gospodarstw domowych lub z samych odpadów. W każdym przypadku surowiec ten musi być zebrany,
przewieziony i ewentualnie przechowany zanim zostanie przetworzony w postać odpowiednią dla wybranej techniki przetwarzania energii.
Wykorzystanie biomasy do produkcji energii jest tylko jedną z form wykorzystania energii odnawialnej, którą stosuje się w celu zmniejszenia wpływu produkcji
i wykorzystania energii na środowisko globalne. Jak w przypadku każdego źródła energii istnieją ograniczenia dotyczące zastosowania biomasy i musi ona
konkurować nie tylko z paliwami kopalnymi, ale i z innymi odnawialnymi źródłami energii, takimi jak wiatr, energia słoneczna i energia fal /Peter McKendry.
2002, Bio resource Technology 83 (2002) 47–54/.
Wykorzystanie biomasy do celów energetycznych ma następujące ograniczenia:
• produkcja biomasy do celów energetycznych musi konkurować z innymi zastosowaniami biomasy (np. pożywienie i pasze)
• zwiększenie produkcji biomasy wymaga zwiększenia terenów produkcyjnych lub zwiększenia intensywności produkcji, co generuje potrzebę
zwiększenia inwestycji w produkcję biomasy,
• pozyskiwanie energii z biomasy w obecnych trudnych warunkach gospodarczych konkuruje z konwencjonalnymi źródłami energii.
Zmiana przepisów o ochronie środowiska może radykalnie zmienić bieżącą sytuację.
• maksymalne wykorzystanie biomasy do celów energetycznych, z globalnego punktu widzenia, jest problematyczne ze względu na rozmieszczenie
zasobów biomasy i konsumentów energii oraz związane z tym problemy z transportem i dystrybucją energii.
Z drugiej strony, istnieje wiele zalet stosowania biomasy do celów energetycznych:
• eliminacja negatywnego wpływu na środowisko (jest to źródło neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla)
• jest to źródło energii odnawialnej,
• jest to źródło rodzime, co zmniejsza zapotrzebowanie importowe,
• zasoby biomasy nie są ograniczone lokalnie,
• kontrolowana produkcja biomasy przyczynia się do rozwoju państw rozwijających się;
• można również efektywnie wykorzystywać odpady łatwopalne i toksyczne.
3. Biopaliwa
Biopaliwa produkowane są z żywych organizmów lub z produktów ubocznych metabolizmu (odpady organiczne lub spożywcze). Aby uznać paliwo za
biopaliwo musi ono zawierać ponad 80 procent surowców odnawialnych. Pochodzi ono z procesu fotosyntezy, a zatem jest często określane, jako źródło
energii słonecznej. Istnieje wiele wad i zalet stosowania biopaliw, jako źródła energii.
3.1. Biopaliwa stałe
3.1.1. Drewno na energię
Od milionów lat drewno jest jednym z najważniejszych źródeł energii dla ludzkości. Drewno należy do bardzo cennych źródeł biomasy, 1000 kg suchego
drewna daje tyle samo energii, co:
• 450 kg węgla kamiennego, 520 kg koksu, 340 kg oleju opałowego, 320 kg butanu.
Drewno jest uważane za pierwsze źródło energii w dziejach ludzkości. Dziś nadal jest najważniejszym źródłem energii odnawialnej zapewniającym ponad 9%
światowej podaży energii pierwotnej. Energia drzewna jest równie ważna, co pozostałe źródła energii odnawialnej (energia wodna, geotermalna, odpady,
biogaz, biopaliwa ciekłe i słoneczne) /http://www.fao.org/forestry/energy/en/.
Ponad dwa miliardy ludzi wykorzystuje energię pozyskiwaną z drewna do gotowania i/lub ogrzewania, zwłaszcza w gospodarstwach domowych w krajach
rozwijających się. Stanowi ona jedyne niedrogie źródło energii dostępne na rynku krajowym. Stosowanie paliwa drzewnego do gotowania i ogrzewania
gospodarstw domowych stanowi jedną trzecią światowego zużycia energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych, co czyni drewno najbardziej
zdecentralizowanym źródłem energii na świecie.
Paliwa drzewne są bardzo ważnym produktem leśnym. Wielkość globalnej produkcji drewna opałowego przekracza produkcję przemysłowego drewna
okrągłego. Produkcja drewna opałowego i węgla drzewnego stanowi często dominujące wykorzystanie biomasy drzewnej w krajach rozwijających się oraz w
krajach z gospodarką w okresie transformacji.
W związku ze zmianami klimatu i kwestiami bezpieczeństwa energetycznego, energia drzewna nabrała dużego znaczenia. Energia drzewna uważana jest za
neutralne dla klimatu i korzystne społecznie źródło energii odnawialnej, ale tylko wtedy, gdy spełnione zostają następujące warunki:
• Drewno musi pochodzić z zasobów, którymi gospodaruje się w sposób zrównoważony (lasy, drzewa nierosnące w lasach, itp).
• Paliwo musi mieć odpowiednie parametry (zawartość wody, wartość opałowa, forma, itp).
• Efektywne spalanie lub zgazowanie minimalizujące emisje wewnątrz i na zewnątrz budynków.
• Kaskadowe wykorzystanie włókien drzewnych – wykorzystanie, ponownie użycie, poddanie recyklingowi, przetworzenie w energię.
3.1.2. Słoma jako paliwo
Ze względu na swoją zawartość energetyczną odpady z produkcji rolnej są bardzo ważnym źródłem energii. Grupa ta obejmuje głównie słomę i obornik.
Zasoby te są obecnie intensywnie wykorzystywane w wielu krajach, w tym w krajach rozwijających się.
Słoma ma większą wartość opałową niż węgiel brunatny i jest obecnie stosowana w celach grzewczych w wielu krajach rozwiniętych. Budowa spalarni słomy
w krajach rozwiniętych jest wspierana częściowo ze względów środowiskowych (spalanie słomy na polach jest zabronione), a częściowo również dlatego, że
jest korzystna ekonomicznie, a spalarnie takie stanowią dodatkowe źródło dochodu dla rolników. Oczywistym jest, że miliony ton słomy pozostawiane są na
polach nie przynosząc żadnych korzyści. Duże ilości słomy są spalane, zakopywane lub przechowywane, by mogły ulec rozkładowi. Wysiłki mające na celu
usunięcie pozostałości słomy z pól prowadzą do ważnego pytania: ile odpadów powinno pozostać na polach w celu zapewnienia zrównoważonej produkcji?
W oparciu o doświadczenia krajów rozwiniętych uznaje się, że do 35% odpadów może być zebrane z pól bez wywierania negatywnego wpływu na jakość
-1
-1
gleby i przyszłej produkcji roślinnej. Zawartość energii zawarta w słomie jest znacząca - 4,9 kWh/kg w przypadku suchej masy oraz 4,0 kWh/kg
w przypadku słomy o zawartości wilgoci około 15%. Energia zawarta w 1m3 skompresowanej słomy stanowi zatem około 500 kWh.
Wykorzystywanie energii ze słomy przynosi korzyści społeczeństwu. W szczególności poprzez
tworzenie nowych miejsc pracy i zapewnienie rolnikom oszczędności finansowych poprzez
oszczędność energii. Spalanie słomy stwarza również pewne ograniczenia i jest obecnie stosowane
głównie w dużych kotłowniach, które zwykle podłączone są do centralnego systemu grzewczego lub
do gospodarstw rolnych. Wynika to z faktu, że słoma jest raczej skomplikowanym paliwem, w
szczególności jej niejednorodne odmiany i gęstość energii zajmuje dużą objętość - 10 do 20 - krotnie
większą niż węgiel. Ponadto, 70% substancji palnych zawartych w słomie wydziela się podczas
ogrzewania w postaci substancji lotnych. Tak wysoka zawartość substancji lotnych powoduje
problemy podczas spalania szczególnie podczas doprowadzania właściwej ilości powietrza. Słoma
zawiera również związki chlorowane, które mogą powodować korozję materiałów, zwłaszcza w
wyższych temperaturach. Pomimo tych trudności, technicznie kontrolowane spalanie słomy jest
bardzo ekonomiczne. Na świecie szybko rośnie liczba spalarni słomy.
Słoma dostarczana do spalarni musi spełniać określone wymagania. Zawartość wilgoci jest szczególnie ważnym parametrem krytycznym. Wilgotność mieści
się zwykle w zakresie od 10 do 25%, ale może być również większa. Problemem jest to, że różne rodzaje słomy podczas spalania zachowują się w różny
sposób. Niektóre palą się wybuchowo, a inne bardzo powoli, zajmując prawie cały popiół z paleniska. Doświadczenie pokazuje, że działanie tych spalarni jest
bardzo specyficzne. Mniejsze spalarnie o mocy poniżej 1 MW są zwykle używane w gospodarstwach rolnych. Większość z tych spalarni jest obsługiwana
ręcznie i w przeszłości napotykały one problemy związane z uciekającym dymem. Obecnie na rynku dostępne jest urządzenie uzupełniające słomę 1 do 2
razy dziennie i nie stwarzające problemów z emisją spalin.
Unia Europejska chce, aby do 2020 roku dziesięć procent energii przeznaczanej na transport pochodziło ze źródeł odnawialnych. Dużą zaletą biopaliw
drugiej generacji jest to, że można osiągnąć ten cel bez konieczności wykorzystywania upraw roślin spożywczych / http://www.pri.org/stories/2011-04-20/fuelstraw-biofuel-breakthrough/.
3.2. Paliwa płynne
W przeciwieństwie do biopaliw stałych i gazowych, biopaliwa płynne są wykorzystywane przede wszystkim do napędzania pojazdów silnikowych. Paliwo do
pojazdów silnikowych, które może być wytworzone, to marzenie dla wielu osób, a biomasa jest praktycznie jedynym odnawialnym zasobem, który to
umożliwia. Obecnie najważniejsze paliwa produkowane z biomasy to etanol, metanol i biodiesel.
3.2.1. Paliwa na bazie alkoholu
Najczęściej stosowanym płynnym biopaliwem są paliwa na bazie alkoholu - etanol i metanol, które są wytwarzane głównie z:
• ziarna
• kukurydzy
• trzciny.
Zaletą biopaliw na bazie alkoholu, poza tym, że
Etanol
Metanol
Benzyna
Olej napędowy
można je wyhodować, jest to, że są one mniej
-1
Wartość energetyczna (MJ/kg )
26,9
21,3
43,7
42,7
szkodliwe podczas spalania. Wynika to z faktu,
że paliwa te mają prostszą strukturę niż benzyna Temperatura wrzenia (°C)
78,3
64,5
99,2
140 - 360
lub olej napędowy, lepiej się spalają, a w całym
Liczba oktanowa
106
105
79 - 98
procesie dochodzi do zmniejszenia ilości
niespalonego gazu. Z tego punktu widzenia,
metanol jest lepszym paliwem niż etanol. Właściwości etanolu i metanolu oraz ich porównanie z innymi paliwami przedstawione są w w tabeli. Biomasa
charakteryzuje się stosunkowo dobrą gęstością energii - 1 milion ton oleju jest równoważny z 2,3 milionami ton suchej biomasy, co prowadzi do tego, że
biopaliwo na bazie alkoholu staje się częścią strategii krajowej.
3.2.2. Etanol
Etanol jest substancją, która naturalnie występuje tylko sporadycznie i jej działanie (w
niewielkich ilościach), w przeciwieństwie do metanolu, jest toksyczne dla ludzi. Etanol
jest powszechnie stosowany, jako substytut benzyny w silnikach o spalaniu
wewnętrznym. Jest on jednym z najstarszych paliw. Etanol nie jest używany jedynie
do celów transportowych. Bardzo ważne jest jego zastosowanie w przemyśle
spożywczym. Ta różnorodność zastosowań jest jedną z jego głównych zalet.
JEDZENIE CZY PALIWO?
3
Prawie miliard ludzi głoduje, pomimo tego USA przerabia rocznie ok. 170 mln m zboża na
paliwo. To ilość jedzenia wystarczająca dla 412 mln ludzi przez cały rok.
3
290 dm kukurydzy = ok. 95 litrów biobenzyny lub ilość jedzenia wystarczająca dla jednej osoby
przez cały rok
Wadą wytwarzania etanolu z produktów rolnych jest to, że wysiłki wkładane w
zastępowanie paliw konwencjonalnych na tak dużą skalę stanowią konkurencję dla
produkcji żywności, a tego typu monokultura jest zagrożeniem dla różnorodności
biologicznej. Wada te nie dotyczy wytwarzania etanolu z biomasy drzewnej, które
wydaje się być bardzo obiecujące, tak jak i produkcja etanolu z odpadów z produkcji
rolnej.
Ponad 95% benzyny z USA zawiera etanol, zazwyczaj E10 (10% etanolu, 90% benzyny) w celu natlenienia paliwa i zmniejszenia zanieczyszczenia
powietrza. Etanol jest również dostępny, jako E85, lub w mieszankach o wysokiej zawartości etanolu. Paliwo to może być stosowane w pojazdach z silnikami
wielopaliwowymi, które mogą być zasilane mieszankami o wysokiej zawartości etanolu, benzyną, lub dowolną ich mieszaniną. W nowych pojazdach można
stosować kolejną mieszankę, E15, i powoli staje się ona coraz bardziej dostępna.
Istnieje kilka etapów produkcji etanolu celem wykorzystania, jako paliwo transportowe:
• Biomasa jest uprawiana, zbierana i przewożona do zakładu produkcji etanolu.
• Etanol jest produkowany z biomasy w zakładzie produkcyjnym, a następnie transportowany do zakładu produkującego mieszankę/paliwo.
• Etanol jest mieszany z benzyną przez zakład produkujący mieszankę/paliwo w celu uzyskania form E10, E15 lub E85, a następnie rozwożony do
stacji paliw.
3.2.3. Metanol
Produkcja metanolu (alkoholu metylowego) z drewna jest znana na świecie od dawna. Metanol otrzymuje się jednak często, jako produkt uboczny w
produkcji węgla drzewnego. Taka produkcja charakteryzuje się bardzo małą wydajnością. Dziś sytuacja jest inna. Węgiel drzewny stopniowo traci na
znaczeniu i metanol staje się ważnym paliwem do pojazdów silnikowych.
Metanol jest substancją trującą do ludzi. Jest to bezbarwna i bezwonna ciecz, która w naturze występuje jedynie sporadycznie. Wartość energetyczna
jednego litra metanolu wynosi 18 MJ, ale efektywność silnika zasilanego takim paliwem jest wyższa niż w przypadku benzyny (około 20%), co znacznie
zwiększa wartość energetyczną jednego litra metanolu do 22,5 MJ.
Metanol można przekształcić na paliwa o wysokiej liczbie oktanowej przy stosunkowo niskich kosztach. Zaletą jest to, że takie paliwo zawiera siarkę, a
poziom zanieczyszczeń ze spalania jest bardzo niski. Istnieją dwie ważne kwestie dotyczące produkcji metanolu: ilość biomasy potrzebna do produkcji i
stosunek energii otrzymanej do energii zainwestowanej w produkcję. Doświadczenia wykazały, że z jednej tony suchej biomasy można wyprodukować około
700 litrów metanolu. Natomiast stosunek energii otrzymanej (metanolu) do energii zainwestowanej w jego produkcję jest zależna głównie od metody
produkcji. W przypadku produkcji metanolu ze źródeł odnawialnych stosunek ten jest bardzo wysoki.
Użycie metanolu w silnikach o spalaniu wewnętrznym
Pojazdy na metanol są pod względem wydajności i innych cech podobne do pojazdów na benzynę lub olej napędowy. Metanol może być wykorzystywany w
postaci czystej lub w postaci mieszaniny. Silnik musi zostać dostosowany. Pojazdy z silnikiem Diesla powinny być wyposażone w dodatkowy układ
zapłonowy, ponieważ liczba cetanowa metanolu jest niska. Silniki te mogą również spalać metanol. Nawet kilka procent zawartości oleju w takiej mieszaninie
wystarczy, aby nie musieć stosować świecy zapłonowej.
Metanol ma wysoki współczynnik atomów wodoru i znacznie wyższą gęstość energii niż ciekły wodór. Dlatego też bada się jego zastosowanie w ogniwach
paliwowych, które są bardzo obiecującym źródłem energii dla pojazdów.
Zanieczyszczenia emitowane przez pojazdy na metanol zależą od materiału, z którego metanol został
wyprodukowany. Metanol wytworzony z drewna, stosowany jako substytut benzyny charakteryzuje się niższą
emisją wszystkich zanieczyszczeń (średnio od 20% do 70%). Zamiana oleju na metanolu w silnikach Diesla
oznacza znaczną redukcję emisji cząstek stałych (dymu). Ekologiczne zalety metanolu wykorzystywanego w
transporcie w porównaniu z olejem napędowym są udokumentowane w tabeli.
NOX
CO
Węglowodory
Dym
Redukcja Emisji
(%)
- 65
- 95
- 95
- 100
W porównaniu z paliwami konwencjonalnymi metanol ma szereg zalet i wad. Zaletą jest to, że technologie
produkcji są testowane w praktyce, są wiarygodne i powszechnie stosowane (alkohol). Zaletą metanolu w porównaniu z etanolem jest to, że istnieje wiele
materiałów, z których może zostać wyprodukowany. Metanol, w porównaniu do benzyny, ma większą liczbę oktanową, około 105. Zaletą jest również to, że
metanol ma wysoką wartość opałową, co umożliwia większą wydajność w silniku spalinowym. Ma również niższą temperaturę spalania, wytwarza mniej
zanieczyszczeń i stwarza mniejsze ryzyko. Ponadto, w porównaniu z etanolem, metanol jest tańszy.
Wadą jest to, że metanol powoduje szybką korozję metali i ma negatywny wpływ na materiały z tworzyw sztucznych. Wadą jest również toksyczność
metanolu w przypadku inhalacji i kontaktu ze skórą. Silniki na metanol stwarzają więcej problemów w trakcie uruchomiania w temperaturze poniżej zera.
Wstępne podgrzewanie paliwa, jak w przypadku oleju, pozwala rozwiązać ten problem.
Wartość energetyczna metanolu jest o połowę mniejsza niż oleju napędowego, ponieważ pojazdy na metanol potrzebują około dwukrotnie więcej paliwa, by
osiągnąć te same obroty.
3.2.4. Biodiesel – oleje roślinne
Olej roślinny można uzyskać z ponad 300 różnych rodzajów roślin, między innymi z rzepaku, słonecznika, oliwek, soi, kokosa i innych. Olej zawarty jest w
nasionach lub owocach. Mimo, że występują znaczne różnice w ich lepkości, wszystkie mogą zastąpić olej napędowy w silnikach Diesla. Biodiesel ma
znaczenie przede wszystkim dlatego, że prawie każdy z silników Diesla można dostosować do spalania biodiesla. Stosowanie czystego oleju roślinnego
przynosi jednak wiele trudności, dlatego olej poddaje się procesowi estryfikacji metanolem, w wyniku którego otrzymuje się ester metylowy oleju
rzepakowego (RME). Estryfikacja zmniejsza lepkość oleju roślinnego i ma wiele innych zalet. Uruchamianie silnika, produkcja paliwa, transport i
przechowywanie nie stanowią problemu w przypadku estryfikacji. Olej ten ma pozytywny wpływ na redukcję emisji w trakcie spalania. W przeciwieństwie do
olejów roślinnych, RME zawiera niektóre substancje rakotwórcze i jest toksyczny. Niektóre właściwości RME i czystego oleju roślinnego oraz ich porównanie
z olejem napędowym są wymienione w tabeli.
Olej napędowy o niskiej
zawartości siarki
Biodiesel (RME)
Czysty olej rzepakowy
Liczba cetanowa
Temperatura wrzenia
Zawartość siarki (% wagi)
46
191
0,036
61,2
347
0,012
42,6
311
0,022
Ciepło spalania (kJ/kg)
46,42
40,6
40,4
Gęstość
0,8495
0,8802
0,906
Biodiesel produkowany z czystego oleju roślinnego lub RME ma podobną liczbę cetanową do niskosiarkowego oleju napędowego i ma wyższą gęstość
energetyczną od pozostałych paliw alternatywnych.
Produkcja biodiesla obejmuje tłoczenie oleju z nasion oleistych, filtrowanie i późniejszą estryfikację, czyli rozdzielenie na ester metylowy (RME - biodiesel)
i glicerynę. Gliceryna, jako produkt uboczny, jest wykorzystywana w przemyśle chemicznym i rolniczym, jako cenny dodatek do pasz. RME jest ekologicznie
czystym paliwem. W spalinach oleju napędowego stwierdzono 3 do 40 razy większą zawartość węglowodorów niż w spalinach RME. RME wydziela mniej
dymu, gazów zawierających cząstki stałe i inne niebezpieczne substancje. Stosowanie RME wymaga jednak nieznacznej modyfikacji silnika, co zmniejszy
jego wydajność i zużycie paliwa o około 5%. Schemat produkcji biodiesla można zobaczyć na rysunku.
rzepak
Olej rzepakowy
tłoczenie
Wytłoczyny rzepakowe –
na produkty spożywcze
transestryfikacja
biopaliwo
Kwasy
tłuszczowe
Schemat produkcji biodiesla
gliceryna
Mimo, że bilans energetyczny RME jest pozytywny, wiele ekspertów uważa, że paliwo to jest odpowiednie, jako substytut oleju napędowego tylko dla
lokalnych rolników. Jego transport na większe odległości doprowadziłby do obniżenia zysków z produkcji energii niemal do zera.
RME, jako paliwo (jak również jego mieszaniny) ma dobre parametry ekologiczne i jego spalanie produkuje niższe emisje niż olej napędowy.
Główne zalety stosowania biodiesla można podsumować w następujący sposób:
• pozytywny bilans energetyczny,
• niski poziom emisji zanieczyszczeń i zmniejszona emisja CO2,
• ekonomiczne i ekologiczne użytkowanie gruntów odłogowanych,
• szybka degradacja gleby powodująca zanieczyszczenia,
• bezpieczeństwo obróbki (tak bezpieczny, jak olej spożywczy).
Wady czystego oleju roślinnego:
• ma wysoką lepkość (do 40 razy wyższą niż olej napędowy),
• w trakcie przechowywania pogorsza się jakość paliwa,
• silnik spalinowy jest blokowany,
• jest agresywny dla tworzyw sztucznych i farb i produkuje większy poziom emisji cząstek stałych i N2O.
4. Przetwarzanie biomasy na cele energetyczne
Biomasa odpowiednia do wytwarzania energii elektrycznej może być podzielona na pięć podstawowych grup:
1. fitomasę o dużej zawartości lignocelulozy
2. fitomasę olejów roślinnych
3. fitomasę o wysokiej zawartości cukru i skrobi
4. odpady organiczne i produkty uboczne pochodzenia zwierzęcego
5. mieszaninę różnych odpadów organicznych.
Do wytwarzania energii można zatem stosować:
• Biomasę uprawianą w tym celu:
- Produkcja alkoholu etylowego (buraki cukrowe, zboża, ziemniaki, trzcina cukrowa),
- Produkcja surowych olejów roślinnych i estru metylowego (nasiona oleiste - rzepak),
- Bezpośrednie spalanie (szybko rosnące lasy - wierzba, topola, olcha, akacja, i inne).
• Odpady z biomasy:
- Szczątki roślinne z podstawowej produkcji rolniczej i utrzymania kraju,
- Odpady z hodowli zwierząt gospodarskich,
- Komunalne odpady organiczne z terenów wiejskich,
- Odpady organiczne z produktów spożywczych i przemysłowych;
- Odpady leśne – dendromasa
Cechą wykorzystywania biomasy do celów energetycznych jest tworzenie ciepła, które jest wykorzystywane w miejscu jego produkcji lub w jego pobliżu.
Ciepło jest stosowane zarówno do przygotowywania gorącej wody lub pary do napędzania elektrogeneratora, jak i do późniejszej produkcji energii
elektrycznej. Innymi produktami są węgiel drzewny i biopaliwa ciekłe do napędzania pojazdów mechanicznych.
5. Procesy produkcji energii z biomasy
Wykorzystywanie biomasy do celów energetycznych jest możliwe dzięki jej właściwościom fizycznym i chemicznym. Bardzo ważnym parametrem jest
wilgotność, odpowiednia zawartość suchej masy w biomasie. Podział w zależności od zawartości suchej masy:
• do 50% cząstek stałych – procesy mokre
• powyżej 50% cząstek stałych – procesy suche.
Podział w zależności od metody przetwarzania energii:
termochemiczna konwersja biomasy (metoda sucha):
• Spalanie
• Zgazowanie,
• Piroliza,
biochemiczna konwersja biomasy (proces mokry):
• Fermentacja alkoholowa,
• Fermentacja metanowa,
fizyczna i chemiczna konwersja biomasy:
• Mechaniczna (rozdzielanie, rozdrabnianie, prasowanie, brykietowanie, peletowanie, mielenie, itp.)
• Chemiczna (estryfikacja olejów roślinnych);
zbieranie odpadów ciepła przez przetwarzanie biomasy:
• Kompostowanie
• Tlenowe oczyszczanie wody;
• Fermentacja beztlenowa.
Istnieje kilka sposobów wykorzystywania biomasy do celów energetycznych. W praktyce, wśród procesów suchych przeważają różne formy spalania, a wśród
procesów mokrych produkcja biogazu w procesie fermentacji beztlenowej. Drugim sposobem jest w szczególności produkcja estru metylowego oleju
roślinnego.
5.1. Spalanie
Odnosi się do spalania biomasy w obecności wystarczającej ilości tlenu, aby umożliwić całkowite utlenienie się. Stosowane w nowoczesnych kotłach na
biomasę w celu produkcji gorącej wody lub pary na potrzeby lokalne lub przemysłowe. Efektywne spalanie wymaga:
• wystarczająco wysokiej temperatury
• wystarczającej ilości powietrza,
• wystarczającej ilości czasu dla zapewnienia całkowitego spalenia biomasy.
Chociaż spalanie bezpośrednie jest najprostszym i najbardziej powszechnym sposobem wykorzystywania energii z biomasy, nie zawsze jest to proces
efektywny. Zaprojektowanie kotła do spalania, który charakteryzowałby się wysoką wydajnością wymaga zrozumienia całego procesu spalania. Ważnym
krokiem jest zrozumienie zasady parowania wody z drewna, procesu, który zużywa energię. Zużyta energia stanowi jednak tylko niewielki procent całkowitej
dostępnej energii. Nowoczesne urządzenia do spalania są bardzo podobne do tych stosowanych w przypadku węgla i charakteryzują się wydajnością
spalania na poziomie 90%.
5.2. Piroliza
Piroliza następuje, gdy biomasa jest podgrzewana przy braku tlenu lub innego środka utleniającego. Pierwsze odprowadzana jest wilgoć, a następnie
odparowują związki lotne (węglowodory). Mniejsze cząsteczki pary pozostają w stanie gazowym po ochłodzeniu (np. tlenek węgla, dwutlenek węgla,
węglowodory lekkie), podczas gdy większe z nich ulegają kondensacji do postaci cieczy, zwaną substancją smolistą lub bioolejem. Substancje stałe
pozostałe po odprowadzeniu związków lotnych określa się, jako węgiel lub biowęgiel. /Biomass scoping study, Bulletin 4862, 2014/. Piroliza jest szybko
rozwijającą się technologią o dużym potencjale, ale proces ten z natury lepiej nadaje się do produkcji oleju opałowego do stosowania w silnikach Diesla
i turbinach gazowych.
Dzisiejszy świat generuje co miesiąc miliony ton odpadów z tworzyw sztucznych i opon. Piroliza tworzyw sztucznych i opon może przekonwertować te
odpady w energię o wartości miliardów dolarów. Zakłady pirolizy reprezentują przemysł, który wpłynie na przyszły rozwój i ochronę środowiska poprzez
oczyszczanie wysypisk śmieci z odpadów z tworzyw sztucznych i opon.
5.3. Zgazowanie
Podstawowe zasady zgazowania biomasy znane są od początku XIX wieku. Technologia ta była tak wszechstronna i niezawodna, że podczas II Wojny
Światowej na europejskich drogach poruszało się kilka milionów pojazdów z agregatem produkującym gaz drzewny spalany następnie w silniku pojazdu.
Zgazowanie jest procesem pośrednim pomiędzy spalaniem i pirolizą, ponieważ doprowadza się do niego tlen w ograniczonych ilościach. Zgazowywacze
zazwyczaj mają strefy spalania (do wytwarzania ciepła), pirolizy (w celu usunięcia związków lotnych) i redukcji (do przekształcania gazu w paliwa o wyższej
jakości). Podczas gdy celem pirolizy jest produkcja węgla lub oleju o określonej jakości, celem zgazowania jest uzyskanie odpowiedniej jakości gazu, który
jest określany jako gaz syntezowy lub gaz generatorowy /Biomass scoping study, Bulletin 4862, 2014/.
5.4. Paliwa syntetyczne
Zakłady gazyfikacji, które wykorzystują powietrze, zamiast czystego tlenu, wytwarzają mieszaninę gazów, składających się głównie z H2, CO i CO2. Zaletą
tego procesu jest to, że po usunięciu CO2 otrzymujemy gaz syntezowy, z którego można wytworzyć każdy węglowodór. CO wraz z H2 można otrzymać z
czystego metanu (CH4). Innym produktem ubocznym jest metanol (CH3OH), który może służyć, jako bezpośredni zamiennik benzyny w silnikach ze
spalaniem wewnętrznym. Proces produkcji metanolu jest stosunkowo drogi i nie jest obecnie wykorzystywany w celach komercyjnych. Technologia ta jest
sprawdzona, a dzięki dodaniu biomasy można otrzymać gaz syntezowy (a następnie metanol) w celu eksploatacji węgla.
5.5. Fermentacja
W związku z tym, że drożdże konsumują cukry i wytwarzają etanol dodaje się je do hydrolizowanej pulpy i pozostawia przez kilka godzin do kilku dni, by mógł
zajść proces fermentacji. Typowa temperatura fermentacji wynosi od 30°C do 40°C. Zwykle stosuje się delikatne mieszanie. Scukrzanie i fermentacja mogą
być przeprowadzane w jednym zbiorniku lub w naczyniu z mieszadłem bądź w oddzielnych naczyniach. Oddzielne scukrzanie i fermentacja pozwalają na
lepszą kontrolę i optymalizację poszczególnych procesów, które mogą być przeprowadzane w różnych temperaturach, przy różnych wartościach pH i
systemach mieszania. Przeprowadzanie łączonego lub równoczesnego procesu scukrzania i fermentacji w jednym naczyniu wymaga dokonania kompromisu
między optymalnymi warunkami scukrzania oraz optymalnymi warunkami fermentacji, ale może być on bardziej wydajny, ponieważ końcowe produkty
scukrzania usuwa się po ich wytworzeniu, pozwalając reakcji scukrzania przebiegać w szybszym tempie.
5.6. Fermentacja beztlenowa
Gdy wilgotne materiały organiczne, takie jak żywność, obornik lub odpady rolnicze są umieszczone w ciepłym, zamkniętym zbiorniku z ograniczonym
dostępem powietrza naturalnie występujące mikroorganizmy przeprowadzą ich rozkład i wyprodukowany zostanie gaz palny. Nazywa się on biogazem i
zazwyczaj zawiera od 50 do 70% metanu, a resztę stanowi głównie dwutlenek węgla. Biogaz może być spalany w celu wytworzenia energii do ogrzewania,
oświetlania, gotowania i transportu.
złożona materia organicznawęglowodany, białka, tłuszcze
1
1. hydroliza
2. hydroliza
3. acetogeneza
4. metanogeneza
rozpuszczalne cząstki organicznecukry, aminokwasy, kwasy
tłuszczowe
2
lotne kwasy tłuszczowe
kwas octowy
3
4
4
metan + dwutlenek węgla
Proces fermentacji beztlenowej /Biomass scoping study, Bulletin 4862, 2014/
wodór, dwutlenek węgla
6. Produkcja energii elektrycznej z biomasy
Tradycyjna metoda wytwarzania energii elektrycznej z biomasy opiera się głównie na jej bezpośrednim spalaniu i produkcji pary, która napędza turbinę
parową podobną do tych stosowanych w elektrowniach węglowych. Technologia ta jest obecnie bardzo zaawansowana i umożliwia stosowanie wielu typów
materiałów wejściowych. Jej wadą jest to, że wymaga stosunkowo wysokich inwestycji przeliczonych na jednostkę produkcji, a ogólna wydajność produkcji
jest niska. Stwarza ona jednak możliwość dalszych ulepszeń.
Nową metodą jest zgazowanie biomasy w celu wytwarzania energii elektrycznej. Zamiast bezpośredniego spalania biomasy stosuje się proces zgazowania, a
następnie spalania gazu w turbinie gazowej, podobny do produkcji elektryczności w elektrowniach gazowych. Zaletą tej technologii jest znacznie większa
efektywność, ponieważ 65-70% energii zawartej w biomasie jest przekształcane w gaz palny. Koszty inwestycyjne budowy turbin gazowych są stosunkowo
niskie, a ponadto istnieją znaczne możliwości poprawy technologii. Chociaż gazyfikacja zapewnia kilka korzyści, nie jest ona jeszcze wystarczająco
opracowana, aby mogła być powszechnie stosowana.
Elektrownie stosujące gazyfikację biomasy składają się z następujących elementów:
• sprzęt przygotowujący i transportujący paliwo
• zbiornik reaktora gazyfikującego
• system mieszania czystego gazu
• turbina lub silnik spalinowy.
Silniki gazowy lub turbiny wymagają użycia bardzo czystego gazu. Do produkcji takiego gazu jest potrzebne nie tylko dodatkowe wyposażenie, takie jak
chłodziarki i urządzenia do mieszania, ale też specjalny zbiornik reaktora, co znacznie komplikuje całą technologię. Ponadto, technologia ta jest bardzo
wrażliwa na typ zastosowanej biomasy (każdy typ zachowują się inaczej), co wymaga większej kontroli materiału wejściowego niż w innych rodzajach
elektrowni. Najlepszym paliwem jest suchy węgiel drzewny i inne substancje lotne, ale oznacza to konieczność ich produkcji przez specjalne zakłady.
Najprostsze turbiny gazowe wykorzystują gorące gazy odpadowe bezpośrednio emitowane do atmosfery. W nowoczesnej technologii gazy te stosuje się do
wytworzenia pary w oddzielnych generatorach pary. Para może być wykorzystywana albo do ogrzewania obiektów (jednostki kogeneracyjne), lub jest
wdmuchiwana z powrotem do turbiny, tym samym zwiększając wydajność i efektywność produkcji (turbina gazowa z wtryskiem pary - STIG), bądź jest
wykorzystywana do dalszej produkcji energii elektrycznej w turbinie parowej (układ parowo-gazowy - GTCC), co prowadzi do zwiększenia wydajności i
ogólnej sprawności urządzenia.
Innowacyjna technologia przetwarzania biomasy: Obieg Rankine’a
Obieg Rankine'a jest obiegiem termodynamicznym, w którym ciepło jest zamieniane na pracę. Ciepło jest dostarczane z zewnątrz do obiegu zamkniętego, w
którym zwykle jako ciecz robocza używana jest woda. Obieg Rankine'a na bazie wody zapewnia około 85% produkcji energii elektrycznej na całym świecie.
Obieg Rankine'a został nazwany imieniem Williama Rankine’a (05 lipca 1820 - 24 grudnia 1872), szkockiego inżyniera i fizyka. Miał on duży wkład w
podwaliny nauki o termodynamice. Rankine opracował kompletną teorię silnika parowego, a w zasadzie wszystkich silników cieplnych. Jego instrukcje z
zakresu teorii i praktyki inżynieryjnej były używane przez wiele lat po ich opublikowaniu w 1850 i 1860 roku. Od 1840 opublikował kilkaset prac i dokumentów
na tematy naukowe i inżynieryjne, a jego zainteresowania były bardzo zróżnicowane, obejmowały za czasów młodości między innymi botanikę, teorię muzyki
i teorię liczb oraz większość głównych gałęzi nauki, matematyki i inżynierii.
Pierwszy Organiczny cykl Rankine’a
W organicznym cyklu Rankine’a jako ciecz roboczą wykorzystuje się zazwyczaj wodę. Szybko zaczęto jednak wykorzystywać inne ciecze robocze, np. w
łodziach naftowych. W 1883 roku Frank Ofeldt opracował unikalny system zasilania, który miał zastąpić parę. Jego silniki naftowe to silniki parowe, w których
gotowano naftę (rodzaj benzyny) zamiast wody do napędzania tłoków. W tamtych czasach rząd wymagał posiadania licencji na gotowanie wody w silnikach
parowych, ale nie wymagał jej do gotowania benzyny. Dlatego też, po raz pierwszy w historii gentleman, który posiadał łódź motorową mógł kierować nią bez
pomocy inżyniera. Trzeba było być "dżentelmenem", by posiadać łódź tego typu. W 1880 roku, łódź z silnikiem naftowym o długości 21 stóp kosztowała 750
dolarów – półtora raza więcej niż roczne wynagrodzenie rzemieślnika, który ją zbudował. (ze strony muzeum Mystic Seaport).
Szkoła Włoska
Technologia oparta na Organicznym cyklu Rankine'a rozwijała się tylko w XX wieku. We Włoszech przeprowadzono w latach trzydziestych eksperyment na
wyspie Ischia. Ważne badania przeprowadzono po II wojnie światowej, w Rosji, USA i Izraelu. W latach siedemdziesiątych we Włoszech na Politechnice w
Mediolanie, najważniejszym uniwersytecie technicznym we Włoszech, narodziła się szkoła, której obiektem badawczym był Organiczny cykl Rankine’a. Jej
założycielem był profesor Gianfranco Angelino wraz ze współpracownikami profesorem Ennio Macchi i profesorem Mario Gaia, założycielem Turboden.
Organiczny cykl Rankine’a obecnie
Organiczny Cykl Rankine'a jest dobrze znanym i szeroko rozpowszechnionym sposobem produkcji energii, głównie w urządzeniach wykorzystujących
biomasę i geotermię, ale oczekuje się również jego rozwoju w urządzeniach wykorzystujących panele słoneczne oraz odzysk ciepła. Kwestie związane ze
zmianami klimatu oraz rosnącymi cenami ropy naftowej stanowią silne argumenty wyjaśniające gwałtowny wzrost zastosowania tego wydajnego, czystego i
niezawodnego sposobu wytwarzania energii elektrycznej.
Wydajność
Organiczny Cykl Rankine'a ma wysoką wydajność energetyczną: 98% mocy cieplnej zawartej w oleju grzewczym jest przetwarzane na energię elektryczną
(około 20%) i ciepło (78%), z bardzo niewielkimi przeciekami termicznymi na poziomie tylko 2% z powodu izolacji termicznej, promieniowania i strat w
generatorze; wydajność elektryczna uzyskiwana w jednostkach niekogeneracyjnych jest znacznie wyższa (około 24% i więcej).
ZALETY
Organiczny Cykl Rankine'a ma wiele zalet, m.in.:
• Wysoka wydajność turbiny/wydajność cyklu termodynamicznego;
• Niskie naprężenie mechaniczne turbiny;
• Brak wilgoci w trakcie rozszerzania się gazów, odpowiadającej za erozję ostrzy;
• Proste procedury uruchamiania;
•
•
•
•
•
Automatyczne i ciągłe działanie;
Proste procedury konserwacji;
Nie wymaga obecności operatora;
Długa żywotność zakładu (> 20 lat);
Brak potrzeby demineralizacji wody.
Ze względu na te zalety, elektrownie działające na bazie technologii OCR szybko rozprzestrzeniają się na całym świecie.
Biomasa wykorzystywana do celów energetycznych
Biomasę nadającą się do wytwarzania energii można podzielić na pięć podstawowych grup:
• fitomasa o wysokiej zawartości lignocelulozy
• fitomasa złożona z roślin oleistych
• fitomasa z wysoką zawartością skrobi i cukru
• odpady organiczne i produkty uboczne pochodzenia zwierzęcego
• mieszanina różnych odpadów organicznych.
Do wytwarzania energii jest zatem możliwe stosowanie:
• Biomasy uprawianej w tym celu:
• Produkcji alkoholu etylowego (burak cukrowy, kukurydza, ziemniaki, trzcina cukrowa),
• Produkcji olejów roślinnych i surowego estru metylowego (nasiona oleiste - rzepak),
• Spalania bezpośredniego (szybko rosnące gatunki drzew - wierzba, topola, olcha, akacja, i inne).
• Odpadów z biomasy:
• Resztek roślinnych z podstawowej produkcji rolnej i utrzymania kraju,
• Odpadów zwierzęcych,
• Odpadów organicznych z terenów wiejskich,
• Odpadów organicznych pochodzących z produktów spożywczych i przemysłowych;
• Odpadów leśnych - dendromasa.
Możliwości wykorzystywania biomasy do celów energetycznych
Możliwości wykorzystania biomasy do celów energetycznych są głównie uzależnione od jej właściwości fizycznych i chemicznych. Bardzo ważnym
parametrem jest, odpowiednio, wilgotność oraz zawartość substancji stałych w biomasie. Zawartość substancji stałych na poziomie 50% stanowi granicę
pomiędzy biomasą mokrą (zawartość suchej masy poniżej 50%), a suchą (zawartość suchej masy powyżej 50%). Zgodnie z zasadą konwersji energii można
wyróżnić kilka sposobów pozyskiwania energii z biomasy:
Typ konwersji biomasy
Konwersja termochemiczna
(procesy suche)
Konwersja biochemiczna
(procesy mokre)
Konwersja fizykochemiczna
Sposób konwersji biomasy
Produkcja energii
Odpady i surowce wtórne
Spalanie
Zgazowanie
Ciepło umiarkowane
Zgazowywacz
Popiół
Olej smołowy, paliwo zawierające węgiel
Piroliza
Zgazowywacz
Fermentacja beztlenowa
Biogaz
Olej smołowy, łatwopalne pozostałości w stanie
stałym
Sfermentowany substrat
Fermentacja tlenowa
Estryfikacja biooleju
Ciepło umiarkowane
Ester metylowy, bioolej
Sfermentowany substrat
Gliceryna
W praktyce przeważają różne formy spalania suchego oraz fermentacja beztlenowa mająca na celu produkcję biogazu. Innym sposobem jest produkcja
biooleju oraz estru metylowego.
Wartość energetyczna różnych rodzajów biomasy
W zależności od rodzaju biomasy różni się jej wartość energetyczna
BIOMASA
zawartość wody %
wartość opałowa MJ/kg
Drewno - dąb
20
14,1
Drewno - świerk
20
13,8
Słoma
15
14,3
Pszenica
15
14,2
Olej rzepakowy
37,1
Węgiel
4
30,0 - 35,0
Węgiel brunatny
20
10,0 – 20,0
Olej opałowy
42,7
Biometanol
19,5
Gaz wysypiskowy
16,0
Gaz drzewny
5,0
Biogaz z obornika
22,0
Gaz ziemny
31,7
Wodór
10,8
NCV kW/kg
3,9
3,8
4,0
3,9
10,3
8,3
5,5
11,9
5,4
4,4
1,4
6,1
8,8
3,0
7. Rolnik jako hodowca biomasy oraz producent paliw i energii elektrycznej
Jak zaznaczono na początku, biomasę można zdefiniować, jako substancję pochodzenia biologicznego (lub odpady pochodzące z produkcji roślinnej,
produkcji zwierzęcej oraz odpady organiczne). Biomasa może pochodzić z działalności produkcyjnej, odpadów rolniczych, produkcji żywności, leśnictwa,
gospodarki komunalnej, ochrony i utrzymania w kraju.
W związku z tym, działania rolników można zdefiniować jako silnie związane z powstawaniem odpadów i celowo wytworzonej biomasy.
Dla wygody podzieliliśmy rolników na następujące grupy: producentów biomasy i użytkowników biomasy.
W każdym przypadku można podać wiele pozytywnych przykładów, które pokazują zarówno korzyści ekonomiczne, jak i środowiskowe z wykorzystywania
biomasy. Najlepszym przykładem produkcji biomasy przez rolników jest uprawa roślin energetycznych.
Rośliny energetyczne są uprawiane celowo do użycia, jako paliwo, oferują one wysoki uzysk na jeden hektar przy niskich nakładach. Na ogół głównym celem
jest maksymalizacja uzysku ze zbiorów. Rośliny energetyczne są klasyfikowane na: rośliny energetyczne o krótkiej rotacji - jeśli głównym celem nie jest
produkcja drewna w celu uzyskania okrągłego drewna, a energii, wtedy nie ma wymogu działania długotrwałego. Ponadto, roczna stopa wzrostu biomasy
z hektara jest większa, gdy drzewa mają tylko kilka lat, a nie więcej, chociaż to zależy od gatunku. W związku z tym, istnieje znaczne zainteresowanie
roślinami o krótkiej rotacji, takimi jak szybko rosnące drzewa ścinane w wieku zaledwie kilku lat w celu uzyskania biomasy. Jako że łodygi są ścinane w
młodym wieku, wytworzona biomasa zwykle ma stosunkowo dużo kory. Trawy i niezdrewniałe rośliny energetyczne – Rośliny uprawne: miskant to wysoka
(do 3,5 m), zdrewniała, wieloletnia, kłączowa trawa. Miskant przeprowadza fotosyntezę typu C4, co sprawia, że jest on wydajny we wiązaniu dwutlenku węgla
i zużyciu wody. Inne trawy: Proso rózgowe (Panicum virgatum), Mozga trzcinowata (Phalaris arundinacea), Żyto (Secale cereale), Lasecznica trzcinowata
(Arundo donax). Uprawa Konopii (Cannabis sativa) na świecie, głównie, jako rośliny włóknistej, liczy ponad 6000 lat, jest ona hodowana w Wielkiej Brytanii od
wieków; energetyczne rośliny uprawne – Są to rośliny znane już rolnikom - uprawy cukrowe, rośliny skrobiowe, rośliny oleiste.
Do roślin energetycznych zalicza się również różne szybkorosnące rośliny (np. wierzba, topola, olcha, akacja) stosowane do bezpośredniego spalania, rośliny
wykorzystywane do fermentacji w celu produkcji etanolu oraz rośliny bogate w olej i przeznaczone do produkcji biodiesla, takie jak rzepak, który jest już
wykorzystywany do tych celów na Słowacji.
Uprawa biomasy do celów energetycznych jest bardzo obiecująca dla wielu krajów. Duża nadwyżka produkcji rolnej w Europie i Stanach Zjednoczonych
często stwarza potrzebę udzielania rolnikom dotacji, aby wykorzystali oni nieużytkowaną glebę, a istnieje zapotrzebowanie na wykorzystania tej ziemi dla
takich celów. Unia Europejska przewiduje, że w najbliższej przyszłości 20 - 40 mln ha ziemi, nadwyżka z produkcji żywności, zostanie wykorzystana pod
uprawę roślin energetycznych. Ta ziemia jest odpowiednia do uprawy roślin energetycznych. Podobna sytuacja tyczy się innych krajów, w tym Słowacji. Do
uprawy roślin energetycznych można wykorzystać nie tylko nadwyżkę gleby w stosunku do produkcji roślin uprawnych, ale również glebę gorszej jakości, np.
tę wokół dróg lub grunty skażone.
Wadą szybkorosnących roślin jest to, że konieczne jest stosowanie nawozów takich, jak w przypadku innych roślin uprawnych. Popiół ze spalania tych
produktów można wykorzystać, jako nawóz. W przypadku wytwarzania energii istotnym jest, aby bilans energetyczny energii uzyskanej w stosunku do
zużytej był dodatni. Stosunek energii uzyskanej w stosunku do zużytej wynosi zwykle 5:1.
Do bezpośredniego spalania w kotłach odpowiednie są przykładowo niektóre rodzaje wierzby lub trawy. Zaletą tych roślin jest to, że w przeciwieństwie do
drewna, okres produkcji (okres między siewem a zbiorem) jest krótki - zazwyczaj od 3 do 8 lat. Dla niektórych gatunków traw jest on nawet krótszy - od 6 do
12 miesięcy. Obecnie na świecie zużywa się około 100 milionów hektarów ziemi do sadzenia szybkorosnących drzew. Większość tych drzew jest
wykorzystywana w przemyśle przetwórstwa drewna. Parametry kluczowe przy wyborze szybkorosnących drzew to ich dostępność i możliwość ich
wykorzystania na danym rodzaju gleby i w danym klimacie, oraz potencjalny uzysk z jednego hektara na rok (t/ha/rok). Najważniejszym wskaźnikiem jest
ilość biomasy, którą można z uzyskać. W przypadku wierzb uprawianych w naszych warunkach można uzyskać 15 ton suchej masy na hektar rocznie.
Wzrost niektórych wierzb wynosi od 2 do 3 metrów rocznie (2-3 cm dziennie w lecie). Gęstość sadzenia zazwyczaj wynosi 5000-20000 drzew na hektar
(odległość między drzewami wynosi około 1 metr), zbiór odbywa się w cyklach dwu- lub pięcioletnich, podczas gdy drzewa pozostają produktywne przez
okres do 30 lat.
Hodowla wierzby jest bardzo korzystna dla środowiska. Jest ona używana do oczyszczania wody w biologicznych zakładach przetwarzania odpadów.
Z każdego hektara można co roku w sposób ekologiczny zutylizować 10-20 ton ścieków i osadów. Połączenie funkcji biologicznych rośliny uprawnej oraz
rośliny energetycznej sprawia, że wierzba jest gatunkiem unikalnym. Kolejną perspektywiczną rośliną jest konopia, które charakteryzuje się wysoką produkcją
żywej materii do 24 ton/ha przez około 4 miesiące.
8. Studium przypadku
Studium przypadku 1.
David Lumley pracuje na rodzinnej farmie w Aislaby koło Pickering od 30 lat. Firma ma 200 hektarów - z czego 120 jest wynajmowane pod produkcję
wołowiny pierwszego gatunku i zbóż. Połowa zbóż jest mielona i karmi się nią bydło. W 2008 roku zaczął przebudowywać budynki, aby uzyskać bardziej
wydajny układ i móc wykorzystywać nowoczesne metody i sprzęt. W tym samym czasie został przebudowany dom rodzinny. Zmiany stworzyły również
możliwość wykorzystania odnawialnych źródeł energii zamiast odnawiania istniejącej technologii.
Cele:
• Instalacja kotła na drewno mającego na celu dostarczanie ciepła do suszenia ziarna
• Zmniejszenie zużycia oleju i redukcja kosztów
• Wykorzystanie paliwa drzewnego pochodzącego z gospodarstwa w celu stworzenia firmy samowystarczalnej pod względem energetycznym
Osiągnięcia:
• Znaczne oszczędności kosztów osiągnięto zarówno na suszeniu ziarna - wcześniej operacja ta była zasilana olejem napędowym. Wstępne
szacunki wykazały oszczędności w wysokości 2200 funtów i zmniejszenie emisji CO2 o 11 ton rocznie
Dla regionu:
• Instalacja stanowiła podłoże testowe dla lokalnego hydraulika, który stara się obecnie o akredytację na instalatora systemów opalanych drewnem
Studium przypadku 2.
Biomasa rolna - kotły na biomasę w gospodarstwach oraz nieruchomościach wiejskich
Biomasa jest to świetny sposób, aby dostarczyć wystarczające źródło ciepła dla całego twojego gospodarstwa, budynków gospodarczych lub działalności na
terenie wiejskim. Stosuje się ją do suszenia plonów, ogrzewania stodoły i szklarni; biomasa pochodząca z gospodarstwa zapewnia oszczędności paliwa oraz
dochody z RHI (zachęt rządowych dla produkcji ciepła z energii odnawialnych), i zmniejsza zależność od paliw kopalnych. Przedsiębiorstwa wiejskie dążące
do dywersyfikacji również uznają ogrzewanie dzięki energii odnawialnej za korzystne.
Zainstalowaliśmy ponad 50 kotłów na biomasę o mocy od 15 do 200kW, współpracujemy z najlepszymi producentami kotłów w Europie (Froeling, OekoFEN
i HDG), możemy zapewnić idealny projekt dostosowany do twoich potrzeb.
Mniejszy kocioł na biomasę o mocy 100 kW zastępujący kocioł olejowy:
• oczekiwany zwrot inwestycji po 4 latach
• przyniesie ok £ 304000 korzyści finansowych dzięki RHI przez okres ponad 20 lat
• całkowite korzyści finansowe wyniosą £ 418000 przez okres ponad 20 lat (w tym RHI i oszczędności paliwa)
Większy, komercyjny kocioł na biomasę o mocy 200 kW zastępujący kocioł olejowy:
• oczekiwany zwrot inwestycji po 4 latach
• przyniesie ok £ 607000 korzyści finansowych dzięki RHI przez okres ponad 20 lat
• całkowite korzyści finansowe wyniosą £ 885000 przez okres ponad 20 lat (w tym RHI i oszczędności paliwa)
Studium przypadku 3.
W gospodarstwie Copys Green Farm, Norfolk, znajduje się jedna z niewielu beztlenowych komór fermentacyjnych w kraju. Obornik bydlęcy i kiszonka
z gospodarstwa mlecznego Stephena Temple oraz serwatki z produkcji sera w jego przedsiębiorstwie są paliwem dla zakładu produkcji biogazu, który może
być wykorzystany do produkcji ciepła i energii elektrycznej. Dzięki nadwyżkom energii przekazywanym do sieci, produktowi ubocznemu fermentacji
wykorzystywanemu jako zamiennik nawozu oraz znacznie zmniejszonym kosztom usuwania obornika, kiszonki i serwatki jest to bardzo korzystna inwestycja.
Stephen mówi, że posiadany przez niego agregat kogeneracyjny generuje około 130 kW energii sprzedawanej do sieci oraz energię na jego własne potrzeby,
a ponadto wytwarza tak dużą ilość ciepła, że kotły na wióry drzewne utrzymywane są jedynie w trybie gotowości.
Koszt projektu wyniósł około £ 750000 z prognozowanym ośmioletnim zwrotem.
Znaczny zwrot z inwestycji uzyskuje się dzięki sprzedaży energii elektrycznej i oszczędnościom związanym z brakiem konieczności zakupu energii
elektrycznej. Taryfa gwarantowana stanowi również dużą pomoc. Ciepło można wykorzystać w gospodarstwie, a wykorzystanie pofermentatu stałego do
nawożenia upraw obniża koszty nawożenia, a także poprawia żyzność i wartość ziemi uprawnej. Środowisko również odniesie korzyści, w szczególności
dzięki redukcji zanieczyszczeń z odchodów zwierzęcych.
Studium przypadku 4.
David Ball jest kierownikiem gospodarstwa w Kemble Farms Ltd. W 2008 roku zakończono instalację 300 kW zakładu do fermentacji beztlenowej, który
uzupełnił cały kompleks mleczarski i zapewnił inne źródło dochodu niezależne od wahających się cen mleka. Zakład został ograniczony do tej mocy
z powodu swojego położenia względem połączeń z siecią krajową. Na przykład, jeśli jego moc wyniosłaby 300 kW przy obecnej lokalizacji, niezbędne byłoby
wykorzystanie trzech mil dodatkowego okablowania. Z ekonomicznego punktu widzenia podczas wytwarzania energii elektrycznej, zakład przynosi również
dodatkowe korzyści dla środowiska i mieszkańców.
• Gospodarstwo w Gloucestershire obejmuje 2000 hektarów gruntów ornych i składa się z 750 krów mlecznych
• 300 kW beztlenowa komora fermentacyjna
• Inwestycja w wysokości 1 mln funtów
• Zwrot inwestycji po 5-7 latach
• Korzyści płynące ze zwiększonej efektywności stosowania nawozów oraz z dochodów z eksportu energii i ciepła
Cały system kosztował około 1 mln funtów. Kwota ta obejmuje wszystkie urządzenia służące do fermentacji beztlenowej, dodatkowy magazyn i silos.
Większość była sfinansowana przez gospodarstwo, ale przyznana również została dotacja w wysokości 32% z Departamentu Energii i Zmian Klimatycznych
(ang. Department for Energy and Climate Change, DECC).
Cała wytworzona energia elektryczna jest eksportowana do sieci krajowej, a ponieważ jest ona produkowana w wyniku beztlenowej fermentacji, otrzymujemy
podwójny zwrot. Na etapie analizy wykonalności przewidywaliśmy w budżecie £56/MW AD, co wzrosło do £71/MW do momentu rozpoczęcia produkcji przez
sześć miesięcy. Po zakończeniu pierwszego roku otrzymaliśmy średnią £42/MW, a w 2010 roku £35/MW. Jesteśmy jednak przekonani, że ceny te ponownie
wzrosną.
Studium przypadku 5.
Rob jest mleczarzem z Gloucestershire, posiadającym 110 krów w swoim 140 akrowym gospodarstwie. W 1993 roku zainstalował 125 kubikowy system
fermentacji beztlenowej, który pobiera około 5 kubików gnojowicy dziennie. Wyprodukowany gaz jest następnie wykorzystywany do ogrzewania dwóch
domów na terenie gospodarstwa, a pofermentat, jako nawóz naturalny. Poza tym, że ogrzewanie przynosi korzyści poprzez zmniejszenie ilości paliw
kopalnych, które potrzebuje gospodarstwo, system ten przynosi również inne korzyści ekologiczne i ekonomiczne. W tym studium przypadku, Robert
przedstawia szczegóły swojego projektu. Szczegóły:
• 140 akrów, 110 krów w Gloucestershire
• 125 kubikowa komora fermentacyjna
• inwestycja w wysokości £60000
• zwrot inwestycji po 10-12 latach od instalacji
• energia wykorzystywana do ogrzewania dwóch domów
9. Wykorzystanie zagospodarowania przestrzennego i praktyka rolnicza
Rolnictwo to użytkowanie ziemi, a wynikające z rolnictwa zagospodarowanie przestrzeni prowadzi do szeroko upowszechnionego przekonania, że „wiejski”
jest tym samym, co „rolniczy”. W całej UE gospodarka gruntami rolnymi stworzyła bogatą różnorodność krajobrazu, w tym mozaikę lasów, terenów
podmokłych i rozległych połaci otwartej wsi.
Podczas gdy w przeszłości rolnictwo kształtowało krajobraz, obecnie działalność rolnicza, która pomogła kształtować krajobraz straciła swoją
konkurencyjność. WPR podkreśla znaczenie utrzymania tradycyjnego krajobrazu rolniczego, jako części dziedzictwa kulturowego i naturalnego, ekologicznej
integralności i malowniczych krajobrazów, które sprawiają, że tereny wiejskie są atrakcyjnym miejscem na założenie przedsiębiorstwa, miejscem do życia,
uprawiania turystyki i prowadzenia działalności rekreacyjnej.
Ekologiczna integralność krajobrazu jest ważnym elementem jego atrakcyjności i postrzeganej wartości. Całkiem niedawno powstała koncepcja rolnictwa
o wysokiej wartości przyrodniczej, która przewiduje istnienie związku przyczynowego między pewnymi rodzajami działalności rolniczej, a wartościami
naturalnymi, takimi jak wysoki poziom różnorodności biologicznej lub obecność chronionych gatunków i siedlisk.
Zazwyczaj praktyki rolnicze dążące do zachowania i rozwoju różnorodności biologicznej są związane z niską intensywnością wypasu i koszenia oraz półdziką
roślinnością.
Niemniej jednak, krajobrazy z intensywniejszą produkcją rolniczą mogą być korzystne dla różnorodności biologicznej, ponieważ pewne cechy terenów
rolniczych zapewniają miejsca gniazdowania i miejsca lęgowe, źródła żywności i korytarze migracyjne.
Istnieją również przykłady obszarów rolniczych zarządzanych w pełni intensywnie, które utrzymują przy życiu duże populacje gatunków ważnych dla ochrony
przyrody.
Zalety środowiskowe krajobrazów zagospodarowanych przez rolnictwo mają charakter dóbr publicznych. Potrzebne są środki polityki zarządzania cennymi
krajobrazami i związanymi z nimi walorami, jak również środki polityki rolnośrodowiskowej.
UE zobowiązała się do walki ze zmianami klimatu i zwiększenia bezpieczeństwa dostaw energii. Bioenergia z leśnictwa i rolnictwa odgrywa kluczową rolę
w obu kwestiach. Wspólna Polityka Rolna pomaga rolnictwu i leśnictwu zapewnić biomasę do wytwarzania energii i zachęca do wykorzystania bioenergii na
obszarach wiejskich.
Podstawowe fakty
Bioenergia jest jedną z form energii odnawialnej wśród wielu innych źródeł (energia wiatrowa, słoneczna, wodna, geotermalna, itp). Bioenergia, jeśli
wytwarzana w sposób zrównoważony, ogranicza emisję gazów cieplarnianych. Bioenergia stanowi ponad dwie trzecie całkowitej energii pochodzącej ze
źródeł odnawialnych w UE.
Biomasa wykorzystywana do produkcji energii pochodzi głównie z leśnictwa (które dostarcza połowę energii odnawialnej w UE), rolnictwa i odpadów
organicznych. Udział rolnictwa - choć wciąż skromny - szybko rośnie.
Surowce do produkcji bioenergii można magazynować; dzięki temu bioenergia może być produkowana w sposób ciągły i jest niezawodnym źródłem energii.
Biomasa jest szeroko dostępna w wielu częściach Europy.
Biomasa występuje w postaci stałej, ciekłej lub gazowej i może być stosowana do wytwarzania elektryczności, bezpośrednio do ogrzewania lub jako paliwo
transportowe.
Produkcja energii z leśnictwa i rolnictwa w UE jest równoważna milionom ton oleju.
(Źródła: Leśnictwo – Eurostat, Rolnictwo – Dyrekcja Generalna ds. Rolnictwa i Rozwoju Obszarów Wiejskich, w oparciu o eBio, EBB, EurObserv'ER)
Nowa polityka
Przywódcy UE wyznaczyli w dniu 23 października 2014 cel zredukowania emisji gazów cieplarnianych do 2030 o co najmniej 40% w porównaniu do roku
1990 oraz określili inne główne bloki ram polityki klimatyczno-energetycznej do roku 2030 zaproponowanej przez Komisję Europejską w styczniu 2014. Ramy
polityki do roku 2030 mają na celu uczynienie europejskiej gospodarki i systemu energetycznego bardziej konkurencyjnymi, bezpiecznymi i zrównoważonymi,
a także ustanowiły cel zakładający, że do roku 2030 co najmniej 27% energii ma pochodzić ze źródeł odnawialnych.
Podczas gdy Unia Europejska poczyniła duże postępy w realizacji swoich celów dotyczących klimatu i energii na rok 2020, konieczne jest zintegrowane ram
polityki na okres do roku 2030, aby zapewnić pewność prawną dla inwestorów i skoordynowaną postawę wśród państw członkowskich.
Prezentowane ramy będą napędem w kierunku gospodarki niskoemisyjnej. Ma ona na celu zbudowanie konkurencyjnego i bezpiecznego systemu
energetycznego, który zapewni energię po przystępnych cenach dla wszystkich konsumentów, zwiększy bezpieczeństwo dostaw energii w UE, zmniejszy
naszą zależność od importu energii oraz stworzy nowe możliwości dla wzrostu gospodarczego i zatrudnienia.
Zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych o co najmniej 40%
Punktem kluczowym ram polityki UE jest cel wiążący wszystkie państwa członkowskie zakładający redukcję krajowej emisji gazów cieplarnianych o co
najmniej 40% do roku 2030 w stosunku do poziomu z roku 1990.
Cel ten ma zapewnić, że UE znajdzie się na opłacalnej drodze do ograniczenia emisji o co najmniej 80% do roku 2050. Dzięki ustanowieniu celu do roku
2030 UE będzie również w stanie aktywnie zaangażować się w negocjacje w sprawie nowego międzynarodowego porozumienia klimatycznego, które
powinno wejść w życie w roku 2020.
By osiągnąć wspomniane 40%, sektory objęte unijnym systemem handlu uprawnieniami do emisji gazów cieplarnianych (EU ETS) będą musiały ograniczyć
swoje emisje o 43% w stosunku do roku 2005. Emisje z sektorów spoza EU ETS muszą zredukować emisję o 30% poniżej poziomu z 2005 roku. Rada
Europejska określiła główne zasady, które mają pomóc w osiągnięciu celu.
Zwiększenie udziału energii odnawialnej do poziomu co najmniej 27%
Energia odnawialna będzie odgrywać kluczową rolę w przejściu na konkurencyjny, bezpieczny i zrównoważony system energetyczny. Komisja
zaproponowała cel, jakim jest zwiększenie udziału energii ze źródeł odnawialnych do poziomu co najmniej 27% całkowitego zużycia energii w UE do roku
2030. Rada Europejska zatwierdziła ten cel, który jest wiążący dla krajów członkowskich.
Zwiększenie efektywności energetycznej o co najmniej 27%
Komisja Europejska zaproponowała cel zwiększenia efektywności energetycznej o 30% w stosunku do roku 2030 w następstwie dyrektywy o efektywności
energetycznej. Proponowany cel opiera się na osiągnięciach już dokonanych: nowe budynki zużywają połowę energii w stosunku do poziomu z 1980 roku, a
przemysł o 19% mniej energii niż w 2001. Niemniej jednak, Rada Europejska poparła cel indykatywny w wysokości 27% do poddania przeglądowi w 2020
roku mając na uwadze cel w wysokości 30%.
Reforma europejskiego systemu handlu uprawnieniami do emisji
EU ETS będzie zreformowana i wzmocniona. Cel zakładający redukcję emisji gazów cieplarnianych o 43% do 2030 oznacza, że roczny wskaźnik dotyczący
zmniejszenia pułapu maksymalnych dozwolonych emisji zostanie podniesiony z 1,74% do 2,2% począwszy od 2021 roku;
W styczniu 2014 Komisja zaproponowała, aby utworzyć rynkową rezerwę stabilizacyjną, która miałaby działać od 2021 roku. Ma ona na celu rozwiązać
problem powstałych w ostatnich latach nadwyżek uprawnień do emisji w ramach EU ETS oraz w celu poprawy odporności systemu na braki równowagi. Ma
ona zapewnić, że w przyszłości system EU ETS będzie bardziej niezawodny i skuteczny we wspieraniu inwestycji niskoemisyjnych oraz nie obciąży kosztami
społeczeństwa.
Rada Europejska podkreśliła, że zreformowany, dobrze funkcjonujący system handlu emisjami wyposażony w narzędzie do stabilizacji rynku, zgodnie z
wnioskiem Komisji, będzie głównym instrumentem do osiągnięcia redukcji emisji gazów cieplarnianych.
Nowy system zarządzania
Ramy polityki do 2030 obejmują też propozycję utworzenia nowego systemu zarządzania w oparciu o krajowe plany konkurencyjnego, bezpiecznego i
zrównoważonego wykorzystania energii, jak również o nowe wskaźniki do oceny postępów w czasie. Rada Europejska uzgodniła, że wiarygodny i przejrzysty
system zarządzania zostanie opracowany, aby zapewnić, że UE spełnia swoje cele polityki energetycznej.
Kontekst
Ramy polityki do 2030 roku zaproponowane przez Komisję w styczniu 2014 opierają się na doświadczeniu oraz wnioskach wyciągniętych z ram polityki
klimatyczno-energetycznej do 2020 roku. Biorą także pod uwagę dłuższą perspektywę czasową określoną przez Komisję w 2011 roku w planie działania
prowadzącym do przejścia na konkurencyjną gospodarkę niskoemisyjną do roku 2050, Planie działania UE w zakresie energii na rok 2050 i Białej Księdze
Transportu. Dokumenty te odzwierciedlają cel UE, jakim jest ograniczenie emisji gazów cieplarnianych o 80-95% poniżej poziomu z roku 1990 do roku 2050
przez wszystkie kraje rozwinięte ogółem.
Aby przygotować się do ram polityki do 2030, Zielona Księga przyjęta przez Komisję w marcu 2013 zainicjowała publiczną debatę na temat tego, co ramy te
powinny zawierać. Debaty społeczne trwały aż do 02 lipca 2013.
Bezpieczeństwo energetyczne i łagodzenie zmian klimatu to kluczowe elementy w obecnej europejskiej polityce energetycznej. Kraje UE są zobowiązane do
spełnienia do roku 2020 celu zakładającego, że 20% podaży energii będą stanowiły zasoby odnawialne, a w sektorze transportowym 10%. W tym drugim
przypadku mówimy o zastąpieniu 50 miliardów litrów transportowego paliwa kopalnego. Strategia energetyczna 2020 Komisji Europejskiej wzywa do
zwiększenia wykorzystania odnawialnych źródeł energii w systemie energetycznym, a Rada Europejska przedstawiła długoterminowy cel dla UE i innych
krajów uprzemysłowionych zakładający redukcję emisji gazów cieplarnianych o 80 do 95% do roku 2050. Podstawą prognoz energetycznych Unii
Europejskiej dotyczących odnawialnych źródeł jest biomasa, która ma stanowić 56% energii ze źródeł odnawialnych w EU27 do 2020 roku.
Globalne perspektywy dla przyszłej produkcji energii są oparte na wykorzystaniu źródeł odnawialnych, a w szczególności biomasy. Unia Europejska
postawiła sobie poprzeczkę wykorzystania energii odnawialnej wyżej niż gdziekolwiek indziej.
Krajowe plany działania w zakresie energii ze źródeł odnawialnych zawierają obliczenia zasobów krajowej i importowanej biomasy wymaganej do osiągnięcia
celów strategii energetycznej UE. Szacunki te są wykorzystywane przy użyciu różnych założeń dotyczących wydajności przetwarzania oraz różnych
jednostek utrudniających bezpośrednie wykorzystanie danych. Obliczono zapotrzebowanie na biomasę na podstawie krajowych prognoz dotyczących energii
odnawialnej z zastosowaniem mnożników efektywności konwersji na podstawie i przy założeniu, że 11% energii elektrycznej w Europie opiera się na
kogeneracji energii elektrycznej i ciepła. Uważamy, że ilość biomasy wymagana, aby spełnić cel UE 27 wzrośnie z 3,8 EJ w 2005 roku do 10,0 EJ do 2020
roku. W 2009 roku w krajach UE 27 pierwotna produkcja biomasy i odpadów wynosiła 4,2 EJ. Ilość biomasy wymaganej w 2020 roku obejmuje wykorzystanie
~0,1 EJ tradycyjnych upraw spożywczych, czyli zbóż i buraków cukrowych do produkcji bioetanolu pierwszej generacji i roślin oleistych do produkcji biodiesla,
a także 0,5 EJ w krajach spoza UE 27 jako surowiec do produkcji paliwa płynnego. Produkcja ciepła i energii elektrycznej stanowią lwią część we wszystkich
latach do 2020 roku, ale wymagania w sektorze transportu wzrastają z 5% zapotrzebowania na biomasę w roku 2005 do 18% w roku 2020. W dłuższej
perspektywie do roku 2050 lub 2100 znacznie więcej biomasy ma być wykorzystywane do konwersji na energię elektryczną w krajach UE27, aby spełnić
długoterminowe cele dekarbonizacji sektora energii elektrycznej i transportu.
ENERGIA Z BIOGAZU ROLNICZEGO
1. Czym jest biogazownia rolnicza?
1.1 Definicja ogólna
Biogazownia rolnicza jest zespołem urządzeń
służących do przeprowadzania fermentacji
metanowej
substratów
organicznych
wytworzonych w gospodarstwie rolnym oraz
umożliwiających
ich
wykorzystanie
po
zakończonym procesie fermentacji. Zgodnie z
regulacjami prawnymi biogaz rolniczy to .
Biogaz rolniczy można zatem pozyskać ze
wszystkich produktów pochodzących z produkcji
rolniczej zarówno zwierzęcej jak i roślinnej.
Wytworzenie biogazu możliwe jest praktycznie z
każdego materiału pochodzenia rolniczego
a materiał ten (substrat) ma zróżnicowaną
wartość energetyczną czyli potencjał do
wytworzenia określonej ilości metanu.
Istnieją różne możliwości procesu pozyskania i
zagospodarowania energii z biogazu. Schemat 1
przedstawia takie możliwości.
1.2 Elementy biogazowni rolniczej
poszczególne etapy produkcji gazu
–
Każda biogazownia rolnicza składa się z kilku
podstawowych elementów. Elementy dodatkowe
instaluje się w biogazowniach w zależności od
ich wykorzystania oraz mocy.
Schemat 1
Elementami podstawowymi każdej biogazowni są więc:
- zbiornik magazynowania substratów,
- urządzenia transportującego substrat ze zbiornika do reaktora,
- komory fermentacyjnej,
- zbiornika gazu,
- zbiornika na przefermentowany substrat.
Elementy zależne od przeznaczenia biogazowni:
- generator prądotwórczy,
- urządzenie do spalania gazu i wytwarzające ciepło,
- kogenerator.
Magazyn substratów – każda biogazownia musi być wyposażona w magazyn substratów.
Magazyn taki jest niezbędny do utrzymania stałej ilości produkowanego biogazu.
Pojemność magazynu powinna być dostosowana do 0,5 – 2 krotnej objętości
Naziemny magazyn substratów
produkowanego w ciągu doby substratu. Zbiornik magazynowy dla substratów płynnych
może być wykonany z różnych materiałów takich jak beton, stal lub tworzywa sztuczne. Materiał, z jakiego wykonany jest zbiornik zależy do składowanego
materiału. Zbiornik magazynowy może być zagłębiony lub naziemny.
Zbiorniki do magazynowania substratów płynnych i półpłynnych powinny być szczelne i mieć
odpowiednią wielkość w stosunku do produkcji substratu. Zbiorniki na substrat roślinny powinien
być wyposażony w odpowiednia instalację służącą do odbioru odcieków w celu zapobiegania
przedostawaniu się odcieków do gleby. Zbiornik taki powinien szczelnie zakryty aby zapobiec
przedostawaniu się do niego wody deszczowej oraz wysychaniu substratu.
Urządzenia do transportu substratu – aby produkcja biogazu odbywała się na stałym,
odpowiednim poziomie konieczne jest stałe zasilanie fermentora odpowiedniej jakości
substratem. W zależności od rodzaju substratu można stosować pompy (substrat płynny np.
gnojowica), przenośniki ślimakowe (substrat półpłynny) oraz kosze zasypowe zlokalizowane
przy fermentorach o pojemnościach pozwalających na zasypanie ilością substratu
wystarczającego na dobę.
Pompa przeponowa do transportu substratu płynnego
Komora fermentacyjna (bioreaktor) – jest najważniejszym elementem biogazowni, w której
przebiega proces fermentacji metanowej. Od poprawności jej konstrukcji i właściwego
wykonania uzależniona jest skuteczność całej inwestycji. Ściany komory fermentacyjnej muszą
być szczelne, aby uniemożliwić przeciekanie cieczy i gazów. Konieczna jest również dobra
izolacja, zapewniająca jak najmniejsze straty ciepła. Im lepsza izolacja, tym mniejsze
uzależnienie od temperatury zewnętrznej. Komora fermentacyjna powinna mieć właz
umożliwiający kontrolę wnętrza i ewentualne naprawy. W zależności od zastosowanej
technologii, biogazownia może być wyposażona w jedną lub więcej komór. Komory
fermentacyjne mogą być poziome lub pionowe, wykonane z blachy stalowej, betonu lub
tworzywa sztucznego. Komora musi być wyposażona w urządzenie do mieszania jej zawartości
(mieszadło lub inny system mieszający) oraz w system grzewczy pozwalający na osiągnięcie
wymaganej temperatury fermentacji i utrzymanie jej na stałym poziomie. Przefermentowaną
masę z bioreaktora odprowadza się najczęściej przez rurę przelewową.
Systemy mieszające – ważnym elementem procesu powstawania biogazu jest mieszanie
fermentującej w zbiorniku pulpy. Wyróżnia się 3 typy mieszadeł: pneumatyczne, hydrauliczne
oraz mechaniczne. W większości biogazowni
stosuje się mieszadła mechaniczne. Mieszadła
mechaniczne można podzielić na 3 grupy: skośne,
poziome i pionowe. Najczęściej spotykany jest
układ 2-3 mieszadeł skośnych lub poziomych.
Mieszadła pionowe (centralne) można stosować
tylko w przypadku zbiornika ze stałym,
wzmocnionym dachem. Niepełne mieszanie
wskutek jego braku może prowadzić do zaburzeń
Mieszadło skośne
fermentacji i tworzenia się kożucha.
Systemy ogrzewające - Układ grzewczy w zbiornikach betonowych musi być umieszczony od
wewnątrz bocznych ścian, z kolei w zbiornikach metalowych jest on zazwyczaj umiejscowiony na
stronie zewnętrznej. Oba typy zbiorników muszą posiadać izolację termiczną. Innym
rozwiązaniem jest zastosowanie ogrzewania podłogowego w dnie zbiornika. Zdarza się również
podgrzewanie wsadu za pomocą wymiennika ciepła umieszczonego na zewnątrz zbiornika.
Nowatorskim rozwiązaniem jeśli chodzi o ogrzewanie jest wykonanie mieszadła w fermentorze
Ogrzewanie wewnętrzne
poziomym z rur stalowych w środek których wpompowywana jest gorąca woda ogrzewająca fermentat.
Zaletą takiego systemu jest jednorodne ogrzewanie cieczy w całej jej objętości.
Zbiornik na biogaz
Zbiornik gazu - jest to wydzielony zbiornik magazynujący biogaz, pracujący przy ciśnieniu wymaganym w
sieci gazowej. Zgromadzony w nim biogaz przechowywany jest do czasu, kiedy będzie zapotrzebowanie na
energię. Zbiornik na biogaz ma postać elastycznego balonu, który wypełnia się w miarę zwiększania się
ilości wyprodukowanego biogazu. Zbiornik może być umiejscowiony bezpośrednio nad reaktorem lub, w
przypadku reaktora poziomego może być usytuowany obok reaktora. W takim przypadku zbiornik musi być
usytuowany w odpowiedniej budowli zapewniającej bezpieczną prace zbiornika. Każdy zbiornik
wyposażony jest w zawór bezpieczeństwa zapobiegający nadmiernemu wzrostowi ciśnienia wewnątrz
zbiornika. W przypadku przekroczenia dopuszczalnego ciśnienia zawór wypuszcza nadmiar biogazu na
zewnątrz.
Zbiornik na przefermentowany substrat - jest to oddzielny, zewnętrzny zbiornik pozwalający na
składowanie przefermentowanego substratu, który jest
cennym nawozem i może być wykorzystany zarówno
w formie płynnej jak i wykorzystany do produkcji
kompostu na potrzeby rynku.
Zbiornik na pofermentat
Kogenerator
Urządzenie do oczyszczania biogazu Oczyszczanie biogazu przed wykorzystaniem jest
niezbędne, ponieważ zapobiega korozji instalacji
i urządzeń oraz ze względu na wymogi związane z
ochroną środowiska.
Urządzenia zależne od przeznaczenia biogazowni
Biogaz może być wykorzystany do produkcji energii elektrycznej, cieplnej lub obu tych energii jednocześnie.
W praktyce najczęściej spotyka się układy wykorzystujące produkowany biogaz do wytwarzania energii
elektrycznej i cieplnej. Taki system nazywany jest układem kogeneracyjnym. Aby wytworzyć energię elektryczną i cieplną należy zainstalować urządzenie
zwane agregatem kogeneracyjnym. Jest to odpowiednio przystosowany do spalania metanu silnik spalinowy ze zintegrowaną, zależną od wielkości
biogazowni prądnicą. Ciepło wytwarzane w silniku spalinowym wykorzystywane jest jako źródło energii cieplnej. Rzadziej spotykanym sposobem
wykorzystania biogazu jest spalanie go w celach grzewczych. W takiej biogazowni urządzeniem przetwarzającym biogaz na energię cieplna jest piec gazowy
odpowiednio zmodyfikowany do spalania metanu.
1
3
2
4
7
5
6
8
SPRZEDAŻ NA
ZEWNĄTRZ
9
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Budynek gospodarski – gnojowica spływa kanałem do zbiornika wstępnego. Naturalnym źródłem metanu są odchody zwierzęce: obornik i gnojowica a także odchody
drobiu.
Zbiornik wstępny – miejsce gromadzenia biomasy, jego kształt i rodzaj zależy od ilości i charakteru substratów np. kiszonki wymagają przechowywania w silosach lub
rękawach. Zbiornik może być wyposażony w instalację do odbioru odcieków zapobiegającą przedostawaniu się substancji do gleby i jej zanieczyszczaniu.
Komora fermentacyjna – serce biogazowni. Komora może być jedna lub więcej, zależy to od zastosowanej technologii. Mogą one być betonowe lub stalowe. Są
zaopatrzone w instalację ogrzewającą i izolującą, zapewniającą utrzymanie odpowiedniej temperatury dla zachodzących reakcji chemicznych. Materiał wsadowy może być
podgrzewany bezpośrednio przez rozcieńczanie gorącą wodą lub parą, bądź pośrednio przez wymienniki ciepła wbudowane w ściany lub dno komory fermentacyjnej.
Zawartość komory nie jest jednorodna. Dlatego istotnym elementem komory jest system mieszający, którego zadaniem jest ujednolicenie składu zawartości oraz
odgazowanie fermentującego wsadu. Stosuje się różne sposoby mieszania: pompowe – zewnętrzny układ pomp wymuszający cyrkulację w komorze; mieszanie przez
wtłaczanie gazu; mieszacze śrubowe – mieszadło pompujące umieszczone w centralnej rurze transportowej; mieszanie śmigłami wolnoobrotowymi umieszczonymi w
układzie pionowym lub ukośnym.
Oczyszczanie biogazu – przed wykorzystaniem na cele energetyczne biogaz musi być oczyszczony z nadmiaru pary wodnej i siarkowodoru. Biogaz nasycony jest parą
wodną, a jego wilgotność względna wynosi 100%. W zależności od rozwiązań technicznych część pary ulega kondensacji w odwadniaczu lub chłodnicy. Pozostała ilość
wpływa na zmianę parametrów gazu. Aby chronić agregaty służące do wykorzystania gazu przed wysokim zużyciem należy parę wodną usunąć. Zawartość siarkowodoru w
biogazie waha się od 0,1-2% i zależy od rodzaju wsadu. Siarkowodór jest niekorzystny ze względu na toksyczność, odór, przyspieszanie korozji urządzeń. Jako krytyczne
przyjmuje się stężenie H2S powyżej 1% objętościowego.
Zbiornik na biogaz – zamontowany bezpośrednio nad komorą fermentacyjną, zbierając gaz z bieżącej produkcji, ma kształt dzwonu. Innym rozwiązaniem są zbiorniki
osobne. Instalacja musi być wyposażona w pochodnię do spalania nadwyżek gazu oraz inne urządzenia bezpieczeństwa zabezpieczające przed nad- i podciśnieniem oraz
w instalację odgromową.
Agregat kogeneracyjny przetwarzający biogaz na energię elektryczną i cieplną oraz system automatycznego sterowania, w skład którego wchodzą układy regulacji,
pomiaru, zabezpieczeń i monitorowania.
Zbiornik na przefermentowaną biomasę. Czasem może stanowić komorę wtórnej fermentacji, ponieważ proces fermentacji nierozłożonej części materii organicznej trwa
dalej, ale ze znacznie mniejszą wydajnością. Warunkiem dalszego odzyskania biogazu jest przykrycie zbiornika gazoszczelną powłoką.
Substancja pofermentacyjna może być wykorzystana do nawożenia upraw polowych i użytków zielonych. Paliwem do maszyn rolniczych może być biogaz. Wymaga to
odpowiedniej adaptacji maszyn i uzdatnienia biogazu do poziomu jakości gazu ziemnego.
Wykorzystanie energii elektrycznej i cieplnej na potrzeby własne pozwala zmniejszyć koszty funkcjonowania gospodarstwa.
2. Jak powstaje biogaz
Jak sama nazwa wskazuje, „biogaz” powstaje w procesie biologicznym. Z masy organicznej przy braku obecności tlenu powstaje mieszanina gazów, tak
zwany biogaz. Początkowo biogaz był nazywany gazem błotnym lub bagiennym, gnilnym, ściekowym ze względu na miejsce naturalnego powstawania. Ten
szeroko rozpowszechniony w przyrodzie proces odbywa się na przykład na torfowiskach, na dnie mórz, w gnojowicy oraz w żwaczach przeżuwaczy. Masa
organiczna zamienia się prawie w całości w biogaz i oprócz tego powstają dodatkowo niewielkie ilości nowej biomasy lub ciepła.
Biogaz składa się przede wszystkim z metanu (50-75%), dwutlenku węgla (25-45%), wody (2-7%), siarkowodoru (0,1-5,5%) oraz śladowych ilości azotu,
tlenu i wodoru.
Biogaz i jego główny składnik – metan – oraz ich właściwości i wartość opałowa zostały odkryte w 1776 r. przez włoskiego fizyka Alessandra Voltę. Nazwę
biogaz dla mieszaniny gazów powstających podczas fermentacji metanowej odchodów zwierząt hodowlanych i odpadów rolniczych zaproponował w 1955 r.
Werner Noack. Proces wytwarzania metanu może zachodzić również w sztucznie stworzonych warunkach, w komorach, gdzie biogaz uzyskuje się na skutek
fermentacji metanowej.
Fermentacja metanowa – proces mikrobiologiczny, w którym złożone substancje organiczne (węglowodany, białka, tłuszcze) przekształcane są
w warunkach beztlenowych przez mikroorganizmy anaerobowe w metan i dwutlenek węgla.
Nazwa „fermentacja metanowa” została nadana przed poznaniem istoty tego procesu i może być myląca. W rzeczywistości jest to zespół przemian
biochemicznych, które łączy brak tlenu stąd stosowana jest również nazwa fermentacja beztlenowa.
W procesie przekształcania związków organicznych w gaz fermentacyjny biorą udział trzy grupy mikroorganizmów:
1. bakterie prowadzące dwa pierwsze etapy procesu to bakterie hydrolizujące związki organiczne. Optymalne warunki dla tych mikroorganizmów to
pH ok. 6 oraz temp. ok. 30°C.
2. bakterie octanowe – odpowiadające za produkcję octanów.
3
3. bakterie metanogenne – należą do bezwzględnych beztlenowców. W przypadku pojawienia się tlenu już w stężeniu 0,01 mg/dm są one
inhibitowane, wzrasta stężenie kwasów organicznych i obniża się pH środowiska. Są bardzo zróżnicowane i wyspecjalizowane do wykorzystywania
określonych substratów. Optimum temperaturowe procesu metanogenezy wynosi 35-45°C, zaś pH – 7.
Proces powstawania biogazu, można podzielić na kilka etapów. W pierwszym etapie, hydrolizie, dochodzi do rozkładu złożonych związków materiału
wyjściowego (np. węglowodanów, białek, tłuszczy) na proste związki organiczne (np. aminokwasy, cukier, kwasy tłuszczowe). Uczestniczące w tym procesie
bakterie uwalniają enzymy, które rozkładają materiał na drodze reakcji biochemicznych. Następnie utworzone produkty pośrednie rozkładają się w tak zwanej
fazie zakwaszania przy udziale bakterii kwasotwórczych na kwasy tłuszczowe (kwas octowy, propionowy i masłowy) oraz dwutlenek węgla i wodór. Oprócz
tego powstają niewielkie ilości kwasu mlecznego i alkoholu. Produkty te w następnej fazie tworzenia się kwasu octowego, przy udziale bakterii zamieniają
się w substancje poprzedzające powstanie biogazu (kwas octowy, wodór i dwutlenek węgla). Ponieważ zbyt wysoka zawartość wodoru szkodzi bakteriom
octowym, muszą one współpracować z bakteriami metanowymi. Podczas tworzenia metanu zużywają one wodór i przez to zapewniają odpowiednie warunki
do życia bakterii octowych. W kolejnej fazie, metanogonezie, ostatnim etapie tworzenia biogazu, z produktów acetogenezy powstaje metan.
Złożone związki organiczne
(białka, tłuszcze, węglowodany)
hydroliza
Proste związki organiczne
(aminokwasy, kwasy tłuszczowe, cukry proste)
Powstawanie kwasów
Niższe kwasy organiczne
(kwas propionowy, kwas masłowy)
Pozostałe kwasy organiczne
(kwas mlekowy, alkohole itp.)
Powstawanie kwasu octowego
Kwas octowy
Woda i dwutlenek węgla
Powstawanie metanu
BIOGAZ
metan + dwutlenek węgla
Warunki środowiskowe
W opisie warunków środowiskowych można rozróżnić fermentację mokrą oraz fermentację suchą, ponieważ głównie ze względu na zawartość wodoru
wynikają między nimi różnice.
Jednoznaczny podział metod na fermentację mokrą i suchą z biologicznego punktu widzenia jest właściwie mylny, ponieważ bakterie biorące udział procesie
fermentacji zawsze potrzebują płynnego środowiska do przeżycia. Również w przypadku definicji zawartości masy suchej fermentującego podłoża dochodzi
do nieporozumień, ponieważ bardzo często stosuje się podłoża o różnych zawartościach masy suchej. Z tego powodu podział na fermentację mokrą lub
suchą następuje na podstawie zawartości masy suchej materiału w komorze fermentacyjnej. Należy ponadto zwrócić uwagę na fakt, iż bakterie w swoim
bezpośrednim otoczeniu w obu przypadkach potrzebują środowiska wodnego. Co prawda nie ma dokładnej definicji granicy między fermentacją mokrą
i suchą, to jednak w praktyce przyjęło się, że o fermentacji mokrej mówimy wtedy, gdy zawartość masy suchej w fermentorze wynosi od 12 do 15% i przy tej
zawartości wody możliwe jest pompowanie materiału. Jeśli zawartość masy suchej wzrośnie powyżej 16%, to materiał przeważnie traci zdolność do
pompowania i mówimy wtedy o fermentacji suchej.
Tlen
Bakterie metanowe należą do najstarszych organizmów żyjących na ziemi i powstały przed trzema lub czterema miliardami lat, długo przed tym, jak na ziemi
wytworzyła się atmosfera. Z tego powodu bakterie te również dziś są zdane na warunki życia, w których nie występuje tlen. Niektóre z tych bakterii już przy
niewielkich ilościach tlenu giną. Często nie da się uniknąć całkowitego wyeliminowania zawartości tlenu w fermentator. Powodem tego, że nie od razu można
wyhamować działania bakterii metanowych lub całkowicie ich zlikwidować, jest fakt, że żyją one we współpracy z bakteriami z poprzednich etapów. Niektóre
z tych bakterii są warunkowo beztlenowe, to znaczy mogą przeżyć zarówno w warunkach aerobowach jak i anaerobowych. Tak długo, jak doprowadzenie
tlenu nie będzie odpowiednio wydajne, bakterie te będą zużywać tlen, zanim zaszkodzi on bakteriom, które żyć mogą tylko w warunkach beztlenowych.
Temperatura
Zasadniczo można powiedzieć, że reakcje chemiczne przebiegają tym szybciej, im wyższa jest temperatura otoczenia. W przypadku biologicznych procesów
rozkładu i przemiany zależność ta sprawdza się tylko pod pewnymi warunkami. Należy uwzględnić, że każdy rodzaj bakterii biorących udział w procesach
przemiany materii potrzebuje innej temperatury. Jeśli te żądane zakresy temperatur zostaną przekroczone, może dojść do zahamowania lub nawet do
nieodwołalnego uszkodzenia bakterii. Bakterie uczestniczące w procesie rozkładu, ze względu na wymagania temperaturowe, możemy podzielić na trzy
grupy: bakterie psychrofilowe, mezofilowe i termofilowe.
- Optymalna temperatura w przypadku bakterii psychrofilowych wynosi około 25°C. W takiej temperaturze odpada konieczność podgrzewania podłoża wzgl.
fermentatora, ale za to skuteczność rozkładu i produkcja gazu jest wyraźnie ograniczona.
- Większość znanych bakterii metanowych posiada optymalną temperaturę wzrostu w mezofilnym zakresie temperatur między 32 a 42°C. Instalacje
pracujące w zakresie mezofilowym są w praktyce najszerzej rozpowszechnione, ponieważ w tym zakresie temperatur osiąga się relatywnie wysoki uzysk
gazu przy zachowaniu dobrej stabilności procesu.
- Jeśli zachodzi konieczność zastosowania środków higienicznych prowadzących do zabicia bakterii chorobotwórczych lub w przypadku stosowania podłoży
o wysokiej temperaturze własnej (np. woda procesowa), zaleca się użycie do fermentacji termofilnych kultur bakterii. Ich optymalna temperatura działania
wynosi od 50 do 57°C. Dzięki wysokiej temperaturze procesu uzyskujemy wysoki uzysk gazu. Należy jednak zauważyć, że potrzebna jest wówczas
dodatkowa porcja energii do procesu fermentacji. Poza tym proces fermentacji w tym zakresie temperatur jest bardziej czuły na zakłócenia i nieregularność w
doprowadzaniu podłoża lub w sposobie pracy komory fermentacyjnej.
Ponieważ bakterie podczas działania produkują tak mało ciepła, że nie wystarcza go do uzyskania wymaganej temperatury otoczenia, podczas pracy
mezofilowej i termofilowej fermentatora musi on być obowiązkowo zaizolowany i ogrzewany z zewnątrz, aby możliwe było uzyskanie optymalnych warunków
temperaturowych bakterii.
Odczyn pH
Jeśli chodzi o odczyn pH, to obowiązują podobne zależności, jak w przypadku temperatury. Bakterie uczestniczące w poszczególnych etapach procesu
posiadają różne odczyny pH, zapewniające ich optymalny wzrost. Optymalny odczyn pH bakterii hydrolizujących i kwasotwórczych wynosi od 4,5 do 6,3. Nie
są one jednak zdane bezwzględnie na te wartości i mogą przeżyć również przy nieco wyższym odczynie pH. Wtedy jednak ich aktywność będzie znacznie
mniejsza. Inaczej wygląda rzecz w przypadku bakterii produkujących kwas octowy i metan. Odczyn pH musi posiadać dokładnie wartość między 6,8 a 7,5.
Jeśli proces fermentacji odbywa się tylko w jednym fermentatorze, to odczyn pH musi być ustalony w tym zakresie. Niezależnie od tego, czy proces
przebiega jedno- lub dwuetapowo, odczyn pH ustawia się przeważnie automatycznie poprzez obecność zasadowych lub kwaśnych produktów przemiany
materii, powstających podczas rozkładu beztlenowego. W normalnym przypadku odczyn pH jest utrzymywany w neutralnym zakresie poprzez wolny
dwutlenek węgla. Odczyn pH spada, jeśli wyczerpie się pojemność buforowa obecnego dwutlenku węgla. Aktywność bakterii metanowych uczestniczących
w przemianie materii zostaje zahamowana. Ponieważ rozkład metanogenny nie działa teraz odpowiednio sprawnie, dochodzi do skupienia kwasów
związanych z fermentacją octową, co powoduje jeszcze większe obniżenie odczynu pH. Następuje zakwaszenie procesu i bakterie przestają wykonywać
swoją pracę. Jeśli zauważymy taki spadek odczynu pH, należy natychmiast zatrzymać doprowadzenie podłoża, aby dać bakteriom metanowym czas na
rozkład występujących kwasów.
Dostarczanie składników pokarmowych
Procesy przebiegające w fermentatorze można porównać do tych, które mają miejsce w układzie pokarmowym przeżuwaczy. Dlatego bakterie reagują tak
samo źle na „błędy żywieniowe”, jak zwierzęta. Co prawda wykorzystywane podłoża muszą przede wszystkim zapewniać jak największą produkcję metanu,
to oprócz tego tak samo ważne jest występowanie pierwiastków śladowych i składników pokarmowych, takich jak żelazo, nikiel, kobalt, selen, molibden
i wolfram, niezbędnych do wzrostu i przetrwania bakterii Ostateczna ilość metanu dająca się uzyskać z używanych podłoży jest określona poprzez
zawartości białek, tłuszczy i węglowodanów. Ponadto o stabilnym przebiegu procesu decyduje również stosunek C/N w używanym podłożu. Jeśli ten
stosunek jest za wysoki (dużo C i mało N), nie może dojść do całkowitej przemiany węgla, a tym samym nie można uzyskać możliwego potencjału metanu.
W odwrotnym przypadku, przy nadmiarze azotu może dojść do powstania amoniaku (NH3), który już w niewielkich stężeniach hamuje wzrost bakterii i może
doprowadzić nawet do zniszczenia całej populacji. Do prawidłowego przebiegu procesu stosunek C/N musi wynosić w zakresie 10 – 30. Aby bakterie
otrzymywały dostateczną porcję substancji pokarmowych, stosunek C:N:P:S powinien wynosić 600:15:5:1.
Inhibitory
Występują różne powody zahamowania produkcji gazu wzgl. przebiegu procesu. Z jednej strony mogą one być związane z problemami technicznymi
instalacji. Z drugiej strony przyczyną opóźnień w przebiegu procesu mogą być inhibitory. Są to substancje, które już w niewielkich ilościach działają
toksycznie na bakterie i zakłócają proces rozkładu. Chcąc opisać te substancje, musimy je podzielić na te, które dostają się do fermentatora poprzez dodanie
podłoża, oraz te, które występują jako produkty pośrednie z poszczególnych etapów rozkładu. Przy dostarczaniu składników pokarmowych należy sobie
uzmysłowić, że również nadmierne podanie podłoża może zahamować proces fermentacji, ponieważ każda substancja składowa substratu podana w
większych stężeniach może działać szkodliwie na bakterie. Dotyczy to szczególnie substancji takich jak antybiotyki, środki dezynfekujące lub rozpuszczalniki,
środki chwastobójcze, sole lub metale ciężkie, które nawet w niewielkich ilościach mogą zahamować proces rozkładu. Ale nawet ważne pierwiastki śladowe
mogą w wysokich stężeniach działać toksycznie na bakterie. Ponieważ bakterie do pewnego stopnia mogą się dopasować do takich substancji, stężenie, od
którego substancja staje się szkodliwa jest trudne do określenia. W przypadku niektórych inhibitorów możemy mówić o wzajemnym oddziaływaniu z innymi
substancjami. Metale ciężkie szkodzą procesowi fermentacji tylko wtedy, gdy występują w wolnej postaci. Siarkowodór, powstający w procesie fermentacji
łączy się z metalami ciężkimi i powoduje ich neutralizację. Podczas procesu fermentacji mogą powstać również inne zahamowujące proces substancje.
Szczególnie amoniak (NH3) nawet w niewielkich stężeniach działa szkodliwie na bakterie. Innym produktem procesu fermentacji jest siarkowodór (H2S), który
w wolnej postaci jako trucizna komórkowa już przy stężeniu wynoszącym 50 mg/l może zahamować proces rozkładu. Siarka jest ponadto ważnym
pierwiastkiem śladowym, a tym samym ważnym mikroelementem bakterii metanowych. Poza tym metale ciężkie poprzez połączenie z siarczkami (S2-)
ulegają neutralizacji. Widzimy więc, że działanie hamujące różnych substancji zależy od wielu czynników a ustalenie stałych wartości granicznych, od których
zaczyna się zahamowanie procesu jest bardzo trudnym zadaniem.
3. Substrat do produkcji biogazu – rodzaje i efektywność energetyczna
Biogaz rolniczy oznacza paliwo gazowe otrzymywane z surowców rolniczych, produktów ubocznych rolnictwa, płynnych lub stałych odchodów zwierzęcych,
produktów ubocznych lub pozostałości przemysłu rolno-spożywczego lub biomasy leśnej w procesie fermentacji metanowej. Do produkcji biogazu rolniczego
można stosować substancje organiczne, pochodzące z działalności rolniczej i produkcji przemysłowej. Do najważniejszych substratów pochodzenia
rolniczego mających zastosowanie w produkcji biogazu można zaliczyć odchody zwierząt, uprawy energetyczne i odpady z hodowli roślin natomiast do
substratów przemysłowych zaliczmy odpady produkcji spożywczej, mleczarskiej, cukrowniczej czy mięsnej (Pająk 2010).
Biomasa stanowiąca surowiec do produkcji biogazu składa się z trzech podstawowych grup związków organicznych: węglowodanów, białek i tłuszczów.
Oprócz tego do wzrostu mikroorganizmów odpowiedzialnych za fermentację potrzebne są rozpuszczalne formy potasu, sodu, żelaza, magnezu i wapnia oraz
pierwiastki śladowe. Najwięcej biogazu można uzyskać z rozkładu tłuszczów.
Substrat
Produkcja biogazu
dm3/kg
Zawartość metanu [%]
Zawartość CO2 [%]
Węglowodany
790
50
50
Tłuszcze
1250
68
32
Białka
700
71
29
Parametry istotne z punktu widzenia produkcji biogazu to:
• Zawartość suchej masy (s.m.) [%]
• Zawartość suchej masy organicznej (s.m.o.) [% s.m.]
• Wydajność CH4 [m3/kg s.m.o.]
Skład chemiczny poddawanych fermentacji związków organicznych, obok temperatury procesu i czasu przetrzymywania substratów w reaktorze, decyduje o
ilości i składzie biogazu.
3.1 Naturalne nawozy – odchody zwierzęce
To jedne z najważniejszych rodzajów substratu dla biogazowni rolniczej. Najczęściej jest stosowana gnojowica i obornik. Dominującą rolę odgrywa
gnojowica świńska i bydlęca. Porównanie wydajności tych substratów wypada zdecydowanie korzystniej dla gnojowicy świńskiej, dodatkowo biogaz
z gnojowicy bydlęcej charakteryzuje się niższą zawartością biometanu. W/w substraty ze względu na odór są uciążliwe przy stosowaniu lecz
przefermentowanie eliminuje ten problem. Te substraty wykorzystywane są w biogazowni przede wszystkim w celu ich utylizacji. Ponadto cechują się dużą
wodnistością przez co są cennym dodatkiem do wsadu co pozwala na uzyskanie wymaganego poziomu suchej masy w fermentowanym substracie. Dużym
problemem dla hodowców drobiu jest zagospodarowanie pomiotu kurzego. Często nie dysponują oni odpowiednimi użytkami zielonymi gdzie można by go
spożytkować jako nawóz. Idealnym rozwiązaniem w takiej sytuacji jest jego fermentacja.
Podłoże
Zawartość
suchej
masy (%)
Zawartość suchej
masy organicznej
(%)
Uzysk biogazu
(m3/t s.m.o.)
Zawartość
metanu
CH4 (% obj.)
Naturalne nawozy
gnojowica krów
8-11
75-82
200-500
50-60
gnojowica cieląt
10-13
80-84
220-560
50-57
gnojowica świń
ok. 7
75-86
300-700
60-70
gnojowica owcza
12-16
80-85
180-320
50-56
obornik bydła
ok. 25
68-76
210-300
55-60
obornik świń
20-25
75-80
270-450
55-60
obornik kurzy
30-32
63-80
250-450
57-70
obornik koński
20-40
65-95
280-350
55-65
Źródło: A. Myczko (red.) Budowa i eksploatacja biogazowni rolniczych 2011
3.2 Rośliny
Surowce roślinne, wykorzystywane jako substrat do produkcji biogazu, nie są jednorodne, co wpływa na wydajność
i intensywność fermentacji. Łatwo fermentujące węglowodany – cukier, skrobia. Zawarte w burakach czy ziarnach zbóż,
melasie czy kiszonce kukurydzy, są szybciej rozkładane w procesie fermentacji niż siano czy słoma o dużej zawartości
ligniny i celulozy.
Obecnie coraz większe zastosowanie w produkcji biogazu, w szczególności w Niemczech, znajdują uprawy celowe
roślin energetycznych. Rośliny energetyczne przeznaczone do produkcji biogazu winny spełniać te same wymagania,
co biomasa przeznaczona na paszę dla zwierząt, zwłaszcza przeżuwaczy. Wynika to z faktu, że proces fermentacji
metanowej jest porównywalny do fermentacji jaka zachodzi w przewodzie pokarmowym przeżuwaczy.
Optymalnym rozwiązaniem jest dostarczenie do biogazowni roślin w postaci rozdrobnionej i zakiszonej. Kiszonki
surowców roślinnych stanowią doskonałe uzupełnienie masy fermentacyjnej. Ze względu na wysoką wydajność
produkcji biogazu, stanowią bardzo ważny element w procesie fermentacji. Przy doborze roślin należy się kierować
takimi kryteriami jak wydajność suchej masy z jednostki powierzchni, zawartości składników łatwo fermentujących czy
łatwość magazynowania. Najlepszymi substratami w polskich warunkach są takie rośliny jak kukurydza, mieszanki
zbożowe, mieszanki zbożowo-strączkowe, słonecznik, trawa, lucerna, koniczyna czy liście i korzenie buraków
cukrowych.
3.3 Produkty uboczne pochodzące z przemysłu rolniczego i spożywczego
Odpady organiczne takie jak resztki warzyw, owoców, wysłodziny gorzelniane, browarnicze,
cukrownicze, odpady poubojowe, odpady z produkcji oleju są tanim surowcem i jednocześnie ich
producenci są zmuszeni do ich drogiej utylizacji. Dlatego wykorzystanie tych substratów jest opłacalne
ekonomicznie ponieważ można pobrać opłatę za przyjęcie odpadu do utylizacji. W przypadku odpadów
poubojowych, ich utylizacja jest zyskowna jak i doskonale zwiększa potencjał energetyczny masy
substratów. Ich zastosowanie w biogazowni wymaga ich wcześniejszego przygotowania poprzez
zastosowanie zabiegu tzw. higienizacji (przetrzymywanie w temperaturze ok 70 oC przez okres ok 60
minut). W przypadku biogazowni gorzelnianych lub przy zakładach mleczarskich (tłuszcze, serwatka)
mogą zastąpić gnojowicę i stanowić podstawowy substrat do produkcji biogazu.
Charakterystyka wybranych roślin oraz wybranych produktów ubocznych pod kątem uzysku biogazu.
Podłoże
Zawartość
suchej masy (%)
Zawartość suchej masy
organicznej (%)
Uzysk biogazu
(m3/t s.m.o.)
Zawartość metanu
CH4 (% obj.)
450-700
550-680
50-55
ok. 55
83-92
550-680
70-95
550-620
Produkty uboczne pochodzące z przemysłu rolniczego
70-80
580-750
55-65
54-55
83-88
85-95
90-95
Inne substraty do biogazowni
80-90
75-86
430-700
400-700
590-660
58-65
58-65
65-70
400-600
250-450
60-65
60-70
Rośliny
kiszonka kukurydzy
żyto
20-35
30-35
85-95
92-98
Trawy
skoszona trawa
kiszonki traw
ok.12
25-50
wysłodziny browarniane
20-25
wywar zbożowy
wywar ziemniaczany
wytłoki owocowe
6-8
6-7
25-45
odpady sklepowe
treść żołądkowa
5-20
12-15
59-60
Źródło: Land Technik Weiher Stephen H.Mitterleitner (Latocha 2009)
4. Wykorzystanie wytworzonego biogazu – kogeneracja, trigeneracja
Biogaz jest paliwem o średniej wartości energetycznej. Może być wykorzystywany w gospodarstwach domowych, przemyśle, rolnictwie – do produkcji
ciepła/chłodu, energii elektrycznej lub jako biopaliwo.
4.1 Uzdatnianie biogazu
Ze względu na obecność w surowym biogazie związków obniżających jego wartość energetyczną, bądź skracających żywotność urządzeń konwertujących
biogaz, niezbędne jest jego uzdatnienie (oczyszczenie) przed zastosowaniem energetycznym.
Do najważniejszych procesów uzdatniania należą: odsiarczanie, suszenie oraz usuwanie CO2.
Odsiarczanie
W biogazie powstałym w procesie beztlenowej fermentacji metanowej obecny jest siarkowodór. Powstaje on w wyniku rozkładu białek i innych substancji
organicznych wchodzących w skład wsadu fermentora. Zawartość siarkowodoru w biogazie zależna jest od rodzaju wsadu i waha się od 0,1-2%.
Siarkowodór jest substancją o właściwościach toksycznych (może doprowadzić do zatrucia a nawet śmierci), ma nieprzyjemny zapach (odory z biogazowni
wpływają niekorzystnie na otoczenie), przyspiesza korozję urządzeń oraz hamuje przebieg procesu fermentacji. Za stężenie krytyczne przyjmuje się wartość
powyżej 1% objętościowego H2S w gazie. Należy również pamiętać, że przekroczenie pewnych wartości stężenia siarkowodoru może grozić utratą gwarancji
na urządzenia kogeneracyjne.
W biogazie wytwarzanym przez biogazownię rolniczą, której podstawowym wsadem są gnojowica i kiszonki stężenie siarkowodoru nie przekracza 1500 ppm.
Jest to wartość zbyt wysoka dla wielu typów silników gazowych. Dobór instalacji odsiarczającej wynika z oszacowanej zawartości siarkowodoru w biogazie,
będącej funkcją rodzaju wsadu i proporcji pomiędzy substratami.
Osuszanie
Biogaz nasycony jest wodą, a jego wilgotność względna wynosi 100%. Część pary ulega kondensacji w odwadniaczu lub w chłodnicy. Parę wodną należy
usunąć, aby chronić agregaty wytwarzające biogaz przed wysokim i przedwczesnym zużyciem. Pozostała część pary wpływa na zmianę szeregu parametrów
fizyko-chemicznych biogazu. Ilość pary wodnej, jaka może znajdować się w biogazie zależna jest od jego temperatury. W celu jej usunięcia należy ochłodzić
gaz, dzięki czemu para ulegnie kondensacji.
Chłodzenie biogazu często odbywa się jeszcze w instalacji gazowej. Odpowiednio nachylone elementy sprzyjają zbieraniu kondensatu w najniższym punkcie
instalacji. Warunkiem należytego chłodzenia biogazu w instalacji gazowej jest wystarczająca jej długość.
Należy pamiętać o zapewnieniu dostępu do zbiornika na kondensat w celu regularnego opróżniania. Nie wolno dopuszczać do zamarzania zbiornika na
kondensat.
Wzbogacanie
Jeżeli istnieje zapotrzebowanie na metan o odpowiedniej jakości należy wzbogacić biogaz poprzez usunięcie CO2. Sytuacja taka ma miejsce jeżeli biogaz
będzie przesyłany do sieci gazowej lub wykorzystywany jako paliwo do pojazdów. CO2 można usunąć przy zastosowaniu różnych metod fizykochemicznych,
takich jak: absorpcja, chemisorpcja, adsorpcja, membranowa separacja, wykraplanie. Wzbogacanie biogazu pomaga również w oczyszczaniu go z innych
śladowych zanieczyszczeń. Ze względu na nakłady technologiczne i rosnący koszt inwestycji, ekonomicznie zasadnym jest wzbogacanie biogazu
3
w instalacjach produkujących dziennie co najmniej 2500 m biogazu. (A. Kowalczyk-Juśko, Biogazownie szansą dla rolnictwa i środowiska).
4.2 Silniki kogeneracyjne
CHP (Combined Heat and Power) to oznaczenie silników kogeneracyjnych, wytwarzających równocześnie energię elektryczną i cieplną w procesie spalania
biogazu. Biogaz spalany jest w miejscu jego wytwarzania. Rozwiązanie takie jest bardzo korzystne zarówno ze względów ekonomicznych jak
i środowiskowych. Sprawność energetyczna rozwiązań tradycyjnych, wytwarzających ciepło lub energię elektryczną, wynosi ok. 40%. Dla porównania
sprawność kogeneratora dochodzi do 90%. Sprawność pozyskania energii elektrycznej w najnowszych dużych agregatach mieści się w granicach 30–40%, a
sprawność cieplna 40–44%. Dla małych biogazowni sprawność elektryczna wynosi 25-33%, natomiast cieplna jest zwykle wyższa niż 50%. Współczynniki
sprawności zwiększają się zazwyczaj wraz ze wzrostem elektrycznej mocy instalacji.
ENERGIA ZAWARTA W PALIWIE GAZOWYM
42%
Praca mechaniczna
58%
Energia
cieplna
Energia cieplna
Ok. 40%
Straty generatora
ok. 2%
Energia elektryczna użytkowa
Ok. 10%
Straty cieplne
Najczęstszym rozwiązaniem w układach skojarzonych małej mocy są tłokowe silniki kogeneracyjne.
Charakteryzują się one:
- dostępnością w szerokim zakresie mocy elektrycznej (od 5 kW do 50 MW),
- możliwością optymalnego dopasowania układu do potrzeb indywidualnego odbiorcy,
- możliwością modułowej konstrukcji układów większych mocy,
- możliwością stosowania różnych paliw, w tym biogazu,
- koniecznością chłodzenia nawet w przypadku braku odbiorów ciepła,
- dużymi gabarytami, małym wskaźnikiem mocy do masy,
Ok. 48%
Ciepło użytkowe
- dużym hałasem, wymagającym stosowania osłon akustycznych,
- stosunkowo wysokim poziomem wibracji wymagającym stosowania podłoży tłumiących. (A. Kowalczyk-Juśko, Biogazownie szansą…)
Minimalny, wymagany poziom metanu w gazie przeznaczonym na paliwo, producenci określają zwykle na poziomie powyżej 30% objętości, co odpowiada
3
wartości opałowej gazu na poziomie nie niższym niż 13 MJ/Nm .
Układy CHP z tłokowymi silnikami gazowymi (silnik wewnętrznego spalania) są stosowane najczęściej do produkcji energii elektrycznej na sprzężonym
generatorze, a ciepło odpadowe jest wykorzystywane do produkcji gorącej wody lub w dodatkowym kotle – pary nasyconej. Ciepło odzyskuje się
z wymiennika sprężanego biogazu, wymiennika płaszcza silnika, wymiennika oleju oraz wymiennika spalin. Silniki na biogaz mogą być zintegrowane
z budynkiem lub w wersji przewoźnej – kontenerowej.
4.3 Główne elementy układu kogeneracyjnego
W skład modułu kogeneracyjnego wchodzą dwa główne układy: element napędowy (silnik) oraz generator wyposażony w instalację wymienników ciepła
służącą do odzyskiwania energii termicznej zawartej w mieszaninie gazów, spalin oraz płynów silnikowych. Ponadto w skład wyposażenia mogą wchodzić
elementy automatyki pomiarowej i regulacyjnej, układ doprowadzenia gazu, mieszalnik i układ automatycznego uzupełniania ubytków oleju smarnego silnika.
4.4 Rodzaje silników w układach kogeneracyjnych
Silniki tłokowe
Tłokowe silniki spalinowe są najczęstszym rozwiązaniem w kogeneracji małej mocy. Zwykle są wykorzystywane do wytwarzania gorącej wody, rzadziej pary
0
wodnej (obok en. elektrycznej). Odzysk ciepła może pochodzić ze źródeł niskotemperaturowych (powyżej 90 C - układ chłodzenia silnika, układ chłodzenia
0
oleju smarnego) oraz wysokotemperaturowych (380-550 C –spaliny wylotowe).
Ze względu na konstrukcję i stosowane paliwo układy skojarzone możemy podzielić na:
- silniki gazowe z zapłonem iskrowym – najczęściej spalające ubogą mieszankę paliwową podawaną pod wysokim ciśnieniem do komory spalania gdzie
następuje zapłon od iskry świecy. Silniki takie często są konstruowane na bazie silników Diesla. Charakteryzują się niewielkimi mocami;
- silniki dwupaliwowe – w celu zainicjowania zapłonu konieczne jest podawanie do silnika niewielkiej ilości oleju napędowego. Problemem jest kontrola
stosunku nadmiaru powietrza utrzymującego się na granicy mieszanek ubogich. Moc takich silników zwykle przekracza 1 MW.
Większość silników jest wyposażona w turbosprężarkę i układ chłodzenia powietrza dolotowego.
Źródłami pozyskiwania ciepłą są: chłodzenie płaszcza wodnego, chłodzenie oleju smarnego (miski olejowej), chłodzenie mieszanki doładowanej za
turbosprężarką oraz chłodzenie spalin wylotowych z silnika. Najczęściej używane są pośrednie wymienniki płaszczowo- rurowe lub płytowe typu woda-woda
0
lub olej-woda. Wymiennik typu spaliny woda pozwala obniżyć temperaturę spalin do ok. 120 C. Dalszy odzysk ciepła może być prowadzony przy użyciu
wymienników kondensacyjnych stosowanych w przypadku zapotrzebowania na ciepło niskotemperaturowe np. ogrzewanie szklarni, lub produkcja ciepłej
wody użytkowej.
Sprawność całkowita waha się od 80 do ponad 90 proc. Sprawność elektryczna nie przekracza 40 proc.
Turbiny gazowe
Inną najczęściej stosowaną grupą urządzeń stosowanych w układach skojarzonych są turbiny gazowe, wykorzystywane z reguły w układach o mocy
elektrycznej powyżej 1 MW.
Turbina gazowa w porównaniu z silnikiem tłokowym charakteryzuje się mniejszymi rozmiarami i znacznie mniejszym ciężarem. Turbiny gazowe mają
mniejszą sprawność energetyczną a także mniejszy stosunek mocy elektrycznej do cieplnej.
Jako że turbina nie posiada układów chłodzących, jedynym źródłem ciepłą są spaliny.
Kolejnym stopniem rozwoju rozwiązań technicznych opartych o turbiny gazowe z regeneracją ciepła są mikroturbiny gazowe. Są to stacjonarne turbozespoły
gazowe charakteryzujące się niewielką mocą elektryczną rzędu ok. 25-500 kW. Składają się ze sprężarki i turbiny promieniowej oraz regeneracyjnego
podgrzewacza powietrza zintegrowanego z całym układem.
Mikroturbiny znajdują zastosowanie głównie w układach CHP, w których wytwarzana jest gorąca woda. Zanieczyszczenia zawarte w biogazie mogą
uszkodzić mikroturbiny, dlatego biogaz musi być wcześniej oczyszczony i osuszony. Mikroturbiny spalają biogaz o zawartości metanu od 35 do 100%
i wykazują wyraźnie mniejsze wartości emisji spalin. Umożliwia to rozwój nowych dróg wykorzystania spalin
np. w suszarniach rolniczych lub wykorzystanie CO2 w szklarniach. Odzyskane ciepło ma względnie wysoką
temperaturę i transportowane jest wyłącznie przez spaliny. Osiągają sprawność cieplną w zakresie 40÷60%,
a elektryczną 20÷35%, całkowita sprawność w układzie kogeneracyjnym wynosi ponad 80 proc.
Silnik Stirlinga
Silnik Stirlinga przetwarza energię cieplną w energię mechaniczną bez procesu wewnętrznego spalania
paliwa. Dzięki dostarczaniu ciepła z zewnątrz możliwe jest zasilanie energią pochodzącą z dowolnego
źródła. Silnik Stirlinga nie ma rozrządu, nie korzysta ze spalania wybuchowego, nie ma wydechu, jest niemal
bezgłośny. Jego wadą są niskie obroty, kompensowane w dużym stopniu możliwością dokładnej kontroli
procesu spalania paliwa, co umożliwia utrzymanie niskiej toksyczności spalin.
Silnik Stirlinga składa się z dwóch tłoków („zimnego” i „gorącego”), regeneracyjnego wymiennika ciepła
pomiędzy nimi oraz wymienników przekazujących ciepło między czynnikiem roboczym, najczęściej helem
lub wodorem, a zewnętrznymi źródłami.
W silniku Stirlinga, w przeciwieństwie do silników gazowych, tłok nie jest napędzany wskutek rozprężania
Schematyczny widok silnika Stirlinga
gazów spalinowych pochodzących z wewnętrznego spalania mieszanki, lecz poprzez ekspansję zamkniętego gazu, który rozpręża się dzięki doprowadzeniu
energii z zewnętrznego źródła ciepła. Dzięki wyizolowaniu źródła ciepła od własnej, wytwarzanej w silniku energii, wymagane ciepło może pochodzić
z różnych źródeł energetycznych (np. palnika gazowego zasilanego przez biogaz) Dzięki ciągłemu spalaniu silniki Stirlinga charakteryzują się niską emisją
substancji szkodliwych oraz niskimi nakładami na konserwację. Temperatura spalin mieszczą się w zakresie 250–300 st. C. Z uwagi na zewnętrzne spalanie
wymagania dotyczące jakości biogazu nie są wysokie, z tego powodu w układach tego typu można wykorzystywać biogaz o niskiej zawartości metanu.
Największą zaletą silników Stirlinga jest szczelnie zamknięta przestrzeń robocza wypełniona trwale, jednorazowo gazem o ciśnieniu 4–15 MPa. Dzięki takiej
konstrukcji nie ma w nich zaworów i łańcuchów rozrządu, a za sprawą zewnętrznego doprowadzania ciepła, rodzaje jego źródła mogą być dowolne, nie tylko
stałe, ciekłe czy gazowe, ale w dodatku zarówno nieodnawialne (węgiel, ropa, gaz ziemny), jak i odnawialne. Spaliny nie mają możliwości wnikania do silnika
Stirlinga, co owocuje niskim zużywaniem się jego części oraz stosunkowo długimi okresami eksploatacji. (A.Myczko, Budowa i eksploatacja biogazowni
rolniczych, 2011)
Swego rodzaju nowością są układy trójgeneracyjne zasilane biogazem. Wszędzie tam, gdzie występuje zapotrzebowanie na energię elektryczną, ciepło
i zimno, możliwa jest instalacja układu CHP połączonego z układem chłodniczym. Układ taki jest oznaczany jako CHCP – Combined Heat, Cooling and
Power. Najczęściej wykorzystywane są chłodziarki absorpcyjne zasilane ciepłem odbieranym ze spalin i instalacji chłodzenia silnika. Dzięki temu możliwe jest
bardzo efektywne wykorzystanie ciepła generowanego w układzie (w sezonie grzewczym do produkcji ciepła, a w sezonie letnim do celów klimatyzacyjnych).
4.5 Zasady doboru układu kogeneracyjnego
Analiza techniczno-ekonomiczna, którą należy przeprowadzić w pierwszej fazie inwestycji obejmuje dobór układu kogeneracyjnego:
1) Określenie zapotrzebowania na nośniki energii
Należy określić przede wszystkim:
− rodzaj zapotrzebowania na energię: procesy technologiczne, energia elektryczna i ciepło dla budynków;
− typy i parametry wymaganych nośników energii: napięcie elektryczne, liczba faz, rodzaj nośnika (para, woda, gorące powietrze), temperatura, ciśnienie;
− wielkość zapotrzebowania na poszczególne nośniki;
2) Analiza warunków uzyskania ciepła, paliw i energii elektrycznej od zewnętrznych dostawców oraz sprzedaży wytwarzanego ciepła do zewnętrznych
odbiorców. Należy określić koszty i warunki zakupów w przypadku niedoboru i ewentualnej odsprzedaży nadwyżek energii
3) Określenie stanu technicznego dostępnych urządzeń oraz określenie technicznej efektywności urządzeń alternatywnych w stosunku do układu
kogeneracyjnego.
Dla istniejącego systemu zasilania należy określić stan techniczny, zakres koniecznych
remontów i modernizacji, niezbędne nakłady finansowe oraz przewidywany czas dalszej eksploatacji. Należy rozpatrzyć również wszystkie koszty
inwestycyjne związane z dostosowaniem starych urządzeń do obowiązujących norm i standardów lub koszty związane z ich niedotrzymaniem.
Dla nowego obiektu trzeba wziąć pod uwagę sprawność wybranych urządzeń, elastyczność ich pracy, konieczność i złożoność obsługi, zapotrzebowanie na
urządzenia pomocnicze, długość okresów międzyremontowych itd. Wszystkie te informacje pozwolą oszacować wysokość kosztów związanych z pracą
systemu, jak również unaocznić korzyści i problemy mogące wpłynąć na ostateczną decyzję dotyczącą wyboru rozwiązania technicznego.
4) Oszacowanie kosztów ekologicznych – uciążliwość dla środowiska i koszty z tym związane (emisja substancji szkodliwych, składowanie surowców,
składowanie odpadów).
5) Określenie rodzaju, liczby i mocy instalowanych urządzeń. Należy określić moce nominalne, sprawność, możliwe tryby pracy itd. Jeżeli zadecydujemy
o instalacji układu kogeneracyjnego, to ważną decyzją będzie określenie dodatkowych urządzeń, które pokryją szczytowe zapotrzebowanie na ciepło, np.
kocioł gazowy, zasobnik ciepła lub dodatkowy moduł cieplno-elektryczny o mniejszej mocy. Błędem jest dobór jednego urządzenia skojarzonego o mocy
zapewniającej pokrycie maksymalnych potrzeb cieplnych i energetycznych obiektu. O ile nadwyżki energii elektrycznej można odprowadzać do sieci
(z której również pokrywane są niedobory energii elektrycznej w obiekcie), o tyle nadprodukcja ciepła wymaga stosowania dodatkowych chłodnic lub pracy
urządzenia pod niepełnym obciążeniem.
6) Oszacowanie nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacji dla wytypowanych układów. Ten etap sprowadza się do sporządzenia obliczeń opartych
o koszty zakupu lub modernizacji wybranych urządzeń, koszty remontów, obsługi, zakupu paliwa np. do kotłów olejowych oraz innych nakładów
uwzględnionych w poprzednich etapach.
7) Optymalizacja. Końcowym etapem powinien być wybór rozwiązania charakteryzującego się najlepszą wartością wielkości przyjętej jako kryterium wyboru.
W przeważającej liczbie wypadków wielkością tą jest efekt ekonomiczny (maksymalny lub minimalny okres zwrotu nakładów inwestycyjnych). (A.Myczko,
Budowa i eksploatacja biogazowni rolniczych, 2011)
4.6 Wykorzystanie biogazu do napędu pojazdów
Aby biogaz mógł być wykorzystywany jako paliwo pędne do pojazdów musi być przetworzony tak aby osiągnął jakość akceptowalną dla silników
samochodowych. Najczęściej oznacza to poziom jakości gazu ziemnego. Również instalacja pojazdu musi być odpowiednio przystosowana do zasilania
gazem. Równocześnie firmy motoryzacyjne pracują nad rozwiązaniami umożliwiającymi eksploatację silników na dwóch rodzajach paliw np. diesel + biogaz.
5. Gospodarka odpadami
Substancja (masa, pulpa) pofermentacyjna inaczej zwana pofermentem to nieprzefermentowane związki organiczne, biomasa bakterii biorących udział
w procesie oraz składniki mineralne.
W procesie beztlenowej fermentacji tylko cześć kosubstratów użytych jako wsad ulega przemianom do biogazu. Masa pofermentacyjne jest wartościowym
produktem ubocznym, którego odpowiednie wykorzystanie może przynosić korzyści lub nawet dochód.
Spotykamy trzy główne sposoby zagospodarowania odpadów pofermentacyjnych:
- jako naturalny nawóz organiczny
- jako źródło dodatków paszowych
- jako biomasa do spalania w kotłach
5.1 Charakterystyka masy pofermentacyjnej
Skład masy pofermentacyjnej jest uzależniony od substratów, które stanowią wsad do biogazowni. W zależności od rodzaju i proporcji kosubstratów
zagęszczających i zwiększających wydajność, również poferment będzie miał większą lub mniejszą wartość nawozową.
W wyniku fermentacji metanowej zachodzą istotne przemiany wsadu, do których należą:
- usunięcie związków węgla łatwo ulegających przemianom;
- pozostawienie związków węgla trudno rozkładalnych, jak ligniny, włóknik itp.;
- rozłożenie substancji koloidowych, śluzowych itp.;
- przekształcenie związków azotu w azot amonowy (≥90%);
- zniszczenie bakterii i wirusów chorobotwórczych oraz jaj helmintów;
- zwiększenie zawartości aminokwasów i witaminy B12;
- zmniejszenie ilości substancji zużywających tlen;
- brak istotnych zmian zawartości makro- i mikroelementów;
- zmiana stosunku węgla do azotu, wskutek wbudowywania węgla w powstający biometan. (A. Kowalczyk-Juśko, Biogazownie szansą…)
Dla przykładu w gnojowicy surowej stosunek C:N wynosi 6,8:1, przy wahaniach 4,8-8,4:1, podczas gdy w substancji pofermentacyjnej 15-25:1.
5.2 Zagospodarowanie pozostałości pofermentacyjnej
Stosowanie rozwiązań na rzecz poprawy opłacalności ekonomicznej biogazowni wiąże się nie tylko z wykorzystaniem odpadów jako substratów, ale także
z wykorzystaniem masy pofermentacyjnej, najczęściej jako nawozu. W ogólnym ujęciu, można stwierdzić, że materiał pofermentacyjny doskonale nadaje się
do zastosowania, jako pełnowartościowy nawóz i takie jego wykorzystanie jest ekonomicznie uzasadnione. (Przewodnik dla inwestorów zainteresowanych
budową biogazowni rolniczych, 2011)
Substancja pofermentacyjna wykorzystywana jest do nawożenia upraw polowych i użytków zielonych. Jej pH wynosi 7-8, dlatego nie powoduje zakwaszenia
gleby, wykazuje także inne zalety i korzyści ekologiczne m.in.:
- lepsze wykorzystanie składników przez rośliny,
- niszczenie nasion chwastów, co ma wpływ na mniejsze zużycie środków ochrony roślin,
- zmniejszenie ryzyka zanieczyszczenia wód gruntowych i powierzchniowych, głównie związkami azotu i fosforu oraz zarazkami, które występują
w odchodach zwierzęcych.
Gnojowica tradycyjnie wykorzystywana jest jako naturalny nawóz organiczny. W biogazowniach wykorzystywana jest jako strategiczny substrat
rozcieńczający. Podczas fermentacji maleje zawartość substancji organicznej, a wzrasta zawartość azotu i związków mineralnych. W przypadku gnojowicy
świńskiej czy bydlęcej współczynnik wykorzystania substancji organicznej kształtuje się na poziomie ok. 48%, a dla substratu składającego się z gnojowicy,
kiszonki i ziarna zboża wzrasta do 75-80%. Fermentacja sprzyja wzrostowi zawartości azotu amonowego (N-NH4) do 90% (w surowej gnojowicy udział ten
wynosi ok. 48%). Dzięki temu azot staje się bardziej dostępny dla roślin i mniej narażony na wymywanie z wód powierzchniowych i gruntowych. W ten
sposób zmniejsza się ryzyko eutrofizacji (proces wzbogacania zbiorników wodnych w pierwiastki biofilne) wód oraz wielkość emisji metanu do atmosfery, jak
ma to miejsce podczas przechowywania nawozów organicznych.
Przed wykorzystaniem nawozowym wskazane jest wykonanie analizy chemicznej składu substancji pofermentacyjnej, a także określenie właściwości gleby
na której planuje się użycie pofermentu.
5.3 Uzdatnianie pozostałości pofermentacyjnej
Substancja pofermentacyjna wykorzystywana jest najczęściej do nawożenia upraw polowych i użytków zielonych. Jej cechą charakterystyczną jest wysokie
uwodnienie, które w zależności od stosowanego substratu waha się od 90 do 97%. Szczególnie duże uwodnienie występuje w przypadku uzyskiwania
biogazu z samej gnojowicy (wynosi ok. 94%).
Duża zawartość wody w substracie powoduje, że rosną koszty transportu z biogazowni na pole. Również wielkość zbiorników musi być relatywnie większa.
Zwiększa to koszty funkcjonowania biogazowni.
Problemowi temu można zaradzić poprzez zagęszczanie pozostałości i separację azotu i fosforu w separatorze, który rozdziela odgazowaną biomasę na
frakcję ciekła i stałą. Frakcja ciekła może być zawrócona do zbiornika z gnojowicą lub do modułu, który odzieli substancje odżywcze od wody.
Frakcja ciekła zawiera ok 20% fosforu i 80% azotu (w tym ok. 90% w postaci amonowej, łatwiej dostępnej dla roślin), przy zawartości suchej masy 2-2,5 %.
W procesie dalszego osuszania można otrzymać skoncentrowaną frakcję zawierającą do 90% suchej masy. Dzięki temu można obniżyć koszty transportu.
Frakcja stała zawiera ok 80-85% fosforu oraz 20-25% azotu w formie organicznej. Zawartość suchej masy tej frakcji wynosi 30-35%. Po dalszym
zagęszczeniu, np. poprzez dodanie rozdrobnionego dolomitu i wzbogaceniu odpowiednimi dodatkami czy mikroelementami, uzyskuje się nawóz w postaci
sypkiej, który może być sprzedawany i przynosić dochód gospodarstwu (jest użyteczny np. dla ogrodnictwa czy kwiaciarstwa). (A. Kowalczyk-Juśko,
Biogazownie szansą dla rolnictwa i środowiska)
Dawkowanie substancji pofermentacyjnej powinno być analogiczne, jak dla nawozów mineralnych o szybkim wykorzystaniu. Przy stosowaniu tej substancji
do nawożenia (w formie płynnej i zagęszczonej) należy przestrzegać przepisów prawnych regulujących zagadnienia związane z nawozami i nawożeniem,
które ograniczają dawkę azotu do 170 kg N/ha (zarówno dla nawozów mineralnych jak i organicznych).
ŚWIEŻA GNOJOWICA
POCIĘTA SŁOMA,
TORF, TROCINY
KOLEKTOR LUB
WSTĘPNY ZBIORNIK
ENERGIA
INSTALACJA
BIOGAZOWA
NAPOWIETRZANIE
KOMORY GNOJOWE
PŁYTA
KOMPOSTOWA
ODCIEK
ZAGOSPODAROWANIE
ROLNICZE
ZAGOSPODAROWANIE
ROLNICZE
ROZŁADUNEK
ROZDRABNIANIE
WSTĘPNE
Schemat obróbki gnojowicy i pozyskania
biogazu oraz zagospodarowania masy
pofermentacyjnej w gospodarstwie
SUSZENIE
MIESZANIE
ROZDRABNIANIE
DOKŁADNE
PAKOWANIE
DYSTRYBUCJA
DOZOWANIE
SKŁADNIKÓW
MINERALNYCH
Oprócz nawozowego wykorzystania pozostałości pofermentacyjnej istnieje również możliwość zastosowania jej jako dodatku do pasz. Osad po fermentacji
obornika zawiera prawie dwukrotnie więcej aminokwasów niż świeży obornik i może zastępować w paszach część dodatków białkowych.
Inną możliwość zagospodarowania frakcji stałej pofermentu stanowi spalanie jej w kotłach przystosowanych do spalania biomasy. Frakcja ciekła może być
zwrócona do komory fermentacyjnej po uprzedniej denitryfikacji (ograniczenie zużycia wody) lub użyta jako nawóz ciekły. Frakcja stała po wstępnym
odwodnieniu mechanicznym może zostać osuszona metodami termicznymi i zgranulowana (magazynowanie długoterminowe, możliwość użycia jako
biopaliwo stałe do zgazowania lub pirolizy lub do współspalania).
5.4 Uciążliwość zapachowa pofermentu
Istotnym elementem w procesie fermentacji beztlenowej jest obniżenie poziomu odoru-substancji zapachowych, które występują w niektórych substratach,
np. gnojowicy. Uciążliwość zapachowa masy pofermentacyjnej stanowiąca podstawę obaw i protestów społecznych jest w rzeczywistości znacznie niższa niż
w przypadku surowej gnojowicy.
W biogazowniach funkcjonujących w Polsce oszacowano redukcję odoru na poziomie 80%. Według badań amerykańskich, dzięki kontrolowanej fermentacji
w warunkach beztlenowych poziom odoru można zredukować nawet o 97% w porównaniu do gnojowicy świeżej. Dla porównania przechowywanie
nieprzefermentowanej gnojowicy przez okres 3 dni, zwiększa intensywność odoru o 77%. (K. Weglarzy (red.) Agrobiogazownia)
6. Studium przypadku
Przykłady dobrych praktyk:
Opis biogazowni rolniczej o mocy 500 kWe w Zakładzie Doświadczalnym Instytutu Zootechniki PIB Odrzechowa sp. z o.o.
Biogazownia rolnicza o mocy 500 kWe
zlokalizowana jest w miejscowości
Odrzechowa, gmina Zarszyn, powiat
sanocki, województwo podkarpackie.
ODRZECHOWA
Opis obiektów biogazowni:
1. Zbiorniki fermentacyjne
Zbiorniki są wykonane w postaci okrągłego żelbetowego zbiornika monolitycznego o średnicach
wewnętrznych 23,0m i 26m i wysokości 6m przykryte dachem membranowym stanowiącym
zbiornik gazu. Od wewnątrz zbiorniki zaizolowane są w strefie gazowej przed działaniem
agresywnego środowiska. Od zewnątrz zbiorniki są zaizolowane cieplne i obudowane blachą
trapezową. W zbiornikach zamontowane zostały 2 mieszadła zatapialne z możliwością
regulacji wysokości i kąta a także instalacja ciepłownicza i technologiczna
2. Zbiornik pozostałości pofermentacyjnych
Zbiornik jest wykonany w postaci okrągłego żelbetowego zbiornika monolitycznego o średnicy
wewnętrznej 30,0m i wysokości 6m. Funkcję zbiornika na pozostałość pofermentacyjną
spełniać będzie również istniejący na gospodarstwie zbiornik gnojowicy. W zbiorniku
zamontowane zostały 2 mieszadła zatapialne z możliwością regulacji wysokości i kąta a także
instalacja technologiczna.
3. Zbiornik wstępny
Zbiornik jest wykonany w postaci okrągłego żelbetowego zbiornika monolitycznego o średnicy
wewnętrznej 6,40m i wysokości 3m. W zbiorniku zamontowane jest 1 mieszadło zatapialne
z możliwością regulacji w pionie i w poziomie a także instalacja technologiczna.
4. Silos na kiszonki
Silos na kiszonki wykonany
o wys. 4,2m, szer. 30m i dł. 50m.
został
jako
3-komorowy
żelbetowy
zbiornik
monolityczny
5. Budynek techniczny oraz pomieszczenie techniczne pompowni
Budynek techniczny został wykonany w technologii tradycyjnej. W budynku technicznym zostały
zaplanowane pomieszczenie kogeneratora, trafo, sterownia, pomieszczenie techniczne oraz zaplecze
socjalne. W pomieszczeniu technicznym pompowni zlokalizowane są układy sieci ciepłowniczej,
technologicznej oraz szafy sterownicze.
Pozostałe elementy technologiczne biogazowni (niekubaturowe) są urządzeniami wolnostojącymi na
płytach żelbetowych posadowionych na gruncie.
Dane techniczne:
Moc znamionowa elektryczna: 500 kWe
Moc znamionowa cieplna: 518 kWt
Produkcja energii elektrycznej brutto: 4 157 MWh/rok
Produkcja ciepła brutto: 15 817 GJ/rok
Przyłączenie do sieci: linia 15 kV relacji Besko-Równe
Technologia biogazowni:
Technologia zakłada przetwarzanie substratów pochodzenia roślinnego takich
jak kiszonka z kukurydzy, kiszonka z traw i innych odpadów z produkcji roślinnej
oraz obornika i gnojowicy w różnych proporcjach. Obornik będzie dostarczany
na teren biogazowi bezpośrednio z gospodarstwa. Wszystkie substraty stałe
będą dostarczane do zasobnika dozującego ładowarką skąd w sposób
automatyczny transportowane będą do komór fermentacji. Substraty płynne
będą przetłaczane bezpośrednio rurociągiem do zbiornika wstępnego.
Dozowanie substratów ze zbiornika wstępnego do procesu produkcji będzie
odbywało się automatycznie. Substraty stałe za pośrednictwem będą
transportowane do urządzenia dozująco-mieszającego w którym nastąpi
wymieszanie substratu stałego z płynnym do postaci pompowalnej. Jednorodna mieszanina substratów będzie pompowana do dwóch głównych komór
fermentacji w odpowiednich ilościach i proporcjach. Projektowany układ zapewnia możliwość prowadzenia procesu technologicznego w dwóch etapach:
fermentacja wstępna i fermentacja wtórna. Fermentacja zachodzi w dwóch komorach fermentacyjnych. W obu zbiornikach zachodzi proces intensywnej
produkcji biogazu. W obu zbiornikach zainstalowana zostanie instalacja grzewcza zapewniająca utrzymanie stabilnej temperatury procesu w zakresie
37-40 st. C. Biogaz powstający w procesie fermentacji podlega procesowi odsiarczania: w przestrzeni gazowej reaktorów zachodzi proces biologicznego
odsiarczania polegający na dozowaniu niewielkich ilości powietrza co przyczynia się do rozwoju bakterii redukujących stężenie siarkowodoru w biogazie.
Odsiarczony biogaz przepływa przez ujęcia biogazu z komór fermentacyjnych do sieci biogazu, którą transportowany jest do urządzeń sprężania
i uzdatniania II stopnia. II stopień uzdatniania polega na odwodnieniu polegającym na wykraplaniu wilgoci na skutek spadku temperatury gazu. Skropliny
z biogazu w postaci kondensatu spływają grawitacyjnie do studzienki kondensatu, z której przepompowywane są do zbiornika pozostałości
pofermentacyjnych.
Tak przygotowany biogaz kierowany jest do jednostki kogeneracyjnej, gdzie jego energia chemiczna ulega konwersji do energii elektrycznej i cieplnej.
Energia elektryczna wykorzystywana jest na pokrycie potrzeb własnych obiektu i zasilania sieci elektroenergetycznej. Ciepło z kogeneracji ma postać gorącej
wody i jest wykorzystywane do pokrycia potrzeb własnych obiektu z możliwością wykorzystania do innych celów użytkowych. W przypadku niewykorzystania
całego ciepła z kogeneracji w postaci wody do celów użytkowych jego nadmiar kierowany jest na chłodnicę wentylatorową. Ciecz pofermentacyjna
przetłoczona zostanie do separatora frakcji stałej nawozu pofermentacyjnego. Frakcja stała odbierana będzie w kontenerze do którego stały nawóz spada
grawitacyjnie. Frakcja ciekła nawozu kierowana będzie do zbiornika magazynowego – zbiornika pozostałości pofermentacyjnych.
Rodzaj substratów:
- kiszonka kukurydzy w ilości max 2500 Mg/rok,
- zielonka z niedojadów w ilości ok. 600 Mg/rok (w okresie V-VII)
- trawa w ilości ok. 800 Mg/rok (w okresie VIII-IX)
- wysłodki buraczane w ilości ok. 5000 Mg/rok (ograniczając kiszonkę kukurydzy)
3
3
- odpady z hodowli zwierzęcej: obornik bydlęcy w ilości 8300 Mg/rok, gnojówka w ilości 900 m /rok, gnojowica w ilości 4500 m /rok.
Opracowano na podstawie dokumentacji przesłanej przez ZD IZ PIB Odrzechowa sp. z o.o. opracowanej przez mgr inż. Piotra Kenara
Przykłady dobrych praktyk zakończonych pomyślnym wdrożeniem w zakresie małych biogazowni.
Biogazownia w Wapielsku (kujawsko-pomorskie) – moc zainstalowana 75 kW
Biogazownia w Adamowie (lubelskie) – moc zainstalowana 30 kW
Biogazownia w Studzionce (śląskie) – moc zainstalowana 35 kW
Biogazownia w Wiśle Małej (śląskie) – moc zainstalowana 30 kW
Biogazownia kontenerowa w Cieszowej (śląskie) – moc zainstalowana 20 kW
Biogazowni kontenerowa zainstalowany w Instytucie Technologiczno Przyrodniczym o. Poznań - moc zainstalowana 20 kW
Bibliografia:
Agrobiogazownia, praca zbiorowa pod red. K. Węglarzy, W. Podkówka, Instytut Zootechniki PIB, Grodziec Śląski 2010
Biogazownie rolnicze. Opracowanie monograficzne, pod red. J. Walczak, Instytut zootechniki PIB, Kraków 2010
Biogazownie szansą dla rolnictwa i środowiska, dr Alina Kowalczyk-Juśko, FDPA Fundacja na rzecz Rozwoju Polskiego Rolnictwa, Warszawa
Budowa i eksploatacja biogazowni rolniczych. Poradnik dla inwestorów zainteresowanych budową biogazowni rolniczych, praca zbiorowe pod red. A. Myczko, Wydawnictwo
ITP, Warszawa-Poznań 2011
Ekologiczne systemy gospodarki obornikiem i gnojowicą, W. Romaniuk, IBMER, Warszawa 2005
Mikrogeneracja ciepła i energii elektrycznej w lokalnych systemach zasilania, Radosław Szczerbowski, Politechnika Poznańska, w: „Energia Elektryczna” – styczeń 2011
Wykorzystanie energii odnawialnych, opr. red. dr Małgorzata Bereza, Instytut Zootechniki PIB ZD Grodziec Śląski sp. z o.o., Kostkowice 2009
http://www.cire.pl/pliki/2/Mikrogeneracja_Technika.pdf
ENERGIA GEOTERMALNA
1. Energia geotermalna
Energia geotermalna może być uznana za najstarszą energię. W sensie dosłownym, nie można jej uznać za energię odnawialną. Energia geotermalna
pochodzi z gorącego jądra Ziemi, które ma temperaturę powyżej 4000°C. Ze względu na to, że źródło to jest niewyczerpalne, zaliczamy energię geotermalną
do źródeł odnawialnych. Energia geotermalna wydostaje się na powierzchnię Ziemi przez pęknięcia wulkaniczne w skałach.
Mówiąc o wykorzystywaniu energii geotermalnej do celów energetycznych, najbardziej znaczącym jest poruszenie kwestii gorącej wody lub pary
z praktycznego punktu widzenia. Technologie wykorzystujące energię geotermalną można podzielić w zależności od sposobu wydobywania gorącej wody.
W sytuacji idealnej gorąca woda pod ciśnieniem występuje wewnątrz gorących skał. W tym przypadku istnieją dwie możliwości wydobycia wody:
− woda występuje w wystarczających ilościach i należy wykonać jedynie odwiert, aby ją wydobyć,
− mimo iż woda jest dostępna, to występuje jedynie w małych ilościach.
W tym przypadku stosujemy technologię opartą na wydobywaniu gorącej wody. Musimy zdawać sobie sprawę, że nie każde miejsce, które można obecnie
wykorzystać w celach energetycznych będzie odpowiednie również w przyszłości. Woda może ulec wyczerpaniu. Wiele dużych firm inwestuje ogromne
środki w badanie zasobów wody, a tym samym zwrotu swojej inwestycji. Jeśli woda ulegnie wyczerpaniu stosowanie technologii do wykorzystywania
potencjału energetycznego nie będzie już możliwe. Niektóre zasoby mogą wyczerpać się w ciągu kilkudziesięciu lat. Innym problemem jest wymywanie
dużych ilości soli mineralnych z wody. Mają one negatywny wpływ na środowisko, a ponadto mogą spowodować poważne korozje hamulców i rur ciepłej
wody. Dlatego bezpośrednie użycie nie jest możliwe i należy stosować
wymienniki ciepła. Rozwiązaniem dla tego problemu jest ponowne wtłaczanie
wody przez odwiert.
Gorąca para powstaje, kiedy jeziora znajdujące się w obrębie litosfery ziemskiej
na głębokości 30 do 60 km poniżej oceanu stykają się ze stopioną skorupą.
W ten sposób kształtują się złoża suchej lub wilgotnej pary, która przedostaje
się na powierzchnię ziemi. Para ta jest w wielu przypadkach szkodliwa dla
zdrowia ludzi. Zanim zostanie wykorzystana do produkcji energii elektrycznej
musi zostać pierwsze przefiltrowana, aby piasek oraz żrące kwasy nie
uszkodziły turbiny. Parę będzie można wykorzystać tylko jeśli utrzyma ona
wymagane parametry, głównie temperaturę i ciśnienie. W przeciwnym wypadku
będzie trzeba stosować wymienniki ciepła.
Osiągając wysoką wydajność i przy minimalnych kosztach, energia
geotermalna może być wykorzystywana w miejscach, w których występują
geologiczne ubytki w płytach tektonicznych, gdzie aktywność tektoniczna
podchodzi pod powierzchnię lub blisko powierzchni ziemi. Są one pokazane na rysunku . To nie przypadek, że najbardziej rozwinięta sieć wykorzystująca
energię geotermalną jest na Islandii. Pokrywa ona zapotrzebowanie ludzi na energię prawie w 100%.
1
Na pozostałych obszarach należy wykonać głęboki odwiert, do którego wymagane jest użycie specjalistycznego sprzętu. Wiertło ulega zniszczeniu
przeciętnie na głębokości od 100 do 300 metrów. Po osiągnięciu wymaganej głębokości można wykonać badanie jakości substratu oraz badanie możliwości
tłoczenia wody. Dzięki odwiertom i tłoczeniu wody, energia geotermalna może być wykorzystywana, poza nielicznymi wyjątkami, na całym świecie.
1.1. Złoża geotermalne
Najlepiej zlokalizowane miejsca do wykorzystywania energii geotermalnej można podzielić następująco:
1. Miejsca o wysokim poziomie wód podpowierzchniowych, charakteryzujące się normalnym gradientem. Obszary te są zwykle pozbawione źródła ciepła.
Jest to odpowiedni substrat z wieloma wadami:
− gorące źródła, temperatura wody sięga około 200°C, zanieczyszczenia obejmują K, Ca, Au;
− fumarole to źródła gazowe utworzone przez gaz wydzielany przez gorącą magmę lub promieniowanie o temperaturze powierzchni wody osiągającej
ponad 1000 °C
− wulkany błotne, gorące źródła z wysoką zawartością cząstek stałych;
− gejzery, regularnie wypełniane gorącymi źródłami o temperaturze do 140°C.
2. Pola hipertermiczne, przestrzeń nasycona wodą lub parą;
− suche, w postaci pary wodnej podgrzewanej wewnątrz gorących skał i przenoszonej do złóż;
− mokre, woda przedostaje się na powierzchnię w formie płynnej i w momencie zmiany ciśnienia paruje.
1
www.kozmo.cz
2. Wytwarzanie energii elektrycznej ze źródeł geotermalnych
Wytwarzanie energii elektrycznej to jedno z najważniejszych zastosowań energii geotermalnej.
Gorąca woda i para jest stosowana do napędzania generatora bez wydzielania szkodliwych
substancji do atmosfery. Wydzielana jest jedynie para wodna pod niskim ciśnieniem, która może
być wykorzystana do celów grzewczych. Inną zaletą jest to, że elektrownie geotermalne mogą być
budowane na różnych obszarach, takich jak pustynie, lasy lub obszary rekreacyjne. Zasady
działania elektrowni geotermalnej są proste. Zimna woda jest wtłaczana w głąb skał granitowych
zlokalizowanych blisko powierzchni (do złoża) i produkowana jest para o temperaturze ponad
200°C pod wysokim ciśnieniem. Następnie para ta jest wtłaczana do turbiny połączonej z
generatorem, który przekształca energię mechaniczną w elektryczną. System ten przypomina
zwykłą elektrownię cieplną, która wykorzystuje paliwa kopalne, jako źródło ciepła. Po odebraniu
ciepła woda jest zazwyczaj wtłaczana z powrotem do złoża lub do rzek. Przywracanie wody do
złoża obniża zanieczyszczenie i zmniejsza spadek ciśnienia w złożu, redukując tempo uwalniania
2
wody .
Istnieją trzy podstawowe zasady wykorzystywane w elektrowniach geotermalnych:
− Zasada suchej pary,
− Zasada rozprężonego strumienia pary,
− Zasada cyklu binarnego.
Cena energii elektrycznej zależy od temperatury cieczy w złożu geotermalnym. Z perspektywy ekonomicznej, najbardziej korzystna produkcja energii
elektrycznej odbywa się przy temperaturze złoża przekraczającej 180°C. Można produkować energię elektryczną ze złóż o niższej temperaturze, ale aby
osiągnąć lepszą skuteczność stosuje się gotujący się organiczny płyn roboczy zamiast wody do wtłaczania w turbinę. Płyn organiczny pobiera ciepło z płynu
geotermalnego za pomocą wymiennika ciepła.
2
www.yourgreendream.com
Zasada suchej pary
Wykorzystuje się gorącą parę o temperaturze przekraczającej 235°C. Para ta jest stosowana do bezpośredniego napędzania turbin i generatorów. Jest to
jedna z najstarszych i najprostszych zasad wykorzystywanych do dzisiaj, ponieważ stanowi ona najtańszy sposób wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł
geotermalnych. Landerello, pierwsza elektrownia geotermalna na świecie wykorzystywała tę zasadę.
Elektrownia geotermalna w Landerello
(Włochy)
Energia geotermalna jest wykorzystywana w
rolnictwie do zwiększania produkcji. Woda ze złóż
geotermalnych
jest
wykorzystywana
do
ogrzewania szklarń oraz do hodowli kwiatów
i warzyw. W szklarniach nie ogrzewa się jedynie
powietrza, ale również ziemię, w której rosną
rośliny. Od wieków stosuje się tę zasadę w
środkowych Włoszech. Również około 80%
zapotrzebowania na energię w węgierskich
szklarniach jest obecnie zaspokajane przez
źródła geotermalne.
Schemat działania elektrowni geotermalnej na suchą parę
Zasada rozprężonego strumienia pary
W systemie tym do wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł geotermalnych stosuje
się gorącą wodę o temperaturze przekraczającej 182°C (360°F) pochodzącą ze złoża
geotermalnego, która przepływa pod bardzo wysokim ciśnieniem. W trakcie
pobierania wody ze złoża do elektrowni zlokalizowanej na powierzchni ziemi
zmniejsza się jej ciśnienie, a gorąca woda zamienia się w parę, która napędza turbinę.
Woda przemieniona w parę powraca do złoża, by móc ją ponownie wykorzystać.
Większość nowoczesnych elektrowni geotermalnych wykorzystuje tę zasadę
działania.
Zasada cyklu binarnego
Woda wykorzystywana w cyklu binarnym jest chłodniejsza niż woda wykorzystywana
za pomocą innych metod wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł geotermalnych.
Gorąca woda w cyklu binarnym jest wykorzystywana do podgrzewania cieczy o
znacznie niższej temperaturze wrzenia od wody pochodzącej ze źródła
geotermalnego. Ciecz ta jest przekształcana w parę o temperaturze bliskiej
temperaturze wrzenia do napędzania turbiny i generatora. Zaletą tej metody jest
większa skuteczność. Dostępność potrzebnych złóż jest znacznie większa niż w
przypadku innych procedur. Inną zaletą jest całkowite zamknięcie obiegu, w którym
zużyta woda wraca do złoża, a utrata ciepła i wody jest ograniczona do minimum. W
większości planowanych elektrowni geotermalnych przewiduje się wykorzystanie tej
zasady.
3. Ogrzewanie energią geotermalną
Innym ciekawym wykorzystaniem energii geotermalnej jest ogrzewanie. Ogrzewanie
przestrzeni jest jednym z najbardziej bezpośrednich sposobów wykorzystania płynów
geotermalnych o niskiej temperaturze (poniżej 100 °C). Zasada jest oparta na prostym
wykorzystaniu płynów geotermalnych, które przenoszą ciepło do wody w wymienniku
ciepła. Woda jest następnie przenoszona rurociągami do grzejników w domach lub w
innych miejscach. Taki system ogrzewania wymaga bardzo grubej izolacji, by do
użytkownika dotarła gorąca woda (wysokie straty ciepła). Największa geotermalna instalacja grzewcza jest zlokalizowana w Reykjaviku, stolicy Islandii, w
której niemalże wszystkie budynki wykorzystują energię geotermalną do ogrzewania. Mimo iż Islandia jest największym konsumentem energii geotermalnej w
przeliczeniu na osobę, nie jest ona jedynym miejscem, w którym wykorzystywana jest energia geotermalna. Energia ta jest również wykorzystywana w Nowej
Zelandii, Japonii, Włoszech, Filipinach oraz niektórych częściach Stanów Zjednoczonych, np. w San Bernardino, Kalifornii oraz w Boise, stolicy Idaho.
Energia geotermalna może być również wykorzystywana do ogrzewania hodowli ryb, ogrzewania dróg i ścieżek oraz w balneologii – w dziedzinie medycyny
wykorzystującej energię geotermalną w celach rekreacyjnych, w spa, itp.
4. Pompa ciepła
Pompa ciepła wykorzystuje energię cieplną zawartą w ziemi, wodzie i powietrzu. Pompa ciepła podgrzewa wodę o temperaturze kilku stopni powyżej zera,
która nie może być bezpośrednio wykorzystana do ogrzewania domu do odpowiedniej temperatury.
Etap pierwszy - Parowanie: Czynnik chłodniczy krążący w pompie ciepła pobiera ciepło z powietrza, wody lub
ziemi, zmienia stan skupienia z ciekłego na gazowy, a następnie paruje.
Etap drugi - Kompresja: sprężarka pompy ciepła spręża gazowy czynnik chłodniczy podgrzany o kilka stopni i
dzięki zasadzie kompresji (temperatura rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia) rośnie jego ciepło, ostatecznie
osiągając znaczny wzrost temperatury do około 80°C.
Etap trzeci - Kondensacja: Ogrzewany czynnik chłodniczy jest transmitowany przez drugi wymiennik ciepła w
grzejnikach wody, a następnie chłodzony, co powoduje jego skraplanie się i uwalnianie się ciepła do wody.
Grzejniki dostarczają ciepło, które promieniuje do pomieszczenia, a ochłodzona woda w obiegu grzewczym
powraca do wtórnego wymiennika w celu ponownego ocieplenia.
Etap czwarty - Rozprężanie: czynnik przepływa przez zawór rozprężny z powrotem do pierwszego wymiennika, gdzie jest ponownie ogrzewany.
Pompa ciepła nie działa na zasadzie perpetuum mobile, jest ona napędzana głównie przez energię elektryczną, a zużyta energia stanowi od 20 do 40
procent energii wytworzonej przez pompę.
Obecnie, do ogrzewania domów używa się prawie wyłącznie sprężarek pompy ciepła napędzanych przez silnik elektryczny. Pod względem zastosowanej
sprężarki można podzielić pompy ciepła na następujące rodzaje:
−
Pompy ciepła ze sprężarka spiralną - są droższe, jednak osiągają najwyższy współczynnik grzewczy. W chwili obecnej jest to najczęściej używany
typ. Okres eksploatacji sprężarki spiralnej to co najmniej 20 lat.
−
−
Pompy ciepła ze sprężarka rotacyjną - można je znaleźć w klimatyzatorach. Ich współczynnik grzewczy jest nieco niższy niż w przypadku pomp
ciepła wyposażonych w sprężarki spiralne.
Absorpcyjne pompy ciepła – pracują bez sprężarki i dlatego są całkowicie bezgłośne. Ich wadą jest niższy współczynnik grzewczy.
Obecnie używane jedynie w wyjątkowych sytuacjach do ogrzewania, chociaż można je znaleźć w instalacjach klimatyzacyjnych.
W zależności od rodzaju chłodzonego i ogrzewanego czynnika wyróżnia się następujące typy pomp ciepła:
−
−
−
−
−
powietrze/woda – typ uniwersalny, centralne ogrzewanie,
powietrze/powietrze – dodatkowe źródło ciepła, ogrzewanie ciepłym powietrzem, klimatyzacja,
woda/woda – wykorzystanie ciepła odpadowego, energii geotermalnej, centralne ogrzewanie,
solanka/woda - typ uniwersalny centralnego ogrzewania, wykorzystuje się odwierty pionowe lub kolektory gruntowe,
woda/powietrze - systemy ogrzewania ciepłym powietrzem.
5. Naturalne źródła ciepła dla pompy ciepła
Wybierając naturalne źródło ciepła dla pompy ciepła należy uwzględnić w szczególności jego dostępność, jakość, wytrzymałość i temperaturę. W przypadku,
gdy stężenie zanieczyszczeń przekracza dopuszczalne granice dla danej pompy ciepła może być stosowana oddzielna instalacja grzewcza, ale należy liczyć
się z tym, że temperatura pomocniczego czynnika roboczego (woda, solanka) będzie około 5 ° C niższa niż temperatura źródeł naturalnych.
Poszczególne źródła naturalne dla pomp ciepła oraz zakresy temperatur przedstawia tabela:
Naturalne źródło ciepła
Powietrze zewnętrzne
Powietrze wylotowe
Wody gruntowe
Wody powierzchniowe (jeziora, rzeki...)
Wody geotermalne
Skały
Grunt, gleba
Ścieki
Zakres temperatur, °C
-10 to -15
15 do 25
4 do 10
0 do 10
15 do 90
0 do 5
0 do 10
ponad 10
Woda
2
1
1 – wykorzystanie wód
gruntowych przez pompę
ciepła
2 - wykorzystanie wód
powierzchniowych przez
pompę ciepła
Zaletą stosowania wód gruntowych jest to, że jest to źródło stabilne o stosunkowo wysokiej temperaturze (około 10°C). Dlatego jest to bardzo odpowiednie
źródło ciepła dla pompy ciepła. Główne wymogi dla instalacji pompy ciepła obejmują korzystne warunki hydrogeologiczne oraz odpowiednią ilość wód
gruntowych. W tym przypadku wymagana jest konstrukcja dwóch studni; woda jest pompowana z jednej studni, a następnie po ochłodzeniu powraca do
drugiej. Odległość pomiędzy studniami powinna wynosić od 10 do 25 m. Poza wodami gruntowymi możemy wykorzystać również wody powierzchniowe. Na
przykład ze strumienia, rzeki, jeziora i ścieków przemysłowych lub domowych.
Grunt
Biorąc pod uwagę, że w naszych warunkach klimatycznych ziemia na głębokości większej niż 80 cm nie zamarza, to można ją uznać za źródło stałej
temperatury. Przepływ ciepła między gruntem a pompą ciepła odbywa się przez rury wykonane z tworzyw sztucznych umieszczone w ziemi poziomo lub
pionowo. W przypadku ogrzewania domu, rury poziome są droższe i wymagana jest powierzchnia kolektorów dwukrotnie lub trzykrotnie większa od
ogrzewanej powierzchni. Rury są umieszczone na głębokości od 1,5 do 2 m, a odległość między rurami wynosi 1 m. Długość jednej rury nie powinna
przekraczać 350 m. Jeśli długość ta nie jest wystarczająca należy umieścić kilka rur jednakowej długości w niezacienionym miejscu. Jeśli z powodu rodzaju
gruntu lub innych przyczyn nie można użyć kolektorów poziomych, należy zastosować odwierty.
Zaletą studni głębinowych jest, tak jak w przypadku wód gruntowych, stosunkowo wysoka temperatura w chłodnie dni, tj. wtedy, gdy potrzebujemy najwięcej
ciepła do ogrzania domu. Odwierty mają zazwyczaj od 50 do 120 m głębokości. Największym problemem jest duża inwestycja finansowa w konstrukcję
odwiertu. Dokładna głębokość odwiertu zależy od warunków geologicznych i mocy pompy. Jeśli istnieje potrzeba wykonania odwiertu na większą głębokość
niż pozwalają możliwości techniczne lub geologia, głębokość całkowita może być podzielona na kilka identycznych studni oddalonych od siebie o co najmniej
5 m. Jeśli poszczególne studnie są płytsze niż 50 m, zaleca się zwiększenie całkowitej długości rury (a więc i studni) o maksymalnie 10 procent.
Ciepło jest przenoszone z gleby przy użyciu płynu zapobiegającego zamarzaniu, który wypełnia rury polietylenowe. Woda krążąca w obiegu pobiera ciepło
z gruntu, które jest następnie przetwarzane i przenoszone przez pompę ciepła. Proces ten ochładza ziemię, przez co jest ona dłużej zamarznięta. W związku
z tym w trakcie projektowania pompy ciepła oraz rurociągu, należy wziąć pod uwagę ochładzanie się ziemi, co może wpływać negatywnie na dom lub
roślinność. Najbardziej podatny grunt dla pomp ciepła to mokra gleba gliniasta, która ma wysoką pojemność cieplną.
3
3 – wykorzystanie powierzchni
ziemi pod pompę ciepła
4
4 – wykorzystanie energii zawartej
głęboko w gruncie
Powietrze
Wykorzystywanie ciepła zawartego w powietrzu to sposób najprostszy, ponieważ układ ten może być instalowany bez
ograniczeń technicznych. Pompa ciepła działa przy temperaturze sięgającej -15°C, ale wydajność pompy w takich
temperaturach jest stosunkowo niska. W związku z tym, jeśli temperatura otoczenia spada poniżej -5°C, należy
dogrzewać budynek z innego źródła ciepła. Z drugiej strony, pompa osiąga doskonałą wydajność na wiosnę i na jesień,
kiedy temperatura powietrza jest wyższa niż temperatura gruntu lub wody. Największą wadą tego źródła ciepła jest
duże zróżnicowanie temperatury. Poza świeżym powietrzem można również skutecznie wykorzystać powietrze
wylotowe generowane przez gospodarstwa domowe (na przykład przez wentylację), przemysł lub rolnictwo, w którym
znaczącym źródłem ciepła są świnie i bydło.
5
Cele stosowania pompy ciepła
−
Ogrzewanie – pompa ciepła ogólnie nadaje się do energooszczędnych systemów grzewczych (np.
podłogowych/ściennych), ale dzięki najnowszym technologiom dostępne są również pompy ciepła o większej
5 – wykorzystanie powietrza przez
pompę ciepła
−
−
wydajności, które są odpowiednie dla wszystkich typów domów jednorodzinnych (nie tylko energooszczędnych) oraz dla wszystkich typów systemów
grzewczych. Wydajność i oszczędność kosztów dzięki stosowaniu pompy ciepła zwiększają się wraz ze wzrostem ilości energii dostarczanej do
naszego domu.
Ogrzewanie wody – poza ogrzewaniem budynków pompy są wykorzystywane do ogrzewania wody. Wiele pomp ciepła posiada wbudowany pojemnik
z gorącą wodą. Ogrzewanie wody zwykle poprzedza ogrzewanie budynku, tzn. najpierw pompa ciepła podgrzewa ciepłą wodę, a następnie uwalnia
ciepło do systemu grzewczego.
Chłodzenie – najczęściej pompa ciepła posiada również funkcję chłodzenia. W tym przypadku pompa ciepła działa odwrotnie, tzn. odbiera ciepło
z pomieszczenia i chłodzi je dzięki substancji roboczej, przywracając ciepło do środowiska naturalnego.
Tryby pracy pomp ciepła
Przyglądając się strukturze wewnętrznej pompy ciepła nie wolno nam zapomnieć, co wpływa na jej tryby pracy oraz wydajność.
−
−
−
−
Monowalentny tryb pracy - w tym przypadku pompa ciepła jest jedynym źródłem ciepła dla całego budynku. Pompa ciepła działa przez cały sezon
grzewczy i jest stosowana w systemie niskotemperaturowym, w którym temperatura wody nie przekracza 60°C.
Alternatywny biwalentny tryb pracy - pompa ciepła działa tylko przez część sezonu grzewczego. W okresie występowania bardzo niskich
temperatur ciepło jest dostarczane z innego źródła (np. z kotła). Ten tryb jest odpowiedni dla systemów wymagających temperatury wody sięgającej
90°C.
Równoległy biwalentny tryb pracy - pompa ciepła działa w ciągu całego sezonu grzewczego, nawet podczas niskich temperatur, chociaż jej
całkowita moc nie jest wystarczająca. Niedobór mocy jest uzupełniany przez dodatkowe źródło ciepła, a ciepło jest dostarczane z obu źródeł
jednocześnie.
Częściowo równoległy biwalentny tryb pracy - pompa ciepła działa tylko przez część sezonu grzewczego, w której nie występują bardzo niskie
temperatury. Przed wyłączeniem pompy ciepła, pompa pracuje równocześnie z dodatkowym źródłem ciepła (kocioł). Rozwiązanie to jest
odpowiednie dla systemów, które wymagają temperatury wody sięgającej 60°C.
Współczynnik grzewczy pompy ciepła
Współczynnik grzewczy jest bardzo ważnym parametrem pompy ciepła. Określa on stosunek uzyskanego ciepła do ilości pobranej energii.
Q - ciepło dostarczane przez układ grzewczy, kWh E = ilość energii zużywanej przez pompę ciepła, kWh
Współczynnik grzewczy pompy ciepła mieści się zwykle w granicach od 2 do 5. Jest on zależny od temperatury wejściowej i wyjściowej, typu sprężarki i
innych czynników. Dostawcy zwykle określają współczynnik grzewczy dla różnych temperatur wejściowych i wyjściowych. W praktyce oznacza to, że pompa
ciepła musi pobrać 1 kWh energii elektrycznej, aby wytworzyć od 2 do 5 kWh energii cieplnej.
Do obliczenia współczynnika grzewczego czasem nie bierze się pod uwagę zużycia energii przez pompy obiegowe (lub wentylatory), które są niezbędne do
funkcjonowania pompy ciepła. Rzeczywisty współczynnik grzewczy może się znacznie różnić od danych na karcie danych produktu.
Współczynnik grzewczy pompy ciepła wyposażonej w sprężarkę można również określić na podstawie różnicy między temperaturą skraplania i temperaturą
parowania. Przybliżona zależność służąca do obliczania współczynnika grzewczego pompy ciepła wyposażonej w sprężarkę jest następująca:
Tk - temperatura skraplania (układ grzewczy), K
T0 - temperatura parowania (temperatura źródła), K
k - współczynnik korygujący, biorąc pod uwagę rzeczywistą cyrkulację; to = (0,4 to 0,6).
Aby osiągnąć minimalną moc zużycia energii potrzebny jest wysoki współczynnik grzewczy:
− Temperatura źródła powinna być jak najwyższa, ale nie może przekraczać maksymalnej temperatury dopuszczonej przez producenta. Jego
wydajność musi być wystarczająca.
− Różnica temperatur wejściowych i wyjściowych powinna być jak najniższa. Maksymalna wyjściowa temperatura robocza Tc wynosi około 55 °C.
Stosowanie pompy ciepła jest korzystne w połączeniu z niskotemperaturowym systemem ogrzewania (ogrzewanie podłogowe). Im mniejszą różnicę
temperatur musi pokonać pompa ciepła, tym mniej zużywa energii i tym wyższy osiąga współczynnik grzewczy.
Współczynnik grzewczy różni się w ciągu roku w zależności od temperatury wejściowej i wyjściowej pompy ciepła. Średni roczny współczynnik grzewczy
używany do oceny działania systemu jest to stosunek zużycia energii do wyprodukowanego ciepła w skali roku. W idealnych warunkach pompy ciepła
dostarczają trzy do czterech razy więcej ciepła niż zużywają energii do swojego funkcjonowania.
Czynniki wpływające na efektywność ekonomiczną pompy ciepła
Przed rozpoczęciem projektowania pompy ciepła należy rozważyć kilka ważnych czynników:
− zamierzone zastosowanie – oraz związane z nim zapotrzebowanie na moc pompy, typ i funkcję pompy, dodatkowe źródło ciepła, itp.
− instalacja grzewcza – dla pomp ciepła najlepsze są niskotemperaturowe instalacje grzewcze, np. ogrzewanie podpodłogowe. Im niższa energia
wyjściowa wymagana od pompy ciepła, tym wydajniejsze działanie całego systemu.
−
−
głębokość potencjalnego źródła ciepła - poza wydajnością, czystością i temperaturą źródła (zwłaszcza wody gruntowej), konieczne jest również
rozważenie jego odległości od punktu docelowego. Wiąże się z tym koszt inwestycji początkowej - rury, głębokość odwiertu, koszt filtra, oczyszczanie
wody i tak dalej.
tryb pracy – wraz ze stosowaniem sprężarki i pompy (pracujących dzięki energii elektrycznej) wiążą się pewne koszty, współczynnik wydajności – im
mniejsza różnica pomiędzy temperaturą parowania i kondensacji, tym większa efektywność pompy ciepła. Miesiące zimowe są najbardziej decydujące,
kiedy temperatura otoczenia jest najniższa, a zapotrzebowanie na ciepło najwyższe.
6. Zalety i wady wykorzystywania energii geotermalnej
Zanim opiszemy wady i zalety, musimy wyjaśnić aspekty ekologiczne. Podczas produkcji energii geotermalnej, uwalniane są wonne substancje chemiczne,
zwłaszcza amoniak i siarka. Pod warunkiem, że duża część energii jest zużywana w trakcie procesu transformacji, w mniejszym stopniu uwalniana jest
również para. Wynika to z zasady produkcji.
Zalety
− odnawialne źródło energii,
− znana i opracowana technologia,
− cena jest porównywalna z ceną energii elektrycznej produkowanej z innych źródeł.
Wady
− ograniczony potencjał, zależny od geologii,
− niska wydajność energetyczna, zależna od temperatury osiąganej przez substancję roboczą,
− wysoka inwestycja początkowa
− wysoka konsumpcja wody.
7. Ogrzewanie szklarni w Horná Potôň za pomocą energii geotermalnej
W miejscowości Horná Potôň w regionie Dunajskostredský została założona specjalna szklarnia o powierzchni areału równej sześciu hektarów. Szklarnia
zapewnia roczną produkcję pomidorów w wysokości do 3 250 000 kg. Do ogrzewania używana jest energia geotermalna. Woda geotermalna w studni ma
temperaturę około 18°C.
6
7
6 - Szklarnia Horná Potôň
7 - Galanta - odwiert FGG-3
8
8 - Szklarnia Horná Potôň – drenaż zbiornika
wód geotermalnych
ENERGIA SŁONECZNA
1. Podstawy z dziedziny energii słonecznej
Definicja
„Energia słoneczna to promienie światła i ciepła pochodzące ze słońca sprzężone (zebrane i połączone ze sobą) za pomocą stale rozwijających się
technologii, takich jak ogrzewanie energią słoneczną, fotowoltaika, solarna energia termiczna, architektura solarna i sztuczna fotosynteza”. (Solar Energy
perspectives: Executive Summary, IEA, 2011, archived from the original on 2011-12-03)
1.1. Podział
Energię słoneczną można podzielić na AKTYWNĄ lub PASYWNĄ, w zależności od sposobu jej pozyskiwania, dystrybucji oraz przekształcania w energię
elektryczną.
Aktywne techniki solarne:
• systemy fotowoltaiczne (PV)
• skonsentrowana energia słoneczna (CSP)
• solarne systemy podgrzewania wody
Pasywne techniki solarne:
• orientacja budynku względem słońca
• korzystne materiały stanowiące masę termiczną o właściwościach rozpraszania światła
• naturalny obieg powietrza
1.2. Promieniowanie słoneczne (nasłonecznienie)
Do górnych warstw atmosfery Ziemi dociera 174 petawatów (PW) promieniowania słonecznego (nasłonecznienie). Około 30% jest odbijane z powrotem w
przestrzeń kosmiczną, podczas gdy reszta jest absorbowana przez chmury, oceany i lądy. Powierzchnia lądowa Ziemi, oceany i atmosfera absorbują
promieniowanie słoneczne, co podnosi ich temperaturę. Ciepłe powietrze zawierające wodę parującą z oceanów unosi się, wywołując cyrkulację
atmosferyczną lub konwekcję. Kiedy powietrze to dociera na dużą wysokość, gdzie temperatura jest niska, para wodna skrapla się, tworząc chmury, które
opadają na powierzchnię Ziemi pod postacią deszczu, zamykając w ten sposób obieg wody. Utajone ciepło kondensacji wody wzmaga konwekcję, wywołując
takie zjawiska atmosferyczne, jak wiatr, cyklony i anty-cyklony. Światło słoneczne pochłaniane przez oceany i lądy utrzymuje średnią temperaturę
powierzchni na poziomie 14 stopni Celsjusza. W procesie fotosyntezy rośliny zielone przekształcają energię słoneczną w energię chemiczną, która jest
źródłem żywności, drewna i biomasy, z której pochodzą paliwa kopalne.
Całkowita energia słoneczna pochłaniana przez atmosferę ziemską, oceany i lądy wynosi około 3 850 000 EJ (1EJ (eksadżul)= 1018 dżuli lub 278 miliardów
kilowatogodzin (kWh). W 2002 roku stanowiło to więcej energii wytworzonej w ciągu jednej godziny niż świat zużył w ciągu jednego roku (Powering the
Planet: Chemical Challenges in Solar Energy Utilization, dostęp 07.08.2008).
Ilość energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi jest tak ogromna, że w jednym roku przewyższa ona około dwukrotnie ilość energii, która
kiedykolwiek może zostać uzyskana z wszystkich ziemskich nieodnawialnych zasobów węgla, ropy naftowej, gazu ziemnego oraz uranu łącznie.
1.3. Produkcja paliwa
Solarne procesy chemiczne wykorzystują energię słoneczną do przeprowadzania reakcji chemicznych. Procesy te zmniejszają ilość energii, która
w przeciwnym razie musiałaby pochodzić z paliw kopalnych, a także zapewniają możliwość przekształcenia energii słonecznej na paliwa, które można
przechowywać i transportować.
1.4. Wady stosowania paliwa konwencjonalnego w rolnictwie
•
•
•
•
•
Paliwo musi być transportowane do miejsca, w którym zlokalizowany jest generator, które może być oddalone lub położone na trudnym terenie;
Hałas i spaliny przeszkadzają zwierzętom gospodarskim;
Ceny paliwa rosną, a wycieki zanieczyszczają ziemię;
Generatory wymagają częstej konserwacji i, podobnie jak wszystkie układy mechaniczne, psują się i wymagają części zamiennych, które nie zawsze
są dostępne;
Istnieją również istotne wady wykorzystywania propanu lub butli gazowych do podgrzewania wody do czyszczenia budynków gospodarskich,
przetwórstwa zboża lub suszenia roślin, w tym transportu do miejsca, w którym istnieje zapotrzebowanie na ciepło; koszty paliwa i kwestie
bezpieczeństwa.
1.5. Zalety wykorzystywania energii słonecznej
Międzynarodowa Agencja Energii oświadczyła, że energia słoneczna może mieć znaczący wpływ na rozwiązanie niektórych z najbardziej uporczywych
problemów, którym świat musi stawić czoła:
„Rozwój przystępnych cenowo, niewyczerpalnych i czystych technologii solarnych przyniesie ogromne, długoterminowe korzyści. Zwiększy on
bezpieczeństwo energetyczne krajów, opierając się na rodzimym, niewyczerpalnym i niezależnym od importu źródle, poprawi równowagę ekologiczną,
zmniejszy zanieczyszczenie, obniży koszty łagodzenia skutków zmiany klimatu i utrzyma ceny paliw kopalnych na niższym poziomie. Korzyści te są globalne.
W związku z tym dodatkowe koszty obejmujące zachęty do wcześniejszego upowszechnienia należy rozumieć, jako inwestycje w naukę; muszą być one
mądrze dokonywane oraz rozpowszechniane."
W 2011 roku, raport IEA wykazał, że technologie solarne, takie jak fotowoltaika i skoncentrowana energia słoneczna mogłyby dostarczyć jedną trzecią
światowej energii do 2060 roku jeśli politycy zobowiążą się do ograniczenia zmian klimatycznych. Energia słoneczna może odegrać kluczową rolę w
dekarbonizacji gospodarki światowej, przynosząc poprawę efektywności energetycznej i nakładając koszty na emitentów gazów cieplarnianych.
"Siłą energii słonecznej jest niesamowita różnorodność i elastyczność zastosowań, od małej po wielką skalę". (IEA Says Solar may Provide a Third of Global
Energy by 2060, Bloomberg Businessweek, 1 grudnia 2011)
2. Zastosowanie energii słonecznej w historii
2.1. Początki wykorzystywania energii słonecznej
Rdzenni Amerykanie i Starożytni Grecy budowali swoje domy na zboczach gór, aby móc wykorzystywać w nocy ciepło słoneczne nagromadzone w ciągu
dnia. Rzymianie jako pierwsi wykorzystali szklane okna w celu zatrzymania ciepła słonecznego wewnątrz swoich domów. Pierwsze użycie energii słonecznej
w sposób w jaki rozumiemy to obecnie miało miejsce w roku 1860, kiedy to Auguste Mouchout wynalazł pierwszy aktywny silnik słoneczny. Od tego czasu
ludzie byli zafascynowani ideą konwersji energii słonecznej do codziennego użytku (Higgins, 2009).
2.2. Wczesne zastosowanie energii słonecznej w gospodarce
W 1897 roku Frank Shuman, amerykański wynalazca, inżynier i pionier w dziedzinie energii słonecznej zademonstrował silnik słoneczny, który pracował
dzięki wykorzystaniu energii słonecznej padającej na kwadratowe skrzynie, w których zostały zamontowane czarne rury wypełnione eterem. Po podgrzaniu
eter mając niską temperaturę wrzenia, zasilał silnik parowy. W 1908 roku Shuman założył Sun Power Company z zamiarem budowania większych elektrowni
słonecznych. Wraz ze swoim doradcą technicznym A.S.E. Ackermann’em i brytyjskim fizykiem Sir Charles Vernon Boys’em opracował ulepszony system
wykorzystujący lustra do odbijania energii słonecznej na kolektory, zwiększając tym samym wydajność ogrzewania w takim stopniu, że zamiast eteru mogła
być wykorzystywana woda. Następnie Shuman skonstruował pełnowymiarowy silnik parowy zasilany wodą pod niskim ciśnieniem, co pozwoliło mu
opatentować cały system wykorzystujący energię słoneczną w 1912 roku. W latach 1912 i 1913 Shuman zbudował pierwszą na świecie elektrownię
słoneczną w Maadi, Egipt. Elektrownia Shuman’a wykorzystywała koryta paraboliczne do zasilania 45-52 kilowatowego (60-70 KM) silnika, który
przepompowywał ponad 22 000 litrów wody na minutę z Nilu do sąsiadujących pól bawełny. Choć wybuch I wojny światowej i odkrycie taniej ropy w 1930
zatrzymały postęp w dziedzinie energii słonecznej, podstawowa wizja i projekt Shuman’a zostały wskrzeszone w 1970 roku wraz z nową falą zainteresowania
energią słoneczną. (Smith, Zachary Alden; Taylor, Katrina D. (2008), Renewable and Alternative Energy Resources: A Reference Handbook, ABC-CLIO,
p.174, ISBN 978-1-59884-089-6)
„Wykazaliśmy zyski gospodarcze pochodzące z wykorzystywania energii słońca w tropikach, a w szczególności udowodniliśmy, że po wyczerpaniu zasobów
ropy naftowej i węgla rasa ludzka może otrzymać nieograniczoną moc pochodzącą z promieni słońca.” (Frank Shuman, New York Times, 2 lipca 1916.) [tłum.
własne]
3. Solarna energia elektryczna
3.1. Czym jest solarna energia elektryczna?
Solarna energia elektryczna powstaje w wyniku konwersji światła słonecznego na elektryczność:
a) w sposób bezpośredni:
- stosowanie fotowoltaiki (PV), tj. konwersji światła na prąd elektryczny przy wykorzystywaniu efektu fotoelektrycznego
b) w sposób pośredni:
- wykorzystywanie skoncentrowanej energii słonecznej (CSP) przez soczewki lub lustra i systemy nadążne w celu skoncentrowania dużego obszaru światła
słonecznego w mały promień
PV
CSP
3.1.1. Czym Jest Efekt Fotoelektryczny?
Efekt fotoelektryczny został po raz pierwszy odnotowany w 1839 przez francuskiego fizyka Edmunda Bequerel’a. Odkrył on, że niektóre materiały wytwarzają
niewielki prąd elektryczny po ich ekspozycji na działanie światła. Jest to zasada wykorzystywana przez fotowoltaiczne panele słoneczne.
3.2. Panele Słoneczne
Pierwsze praktyczne zastosowanie fotowoltaicznych paneli słonecznych miało miejsce na statku kosmicznym w 1960 roku. Z biegiem czasu, technologia była
ulepszana, a panele były coraz mniejsze i tańsze. Obecnie panele słoneczne są niedrogie i wystarczająco skuteczne do użytku domowego. (na podstawie
How Solar panels Work-A Guide for Dummies, opublikowanego 20/08/2012 przez The Go Greena Team)
3.2.1. Jak działają panele słoneczne?
Ogniwo słoneczne lub ogniwo fotoelektryczne jest to urządzenie, które przetwarza światło w prąd elektryczny za pomocą efektu fotoelektrycznego. Jest to
niewielkie urządzenie, które potrafi przekształcić światło słoneczne w energię elektryczną. Jedno ogniwo jest w stanie wyprodukować jedynie bardzo małą
ilość energii. Kilka połączonych ze sobą ogniw umieszczonych na stałe w ramie tworzy panel (lub moduł) słoneczny, który może wytworzyć większą,
przydatną ilość energii. Kilka paneli połączonych ze sobą tworzy system paneli słonecznych.
Wewnątrz ogniwa słonecznego znajdują się dwie cienkie warstwy krystalicznego krzemu, umieszczone jedna na drugiej, tworząc coś w rodzaju krzemowej
kanapki. Atomy wierzchniej warstwy są niestabilne, gdyż zawiera ona zbyt dużo elektronów i bardzo chce się ich pozbyć. Dolna warstwa zawiera z kolei kilka
pustych miejsc, które bardzo chciałaby wypełnić. Tak więc górna warstwa jest zdeterminowana do porzucenia kilku elektronów, a dolna warstwa jest
zdeterminowana do ich przyjęcia. Same elektrony zaś aż świerzbi, by przeskoczyć z górnej warstwy na dolną. Dzięki temu ustawieniu wszystkie elementy
znajdują się na odpowiednim miejscu do produkcji prądu elektrycznego. Istnieje tylko jeden problem-elektrony znajdujące się w krzemie krystalicznym nie
mogą poruszać się swobodnie, póki panel słoneczny nie zostanie wystawiony na działanie światła. Gdy światło słoneczne dotrze do górnej warstwy krzemu,
aktywuje ono elektrony i daje im wystarczająco dużo energii do przemieszczania się. Elektrony zaczynają przesuwać się z górnej warstwy do dolnej. Gdy
wiązka elektronów zaczyna poruszać się w tym samym kierunku, zostaje wytwarzana energia elektryczna. Umieszczając dwa metalowe styki po obu
stronach krzemowej kanapki otrzymamy energię elektryczną poruszającą się w obiegu. Niemniej jednak, energia elektryczna wytwarzana przez
fotowoltaiczne ogniwa słonecznego jest stała, a w domach używamy zmiennego prądu elektrycznego. Dlatego też prąd wytwarzany przez system paneli
słonecznych musi przepłynąć przez przetwornicę, która przekształca go ze stałego na zmienny zanim zostanie dostarczony do naszych domów i
wykorzystany do zasilania urządzeń. (na podstawie How Solar Panels Work-A Guide For Dummies, opublikowanego 20/08/2012 przez The Go Greena
Team)
3.2.2. Czy panele słoneczne działają w pochmurny dzień?
Słońce nie musi wychodzić zza chmur, by aktywować panele słoneczne. To prawda, że produkują one więcej energii w słoneczne dni, ale będą też
produkować nieco energii w ciągu dni pochmurnych. Fotowoltaiczne panele słoneczne wykorzystują światło do produkcji energii elektrycznej, a nie ciepło.
3.2.3. Podstawowe informacje techniczne dotyczące paneli słonecznych
•
•
Ogniwa są bardzo cienkie, około 0,01 cala grubości, i zajmują zwykle powierzchnię 3-4 cali kwadratowych. Ich standardowa żywotność wynosi 20-30
lat. Jeden panel słoneczny zawiera od 2 do 200 ogniw, które są ze sobą połączone oraz obudowane hartowanym szkłem i aluminium, aby były
odporne na warunki atmosferyczne.
Podobnie jak akumulatory, ogniwa mogą być połączone szeregowo lub równolegle w celu uzyskania większych i konkretnych napięć i natężeń. Na
przykład, cztery 1-woltowe/1-amperowe ogniwa połączone szeregowo stworzą panel, którego napięcie wyniesie 4V, ale którego natężenie pozostanie
•
•
•
•
na poziomie 1 ampera. Natomiast cztery 1-woltowe/1-amperowe ogniwa połączone równolegle pozostaną na poziomie 1 wolta, ale ich natężenie
wyniesie 4 ampery. Ilość wytworzonych watów to iloczyn natężenia i napięcia (w powyższym przykładzie 4x1).
W zależności od zastosowania, moduły mogą być wykonane w różnych rozmiarach i kształtach. Płyty są w standardzie prostokątne, trójkątne,
składane lub cienkowarstwowe. Oznacza to, że mają szeroki wachlarz zastosowań, od łodzi i kamperów po samochody elektryczne i stacje
kosmiczne.
Z reguły moduły słoneczne konwertują na energię elektryczną około 10-15% energii, która na nie pada. Oznacza to, że na każde 100 jednostek
energii, które w rzeczywiście padają na panel, tylko 15 z nich faktycznie dotrze do domu w postaci energii elektrycznej.
W zależności od technologii, panele słoneczne można podzielić na 3 główne grupy:
 Polikrystaliczne (11-14% sprawności)
 Monokrystaliczne (12-16% sprawności)
 Amorficzne (6-8% sprawności)
Sprawność systemów fotowoltaicznych zależy od:
 kąta nachylenia (27.5 stopni)
 orientacji (południowa)
 zacienienia (zerowe)
4. Elektryczność wytwarzana z energii słonecznej (fotowoltaika)
Fotowoltaika jest ugruntowaną, sprawdzoną technologią z dużą, międzynarodową siecią przemysłową, która jest coraz bardziej opłacalna w porównaniu do
rozbudowywania sieci elektrycznej lub używania generatorów w odległych miejscach.
Systemy fotowoltaiczne są bardzo oszczędne biorąc pod uwagę dostarczanie energii elektrycznej w odległe miejsca na terenie gospodarstw rolnych, rancz,
sadów i innych miejsc wykonywania działalności rolniczych. Miejsce odległe może być oddalone jedynie o 15 metrów od istniejącego źródła zasilania.
Systemy PV mogą być znacznie tańsze niż instalowanie linii energetycznych i transformatorów obniżających napięcie w miejscach, takich jak elektryczne
ogrodzenia, oświetlenia budynku lub terenu i systemy pompujące wodę do pojenia zwierząt gospodarskich lub nawadniania upraw.
Zasilanie wentylatorów elektrycznych w celu zapewnienia obiegu powietrza jest kolejnym stałym zastosowaniem PV. Nowoczesne fermy trzody chlewnej i
drobiu podwajają, a nawet potrajają produkcję poprzez hodowanie zwierząt w zamkniętych pomieszczeniach. Innym zastosowaniem PV jest oświetlenie
budynków rolniczych i miejsc ogrodzonych. Poprowadzenie instalacji elektrycznej z sieci do budynku gospodarczego może stanowić droższą alternatywę,
niemniej jednak oświetlenie w tych budynkach może znacznie przedłużyć czas pracy i zwiększyć wydajność. Jest to szczególnie ważne dla tych, którzy
korzystają z cennych godzin wieczornych do przeprowadzania napraw i konserwacji sprzętu.
Systemy PV mogą być bardziej ekonomicznym rozwiązaniem od konwencjonalnych, zasilanych bateryjnie instalacji, latarek i lamp na paliwo płynne. Ponadto,
zapewniają one więcej światła o wyższej jakości i nie emitują spalin ani dymu.
Inne zastosowania systemów fotowoltaicznych w gospodarstwach, ranczach i sadach obejmują:
• Zasilanie urządzeń do mielenia paszy lub innych produktów;
• Zasilane elektrycznie urządzenia do zbioru i przenoszenia jaj;
•
•
•
•
•
Chłodzenie produktu;
Silniki i sterowniki urządzeń do opryskiwania bydła oraz podajników karmy dla zwierząt;
Sprężarki i pompy do hodowli ryb;
Ogrodzenia elektryczne do grodzenia zwierząt gospodarskich;
Ładowanie baterii.
5. Skoncentrowana energia słoneczna (CSP)
PROMIEŃ ŚMIERCI-Legenda głosi, że Archimedes użył lustra, aby skupić światło słoneczne na nacierającą rzymską flotę i odwieść ją od Syrakuz. W 1973
roku grecki naukowiec, dr Ioannis Sakkas, ciekaw, czy Archimedes mógł naprawdę zniszczyć flotę rzymską w 212 roku p.n.e., ustawił w rzędzie prawie 60
greckich żeglarzy, z których każdy trzymał podłużne lustro, które miało za zadanie przechwycić promienie słoneczne i skierować je na pokrytą smołą
jednostkę wykonaną ze sklejki i oddaloną o 160 stóp. Statek zapalił się po kilku minutach; jednak historycy nadal mają wątpliwości co do historii
Archimedesa. (Thomas W. Africa (1975) “Archimedes Through The Looking Glass”)
TRIVIA- Bardziej współczesny przykład CSP, jest to interesujący budynek w Londynie, zwany "walkie-talkie", który niechcący stał się rzeczywistym
przykładem prawdziwego „promienia śmierci”:
„Nowy drapacz chmur w Londynie zwany „walkie-talkie” został obarczony winą za odbijanie światła, które roztopiło części
samochodu zaparkowanego na pobliskiej ulicy. Martin Lindsay zaparkował swojego Jaguara na Eastcheap w Londonie w
czwartek po południu. Kiedy wrócił około dwie godziny później odkrył, że niektóre części jego samochodu - w tym lusterko
boczne i emblemat – roztopiły się. Pan Lindsay stwierdził, że „nie mógł uwierzyć” w poniesione szkody. Deweloperzy
przeprosili i zapłacili za naprawę. 37-piętrowy wieżowiec przy ulicy Frenchurch 20, nazywany „walkie-talkie”, ze względu
na swój kształt, jest obecnie w budowie." (http://www.bbc.com/news/uk-england-london-23930675)
Technologie koncentrujące światło:
- Rynna paraboliczna - składa się ze zwierciadła parabolicznego o liniowym kształcie, które koncentruje światło na odbiorniku umieszczonym wzdłuż linii
centralnej zwierciadła. Odbiornik jest to przewód umieszczony bezpośrednio nad linią centralną zwierciadła parabolicznego i wypełniony czynnikiem
roboczym w stanie płynnym. W ciągu dnia, zwierciadło śledzi promienie słoneczne, przemieszczając się wzdłuż jednej osi. Przepływając przez odbiornik, płyn
roboczy (np. stopiona sól) podgrzewa się do 150-350°C, a następnie jest wykorzystany, jako źródło ciepła dla systemu elektroenergetycznego.
- Rynna zamknięta - systemy zamkniętych rynien są stosowane do produkcji ciepła procesowego i zaprojektowane w taki sposób, by układ termiczny znalazł
się wewnątrz szklanej konstrukcji przypominającej szklarnię. Konstrukcja szklana tworzy chronione środowisko, opierające się czynnikom, które mogłyby
negatywnie wpłynąć na niezawodności i wydajność solarnego systemu grzewczego. Lekkie, zakrzywione lustra odbijające światło słoneczne są zawieszone
na suficie szklarni. Jednoosiowy system śledzenia ustawia lustra w ten sposób, by odzyskać optymalną ilość światła słonecznego. Lustra skupiają światło
słoneczne na sieci stalowych przewodów, również podwieszonych na szklanej konstrukcji. W przewodach płynie woda, która jest gotowana w celu
wytworzenia pary wodnej podczas intensywnego nasłonecznienia.
- Reflektory Fresnela - składają się z wielu cienkich, płaskich, lustrzanych pręg skupiających światło słoneczne na rurach, przez które pompowany jest płyn
roboczy. Płaskie lustra pozwalają uzyskać więcej powierzchni odbijającej światło w takiej samej przestrzeni, co lustro paraboliczne, przechwytując w ten
sposób więcej dostępnego światła słonecznego. Ponadto, są one znacznie tańsze od luster parabolicznych.
- Talerz Stirlinga - talerz z silnikiem Stirlinga składa się z wolnostojącego lustra parabolicznego, które koncentruje światło na odbiorniku umieszczonym w
centralnym punkcie lustra. Lustro śledzi słońce wzdłuż dwóch osi. Płyn roboczy w odbiorniku ogrzewa się do 250-700°C, a następnie jest wykorzystywany
przez silnik Stirlinga w celu wytworzenia energii.
- Wieża słoneczna - składa się ustawionych w szeregu, śledzących słońce dwuosiowo luster (heliostatów), które koncentrują światło słoneczne na
centralnym odbiorniku na szczycie wieży; w odbiorniku znajduje się płyn, który może składać się z wody morskiej. Płyn roboczy w odbiorniku jest
podgrzewany do 500-1000°C, a następnie wykorzystany, jako źródło ciepła dla systemu elektroenergetycznego lub układu magazynowania energii.
Technologia wież słonecznych jest mniej zaawansowana niż w systemach rynnowych, ale oferuje wyższą wydajność i lepsze możliwości magazynowania
energii.
6. Różne zastosowania słonecznej energii cieplnej
Słoneczne technologie cieplne mogą być stosowane do ogrzewania wody, ogrzewania pomieszczeń, chłodzenia pomieszczeń oraz produkcji ciepła
procesowego. (Solar Energy Technologies and Applications, Canadian Renewable Energy Network, dostęp 2007-10-22)
•
Izrael i Cypr są liderami w wykorzystywaniu systemów solarnych do podgrzewania wody na jednego mieszkańca,
wykorzystuje je ponad 90% domów.
•
Destylacja słoneczna może być stosowana do uzdatniania wody słonej oraz słonawej do picia.
•
Słoneczna dezynfekcja wody polega na wystawianiu wypełnionych wodą plastikowych butelek wykonanych z
politereftalanu etylenu na słońce na kilka godzin. Jest to zalecana przez WHO realna metoda uzdatniania wody i
bezpiecznego magazynowania dla gospodarstw domowych.
•
Energia słoneczna może być stosowana w stawach stabilizacyjnych służących do oczyszczania ścieków bez
udziału środków chemicznych i energii elektrycznej.
•
Technologie koncentrujące energię słoneczną, takie jak talerz paraboliczny, rynna paraboliczna oraz reflektory
Scheffler’a dostarczają ciepło procesowe do miejsc, w których jest ono wykorzystywane na skalę przemysłową
lub komercyjną.
•
Kuchenki słoneczne wykorzystują światło słoneczne do gotowania, suszenia i pasteryzacji.
•
Suszenie roślin uprawnych i ziarna przez wystawienie ich na słońce jest jednym z najstarszych i najczęściej
wykorzystywanych zastosowań energii słonecznej. Niemniej jednak, pozwalanie roślinom
wysychać w sposób naturalny na polu uprawnym naraża je na działanie zanieczyszczeń,
ptaków i owadów. Nowoczesne słoneczne suszarnie do roślin są również bardzo proste,
ale i bardziej skuteczne i higieniczne. Podstawowe elementy suszarni słonecznej to
zabudowa lub wiata, ekranowane stojaki lub tace i kolektor słoneczny. Kolektor może być
po prostu oszkloną skrzynią z ciemnym wnętrzem mającym na celu pochłanianie energii
słonecznej, która podgrzewa powietrze. Dzięki zachodzącemu procesowi naturalnej
konwekcji lub użyciu wentylatora ogrzane powietrze przemieszcza się w kolektorze ku
górze przechodząc przez osuszany materiał.
7. Metody magazynowania energii, pomiar i wykonalność
Prostym faktem jest to, że moduły fotowoltaiczne wytwarzają energię elektryczną tylko wtedy, gdy świeci słońce, więc konieczne jest zastosowanie pewnych
form magazynowania energii, by systemy mogły działać w nocy.
Zupełnie jak woda, energia może być pompowana do zbiornika, gdy świeci słońce i rozprowadzana za pomocą grawitacji, kiedy jest to potrzebne po zmroku.
By móc wykorzystywać w nocy energię elektryczną, niezbędna będzie bateria, która przechowa energię wytworzoną w ciągu dnia.
• Systemy wykorzystujące masę termiczną mogą w ciągu dnia oraz poza okresami grzewczymi magazynować energię słoneczną w postaci ciepła w
temperaturze przydatnej w zastosowaniach domowych. Systemy magazynowania ciepła zwykle korzystają z łatwo dostępnych materiałów o wysokim
cieple właściwym, takich jak woda, ziemia i kamienie. Dobrze zaprojektowane systemy mogą zmniejszyć zapotrzebowanie szczytowe, przenieść czas
wykorzystywania na godziny pozaszczytowe i zmniejszyć łączne zapotrzebowanie na ogrzewanie i chłodzenie.
•
Materiały zmieniające fazę takie jak parafina i sól glauberska są kolejnymi nośnikami magazynującymi ciepło. Materiały te są tanie, łatwo dostępne i
mogą zapewniać ciepło w temperaturze przydatnej w zastosowaniach domowych.
•
Energia słoneczna może być przechowywana w wysokiej temperaturze za pomocą stopionej soli. Sole są skutecznym nośnikiem magazynującym
ciepło, ponieważ są tanie, mają wysoką pojemność cieplną i mogą dostarczać ciepło w temperaturach zgodnych z konwencjonalnymi systemami
zasilania.
•
Autonomiczne systemy fotowoltaiczne tradycyjnie używały akumulatorów do przechowywania nadmiaru energii elektrycznej. W systemach
fotowoltaicznych podłączonych do sieci energetycznej, nadmiar energii elektrycznej może być wysyłany do sieci przesyłowej, podczas gdy
standardowa sieć energetyczna może być wykorzystana do uzupełniania niedoborów. System opomiarowania netto kalkuluje ilość energii, jaką
gospodarstwo domowe dostarczy do sieci. Miernik jest cofany za każdym razem, gdy gospodarstwo domowe wyprodukuje więcej energii niż zużyje.
Jeśli zużycie energii elektrycznej netto jest poniżej zera, niewykorzystana energia w kilowatogodzinach przechodzi na następny miesiąc. (PV
Systems and Net Metering, Dept. of Energy, zarchiwizowano 2008-07-04, dostęp 2008-07-31)
Inne metody obejmują zastosowanie dwóch mierników do mierzenia energii elektrycznej zużytej oraz wyprodukowanej. Jest to mniej powszechne ze względu
na zwiększone koszty montażu drugiego licznika. Większość standardowych mierników dokonuje dokładnych pomiar w obu kierunkach, sprawiając że drugi
miernik jest zbędny.
Opomiarowanie netto jest to system, który mierzy ilość zużytej energii. Pozwala on na wyprodukowanie większej ilości energii niż potrzebuje w miesiącach
letnich. Nadprogramowa ilość energii nie jest marnowana. Gdy nadchodzi zima i nie ma tak dużo słońca, ludzie mogą ją wykorzystać. Departament Energii w
USA (2006) twierdzi, że opomiarowanie netto odnosi się do sposobu rozliczania produkcji energii elektrycznej przez system fotowoltaiczny. Opomiarowanie
netto jest to umowa pomiędzy konsumentem energii elektrycznej, a jej dostawcą, pozwalająca konsumentowi pokryć część lub całość swoich kosztów energii
elektrycznej poprzez przekręcenie licznika elektrycznego do tyłu kiedy wytworzona jest nadwyżka energii. Przekręcenie licznika energii do tyłu ma miejsce,
gdy klient produkuje więcej energii niż zużywa. W rezultacie, w każdym miesiącu, w którym występuje dodatnia różnica netto, klient może otrzymać
bezzwrotny kredyt równy średniej miesięcznej ceny rynkowej produkcji na kilowatogodzinę. Dostawca energii elektrycznej nie może nakładać dodatkowych
opłat na klientów korzystających z pomiarowania netto.
Istnieje wiele czynników, które należy wziąć pod uwagę przy oszacowywaniu kosztów energii słonecznej. Borenstien (2008) stwierdził, że podstawowym
kosztem jest montaż (części i robocizna), stanowiący koszt większościowy systemu. Po instalacji, największy koszt jaki właściciel systemu fotowoltaicznego
musi ponieść stanowi wymiana przetwornicy. Średnia trwałość przetwornicy wynosi od pięciu do dziesięciu lat. Istnieje kilka innych czynników, które według
Borenstien’a należy rozważyć; pierwszym z nich jest efekt starzenia się. Produkcja energii przez ogniwa fotowoltaiczne maleje z czasem, zmniejszając się w
najlepszym przypadku o jeden procent rocznie w stosunku do oryginalnej wydajności. Drugą kwestią jest efekt "zabrudzenia": brudne panele słoneczne
pochłaniają mniej promieniowania słonecznego i generują mniej energii elektrycznej. Oznacza to, że do bieżącej wartości netto systemu należy doliczyć
koszty czyszczenia lub konserwacji.
8. Zastosowanie energii słonecznej w rolnictwie i ogrodnictwie
Rolnictwo i ogrodnictwo dążą do optymalizacji przechwytywania energii słonecznej w celu zoptymalizowania produkcji. Gospodarstwa rolne są idealnym
miejscem do umieszczenia paneli słonecznych, ponieważ często dysponują dużymi obszarami otwartej przestrzeni. Zostało zbadane i udowodnione, że
energia słoneczna jest opłacalna i niezawodna i że już podnosi poziom wydajności produkcji rolnej na całym świecie.
8.1. Rys Historyczny
Podczas krótkich okresów wegetacyjnych w trakcie trwania Małej epoki lodowcowej, francuscy i angielscy rolnicy stosowali ściany owocowe, by
zmaksymalizować gromadzenie energii słonecznej. Ściany te działały, jako masa termiczna i przyspieszały dojrzewanie poprzez przechowywanie roślin w
cieple. Wczesne ściany owocowe były budowane prostopadle do ziemi od strony południowej, ale z biegiem czasu opracowano ściany pochyłe w celu
lepszego wykorzystania światła słonecznego. W 1699 roku Nicolas Fatio de Duillier zaproponował użycie mechanizmu śledzenia, który mógł obracać się,
podążając za słońcem. Zastosowania energii słonecznej w rolnictwie obejmują poza uprawą roślin pompowanie wody, suszenie plonów, wyląg piskląt i
suszenie obornika kurzego. W ostatnim czasie technologia została zaadoptowana przez winiarzy, którzy korzystają z energii wytworzonej przez kolektory
słoneczne do zasilania prasy winiarskiej.
W szklarniach światło słoneczne przekształcane jest w ciepło, co umożliwia produkcję przez cały rok i hodowlę (w zamkniętych środowiskach) upraw
specjalistycznych oraz innych roślin, które nie są dostosowane do lokalnego klimatu. Prymitywne szklarnie zostały po raz pierwszy użyte w czasach
rzymskich do całorocznej produkcji ogórków dla rzymskiego cesarza Tyberiusza. Pierwsze nowoczesne szklarnie zostały zbudowane w Europie w XVI wieku,
aby utrzymać przy życiu egzotyczne rośliny przywiezione z wypraw za granicę. (Butti and Perlin, 1981, s.41)
Wiele gospodarstw trzody chlewnej i drobiu hoduje zwierzęta w zamkniętych pomieszczeniach, by móc kontrolować temperaturę i jakość powietrza w celu
utrzymania zdrowia zwierząt i zapewnienia ich wzrostu. W obiektach tych należy regularnie wymieniać powietrze, by usuwać wilgoć, toksyczne gazy, zapachy
i kurz. Ogrzewanie tego powietrza wymaga dużych ilości energii. Solarne systemy ogrzewania wody mogą dostarczać ciepłą wodę do mycia wstępnego
budynków oraz czyszczenia sprzętu lub do wstępnego podgrzewania wody dochodzącej do konwencjonalnego pogrzewacza wody. Inne obszary, w których
energia słoneczna może być stosowana zamiast gazu lub konwencjonalnej energii elektrycznej to: szklarnie, suszarnie, pompy wody, oświetlenie i wentylacja
kurników.
8.2. Szklarnie Słoneczne
8.2.1. Przegląd
Wszystkie szklarnie gromadzą energię słoneczną. Szklarnie słoneczne przeznaczone są nie tylko do gromadzenia energii słonecznej w słoneczne dni, ale
także do przechowywania ciepła do użytku w nocy lub w okresach, gdy jest pochmurno. Mogą one stać oddzielnie lub być dołączone do domów i stodół.
Szklarnia słoneczna może mieć formę szklarni podziemnej, szopy cieplarnianej lub tuneli foliowych. Producenci produkujący na dużą skalę wykorzystują
wolnostojące szklarnie słoneczne, podczas gdy struktury dołączone są wykorzystywane przede wszystkim przez hodowców na skalę domową. Najnowszą
formą szklarni słonecznej powszechnie przyjętą przez amerykańskich producentów są wysokie tunele.
Pasywne szklarnie słoneczne są często dobrym wyborem dla małych producentów, ponieważ są one opłacalnym dla rolników sposobem na przedłużenie
sezonu wegetacyjnego. W chłodniejszych strefach klimatycznych lub na obszarach z dłuższymi okresami pochmurnej pogody może być konieczne
uzupełnienie ogrzewania słonecznego o system ogrzewania gazowego lub elektrycznego w celu ochrony roślin przed ekstremalnym zimnem. Aktywne
szklarnie słoneczne wykorzystują dodatkową energię do przenoszenia podgrzanej słonecznie wody lub powietrza z miejsc przechowywania lub gromadzenia
do innych miejsc w szklarni. Korzystanie z solarnych systemów elektrycznych (fotowoltaicznych) do ogrzewania szklarni nie jest opłacalne o ile nie produkuje
się roślin o dużej wartości.
Szklarnie słoneczne różnią się od tradycyjnych szklarni na następujących pięć sposobów:
1. W szklarniach słonecznych przeszklenia są zorientowane w taki sposób, aby otrzymać maksymalną ilość ciepła słonecznego w okresie zimowym
2. W szklarniach słonecznych używane są materiały służące do przechowywania ciepła w celu utrzymania ciepła słonecznego
3. Szklarnie słoneczne mają duże ilości izolacji w miejscach, w których jest niewiele lub nie ma w ogóle bezpośredniego nasłonecznienia
4. W szklarniach słonecznych używane są elementy szklane oraz metody instalacji tych elementów, które mają na celu zminimalizowanie strat ciepła
5. Szklarnie słoneczne polegają na naturalnej wentylacji do chłodzenia w okresie letnim
8.2.2. Typy Szklarni Słonecznych
1. Szklarnie słoneczne dołączone do domu lub stodoły to konstrukcje, które tworzą swego rodzaju pomieszczenie wystające z budynku. Konstrukcje te
zapewniają przestrzeń dla przeszczepów, ziół lub ograniczonych ilości roślin spożywczych. Struktury te są zazwyczaj typu pasywnego.
2. Wolnostojące szklarnie słoneczne są wystarczająco duże, aby pomieścić komercyjną produkcję roślin ozdobnych, warzyw lub ziół. Mogą mieć konstrukcję
szopy cieplarnianej albo tunelu foliowego. Szopa cieplarniana jest zorientowana w ten sposób, by jej dłuższa oś przebiegała od wschodu do zachodu. Ściana
od strony południowej jest przeszklona, aby mogła zgromadzić optymalną ilość energii słonecznej, a ściana od strony północnej posiada dobrą izolację, aby
zapobiec utracie ciepła. Orientacja ta jest przeciwna do orientacji konwencjonalnej szklarni, której dach biegnie z północy na południe, aby zapewnić roślinom
jednakowe rozprowadzenie światła ze wszystkich stron. Aby zmniejszyć skutki złej dystrybucji światła w szklarni zorientowanej wzdłuż osi wschód-zachód,
północna ściana jest pokryta materiałem odblaskowym lub pomalowana jest na odblaskowy kolor. Wolnostojące tunele foliowe to okrągłe, symetryczne
struktury. W odróżnieniu od szopy cieplarnianej nie mają izolacji na stronie północnej. Solaryzacja tych struktur wymaga działań, które zwiększą wchłanianie i
dystrybucję ciepła słonecznego. Zazwyczaj obejmują one gromadzenie ciepła słonecznego w glebie pod podłogą (ang. earth thermal storage (ETS)), a także
w innych materiałach przeznaczonych do magazynowania ciepła, takich jak woda lub skały. Izolacja ściany szklarni jest istotna ze względu na konieczność
zminimalizowania strat ciepła.
8.2.3. Czynniki Krytyczne
Dwa najbardziej krytyczne czynniki wpływające na ilość ciepła słonecznego, którą szklarnia jest w stanie wchłonąć to:
1. Pozycja lub lokalizacja szklarni w stosunku do słońca
2. Typ stosowanego materiału szklanego
Biorąc pod uwagę, że energia słoneczna jest najsilniejsza na południowej stronie budynku, oszklona strona szklarni słonecznej powinna wychodzić na
południe. Jednakże, jeśli drzewa, góry lub inne budynki blokują promienie słoneczne jeśli szklarnia jest usytuowana idealnie na południe, wtedy lokalizacja
szklarni może zostać przesunięta o 15-20 stopni, co zapewni przechwytywanie energii słonecznej na poziomie około 90%. Szerokość geograficzna lokalizacji
i lokalizacja potencjalnych przeszkód mogą również wymóc przesunięcie orientacji szklarni nieznacznie na południowy wschód, aby otrzymać najlepszy uzysk
energii słonecznej na wiosnę, szczególnie jeśli szklarnia jest wykorzystywana przede wszystkim do hodowli przeszczepów. Oprócz orientacji północ-południe,
szyby szklarni powinny być odpowiednio nachylone, by wchłonąć jak największą ilość ciepła słonecznego. Z reguły dodaje się 10-15 stopni do szerokości
geograficznej danego miejsca, aby uzyskać odpowiednie nachylenie.
Przeszklenia stosowane w szklarniach słonecznych powinny umożliwić przedostanie się jak największej ilości energii słonecznej do szklarni, minimalizując
jednocześnie straty energii. Ponadto, dobry wzrost roślin wymaga, aby przeszklenie przepuszczało neutralne widmo promieniowania fotosyntetycznie
czynnego (PAR). Szkło o szorstkiej powierzchni, dwuwarstwowe sztywne tworzywo sztuczne i włókno szklane rozpraszają światło, podczas gdy szkło
bezbarwne przepuszcza światło bezpośrednie. Chociaż rośliny rosną dobrze zarówno w obecności bezpośredniego, jak i rozproszonego światła, to
bezpośrednie światło przedzielone przez podpory konstrukcyjne powoduje więcej cieni i nierówny wzrost roślin. Rozproszone światło przechodzące przez
przeszklenia wyrównuje cienie spowodowane przez podpory konstrukcyjne, przyczyniając się do bardziej równomiernego wzrostu roślin.
Tworzywa sztuczne są obecnie dominującym typem przeszkleń w szklarniach, ich odporność na działanie czynników atmosferycznych jest wzmocniona
przez inhibitory degradacji promieniowania ultrafioletowego, absorpcję promieniowania podczerwone, powierzchnię antykondensacyjną oraz szczególne
właściwości transmisji promieniowania.
Metoda stosowana do mocowania przeszkleń wpływa na wysokość strat ciepła. Przy montażu oraz obramowywaniu niektórych materiałów, takich jak akryle,
należy uwzględnić ich rozszerzanie się i kurczenie pod wpływem ciepłej i zimnej pogody. Zgodnie z ogólną zasadą, szklarnia słoneczna powinna dysponować
ok. 0,75 do 1,5 stopy kwadratowej przeszkleń na każdą stopę kwadratową powierzchni.
Aby szklarnie słoneczne były nadal ciepłe podczas chłodnych nocy lub w pochmurne dni, ciepło słoneczne, które przedostaje się do szklarni w słoneczne dni
musi zostać przechowane w szklarni do późniejszego wykorzystania. Najczęstszym sposobem magazynowania energii słonecznej jest umieszczenie
kamieni, betonu, lub wody na linii promieni słonecznych, aby mogły one wchłonąć ciepło. Cegły lub cegły z żużlobetonu po stronie tylnej (od północy) szklarni
mogą również zapewnić magazynowanie ciepła. Jednak tylko zewnętrzne cztery cale grubości tego materiału magazynującego skutecznie pochłania ciepło.
Ciemne lub średnio ciemne ceramiczne płytki podłogowe również mogą magazynować część ciepła. Ściany, które nie są używane do absorpcji ciepła
powinny być jasne lub odblaskowe, aby skierować ciepło i światło z powrotem do szklarni oraz w celu zapewnienia bardziej równomiernego rozkładu światła
dla roślin. Inne ważne aspekty magazynowania ciepła w szklarniach słonecznych to wentylacja i izolacja. (Część na podstawie szczegółowej i obszernej
instrukcji projektowania i budowania szklarni słonecznej-Solar Greenhouses, Barbara Bellows, uaktualnionej przez K. Adam, NCAT Agriculture specialists,
NCAT 2008, https://attra.ncat.org/attra-pub/viewhtml.php?id=59)
ENERGIA WIATROWA
1. Podstawowe terminy i pojęcia z dziedziny energii wiatrowej
1.1. Definicje i pojęcia z dziedziny energii wiatrowej
Najpopularniejsza definicja zrównoważonego rozwoju to zdecydowanie definicja opracowana przez Światową Komisję ds. Środowiska i Rozwoju (WCED) w
raporcie „Nasza Wspólna Przyszłość", znanym również, jako Raport Brundtland: „Zrównoważony rozwój to jest taki rozwój, w którym potrzeby obecnego
pokolenia mogą być zaspokojone bez umniejszania szans przyszłych pokoleń na ich zaspokojenie".
Chociaż zrównoważony rozwój miał początkowo na celu rozwiązanie kryzysu ekologicznego spowodowanego przez intensywną eksploatację zasobów na
skalę przemysłową i ciągłą degradację środowiska oraz przede wszystkim utrzymanie jakości środowiska, obecnie koncepcja ta rozszerzyła się na jakość
życia w całej swojej złożoności oraz pod względem gospodarczym i społecznym. Coraz więcej osób rezygnuje z technologii, które niszczą środowisko,
odznaczają się wysokim ryzykiem i brakiem przyszłości na rzecz ich alternatyw, które są przyjazne dla środowiska. Ze wstępnych ustaleń wynika, że
wykorzystanie energii odnawialnej jest bardziej korzystne: posiadamy wystarczającą wiedzę na temat natury i wystarczająco dużo materiałów, by zastosować
koncepcje w praktyce.
Jednym z kierunków proponowanych przez organizacje międzynarodowe w ramach wdrażania zrównoważonego rozwoju jest skupienie się na produkcji i
wykorzystaniu energii niekonwencjonalnej. Najlepszym sposobem osiągnięcia tego celu jest wykorzystanie odnawialnych źródeł energii.
Energia wiatrowa jest energią odnawialną zawartą w sile wiatru wiejącego na powierzchni ziemi. Wiatr jest wywołany przez ruch mas powietrza o różnych
temperaturach. Różne temperatury wynikają z tego, że woda i ziemia absorbują ciepło słoneczne w różny sposób. Masowe ruchy powietrza na skalę globalną
są wywołane różnicą temperatur między równikiem a biegunami. Ta forma energii jest praktycznie niewyczerpalna i jest znana od czasów starożytnych, kiedy
to używano jej do napędzania łodzi żaglowych i wiatraków. Obecnie energia wiatrowa jest przekształcana w energię elektryczną za pomocą turbin
wiatrowych.
Bardziej dokładny opis można znaleźć na Wikipedii (http://pl.wikipedia.org/wiki/Energia_wiatru), według której energia wiatru jest
przekształcana w energię elektryczną za pomocą turbin wiatrowych, jak również wykorzystywana jest jako energia mechaniczna w wiatrakach i pompach
wiatrowych, oraz jako źródło napędu w jachtach żaglowych.
wiatrak z osią pionową
1.2. Odniesienia historyczne
Łopaty w perskich wiatrakach były wykonane z wiązek trzciny, które
obracały się wokół osi pionowej i były używane do rozdrabniania ziarna.
Zaczęły one być wykorzystywane przez Persów w VII wieku p.n.e. Później,
stawiano młyny zorientowane na kierunek wiatru i dołączano żagle, by
pochwycić więcej energii wiatrowej.
wiatrak z żaglami
Europejskie wiatraki średniowieczne
Pierwsze wiatraki powstały w Europie w XII wieku w północnej Francji i południowej Anglii, a następnie rozpowszechniły się w Belgii, Niemczech i Danii.
Wiatraki europejskie były wykorzystywane zarówno do mielenia ziarna, jak i rąbania drewna, mielenia tytoniu, produkcji papieru, zgniatania nasion lnu na olej
oraz do kruszenia kamieni do pozyskiwania farb do malowania obrazów.
Europejczycy opracowali wiatraki z wirnikami, które obracają się wokół osi poziomej, w odróżnieniu od Persów, którzy stosowali zasadę osi pionowej. Typowe
wiatraki europejskie miał cztery łopaty, niektóre pięć, niekiedy występowały również wiatraki z sześcioma łopatami. Stopniowo, wewnątrz wielu europejskich
wiatraków budowano dwa lub trzy piętra, na których magazynowano towary (zboża, farby, tytoń).
Na początku europejskie wiatraki były w stanie wytworzyć od 25 do 30 kW mocy mechanicznej, ale w szczytowym okresie swojego rozwoju, pod koniec XIX
wieku, produkowały już około 1500 MW. Poziom ten nie został przekroczony aż do 1998.
Amerykańskie Farmy wiatrowe były używane do pompowania wody głębinowej w amerykańskich gospodarstwach rolnych w zachodniej części Stanów
Zjednoczonych. Amerykańskie Wiatraki pozostały niezapomniane dzięki bezpieczeństwu i efektywności pompowania wody z dużej głębokości. Niemniej
jednak produkują one około jedną dziesiątą energii, jaką wyprodukowałaby turbina wiatrowa tych samych rozmiarów. Zatem nie są one odpowiednie do
wytwarzania energii elektrycznej. Wykorzystywanie wiatraków w gospodarstwach rolnych było popularne na początku XX wieku. Na całym świecie działa
nadal ponad milion wiatraków z uprzedniego stulecia. W latach 1850- 1970 wybudowano w Stanach Zjednoczonych ponad sześć milionów wiatraków.
Nowoczesne turbiny wiatrowe
Wiatry powstają, ponieważ Słońce nie ogrzewa Ziemi równomiernie, co wywołuje z kolei ruch powietrza. Energię kinetyczną wiatru można wykorzystać do
wprawiania w ruch turbin, które są zdolne do wytwarzania energii elektrycznej. Dążenie do elektryfikacji domów w latach 30-tych pobudziło rozwój turbin
wiatrowych służących do ładowania akumulatorów. Tak zwane ładowarki wiatrowe poprzedzały dzisiejsze turbiny wiatrowe. Składały się one z dwóch lub
trzech łopat wykorzystywanych do zaopatrywania odległych domów oraz wsi w krajach rozwijających się w energię elektryczną. Nowoczesne turbiny
wiatrowe generują między 250-300KW mocy, co stanowi prawie dziesięciokrotność ilości generowanej przez tradycyjne europejskie elektrownie o tej samej
wielkości. Energia wiatrowa może w najbliższej przyszłości stać się najważniejszym źródłem energii odnawialnej. W ciągu najbliższych 20 lat może ona
zaspakajać około 28% zapotrzebowania na energię elektryczną w UE.
2. Wady i zalety wykorzystywania energii wiatrowej
2.1. Zalety wykorzystywania energii wiatrowej
W obecnej sytuacji, charakteryzującej się alarmującym wzrostem zanieczyszczenia spowodowanego przez produkcję opartej na paliwach kopalnych, coraz
ważniejsze staje się ograniczenie naszej zależności od tych paliw. Energia wiatrowa ma wiele zalet, co wyjaśnia, dlaczego jest najszybciej rosnącym źródłem
energii na świecie. Przeprowadzane są badania mające na celu stawienie czoła wyzwaniom w celu zwiększenia wykorzystania energii wiatrowej. Główną
zaletą energetyki wiatrowej jest zerowa emisja zanieczyszczeń i gazów cieplarnianych, ponieważ nie dochodzi do spalania paliwa. Fakt, iż energia wiatrowa
natychmiast zamienia się w energię elektryczną i jest kierowana prosto do konsumentów za pośrednictwem stacji dystrybucyjnych i transformatorowych,
można uznać za kolejną zaletę. Ropę naftową należy wydobyć, dostarczyć, rafinować, ponownie dostarczyć, przechować i dopiero można ją rozprowadzić.
Energia wiatrowa jest napędzana przez wiatr, więc jest to czyste źródło paliwa, które nie generuje żadnych odpadów. Energia wiatrowa nie zanieczyszcza
powietrza, tak jak elektrownie, które polegają na spalaniu paliw kopalnych, takich jak węgiel lub gaz ziemny. Turbiny wiatrowe nie wytwarzają emisji do
atmosfery, które wywołują kwaśne deszcze lub gazy cieplarniane. Niższe koszty na jednostkę wyprodukowanej energii - koszt energii elektrycznej w
nowoczesnych elektrowniach wiatrowych znacznie zmniejszył się w ostatnich latach, w USA jest on jeszcze mniejszy niż koszt energii wytwarzanej z paliw,
nawet, jeśli nieuwzględniane są negatywne efekty zewnętrzne związane z wykorzystaniem klasycznych paliwa. Ze względu na różnice w wielkości
i możliwości turbin, każdy z nas może korzystać z własnego systemu do wytwarzania energii wiatrowej, a tym samym obniżyć koszty utrzymania
gospodarstwa domowego. Generatory wiatrowe w pełni nadają się do recyklingu, dzięki czemu koszty ich usunięcia są niższe, w przeciwieństwie na przykład
do elektrowni jądrowych, w przypadku których koszty zamknięcia mogą być kilka razy wyższe niż koszty stacji.
2.2. Wady wykorzystywania energii wiatrowej
Początkowo, główną wadą produkcji energii wiatrowej były dość wysokie koszty produkcji i stosunkowo niska niezawodność turbin. W ostatnich latach koszty
produkcji w przeliczeniu na jednostkę energii elektrycznej drastycznie spadły, osiągając wartość 3-4 eurocentów za kilowatogodzinę, poprzez poprawę
parametrów technicznych turbin. Głównymi wadami są stosunkowo niewielkie zasoby energetyczne, wahania prędkości wiatru i brak spójności spowodowany
małą ilością możliwych miejsc. Niewiele jest miejsc na Ziemi, które dają możliwość uzyskania wystarczającej ilości energii elektrycznej dzięki energii
wiatrowej. Istnieje również ryzyko zanieczyszczenia wizualnego i dźwiękowego, które zwalcza się za pomocą cichych turbin wytwarzających hałas sięgający
około 45 decybeli, co jest równoważne przeciętnemu hałasowi wytwarzanemu w gospodarstwie domowym. Silny wiatr, który przekracza limity przewidziane w
projekcie turbin wiatrowych stanowi zagrożenie dla tych konstrukcji podczas burz. Stwierdzono także, że turbiny wpływają na środowisko i okoliczne
ekosystemy, ponieważ zabijają ptaki i wymagają dużego wolnego obszaru, aby mogły być zainstalowane. Argumenty przeciwne powyższym mówią, że
nowoczesne turbiny wiatrowe mają stylizowany, atrakcyjny wygląd i, że samochody zabijają więcej ptaków niż turbiny w skali roku oraz, że inne źródła
energii, takie jak węgiel, są bardziej szkodliwe dla środowiska, ponieważ produkują zanieczyszczenia i prowadzą do efektu cieplarnianego. Produkcja energii
elektrycznej z energii wiatru i innych odnawialnych źródeł energii jest priorytetem i koniecznością dla przyszłych dostawców energii elektrycznej w celu
ochrony środowiska.
3. Turbiny wiatrowe: komponenty i klasyfikacja
Turbina wiatrowa działa w sposób odwrotny do sposobu działania wiatraka. Zamiast korzystać z energii elektrycznej do produkcji wiatru, turbina wiatrowa
wykorzystuje wiatr do produkcji energii elektrycznej. Turbiny
wiatrowe są urządzeniami, które przekształcają energię kinetyczną
łopaty wirnika w energię mechaniczną. Jeśli energia mechaniczna
zostanie następnie przekształcana w energię elektryczną, to mówimy
wtedy o konwersji energii wiatru/energii zielonej. Turbiny wiatrowe są
podłączone do średniego napięcia, które jest następnie
przekształcane przez transformator w wysokie napięcie, aby mogło
być następnie dostarczone do systemów dystrybucji energii
elektrycznej. Turbina może dostarczać energię elektryczną jeśli jest
prawidłowo zaprojektowana, wymierzona i umieszczona na obszarze
wolnym od przeszkód i o wysokim potencjale wiatru.
3.1. Komponenty turbiny wiatrowej to:
•
•
•
•
•
Anemometr: mierzy prędkość wiatru i przesyła dane o
prędkości wiatru do sterownika;
Łopaty: unoszą się i obracają, gdy wiatr wieje nad nimi,
powodując obracanie się wirnika. Większość turbin ma dwie
lub trzy łopaty;
Hamulec: w sytuacjach kryzysowych zatrzymuje wirnik
mechanicznie, elektrycznie lub hydraulicznie;
Sterownik: uruchamia maszynę przy prędkości wiatru od
około 8 do 16 mil na godzinę (mph) i wyłącza urządzenie
przy około 55 mph. Turbiny nie pracują przy prędkości wiatru
powyżej około 55 mil na godzinę, ponieważ mogą one zostać
uszkodzone przez silne wiatry;
Skrzynia przekładniowa: łączy wał niskoobrotowy z wałem
wysokoobrotowym i zwiększa prędkości obrotowe od około
30-60 obr/min, do około 1,000-1,800 obr/min; jest to
Komponenty turbiny
wiatrowej
1. Łopaty
2. Wirnik
3. Serwomechanizm
ustawienia łopat
4. Hamulec
5. Wał niskoobrotowy
6. Skrzynia przekładniowa
7. Generator
8. Sterownik
9. Anemometr
10. Wiatromierz
11. Gondola
12. Wał wysokoobrotowy
13. Mechanizm kierunkowy
14. Napęd mechanizmu
kierunkowego
15. Wieża
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
prędkość obrotowa wymagana przez większość wytwórców do wytwarzania energii elektrycznej. Przekładnia jest kosztowną (i ciężką) częścią turbiny
wiatrowej, dlatego inżynierowie opracowują generatory z napędem bezpośrednim, które działają przy niższych prędkościach obrotowych i nie
wymagają obecności skrzyni przekładniowej;
Generator: wytwarza prąd zmienny o częstotliwości 60 Hz, jest to zwykle generator indukcyjny;
Wał wysokoobrotowy: napęd generatora;
Wał niskoobrotowy: obraca się z prędkością 30-60 obr/min;
Gondola: znajduje się na szczycie wieży i zawiera skrzynię przekładniową, wały nisko i wysokoobrotowe, generator, sterownik i hamulec. Niektóre
gondole są tak duże, że może wylądować na nich helikopter;
Serwomechanizm ustawienia łopat: obraca łopaty pod odpowiednim kątem względem wiatru, by móc kontrolować prędkość wirnika oraz by zapobiec
obracaniu się wirnika kiedy wieje zbyt silny lub zbyt słaby wiatr do wytwarzania energii elektrycznej;
Wirnik: łopaty i piasta tworzą razem wirnik;
Wieża: wykonana z rury stalowej (na obrazku), betonowej lub kratownic stalowych. Podtrzymuje konstrukcję turbiny. Ponieważ prędkość wiatru
wzrasta wraz z wysokością, wyższe wieże umożliwiają turbinom przechwytywanie większej ilości energii i wytwarzanie większej ilości energii
elektrycznej;
Kierunek wiatru: determinuje projekt turbiny. Turbiny nawietrzne, jak turbina przedstawiona na rysunku,
Turbina o poziomej osi obrotu
mają wirnik znajdujący się przed gondolą w stosunku do wiejącego wiatru, natomiast w turbinach
zawietrznych wirnik znajduje się za gondolą;
Wiatromierz: mierzy kierunek wiatru i przekazuje informacje do mechanizmu kierunkowego, który
ustawia turbinę względem wiatru;
Mechanizm kierunkowy: ustawia turbinę pod wiatr kiedy zmienia się jego kierunek. Turbiny ustawione z
wiatrem nie wymagają obecności napędu kierunkowego, ponieważ wiatr automatycznie poddaje się
podmuchom wiatru.
Silnik napędu kierunkowego: napęd mechanizmu kierunkowego.
Turbiny wiatrowe mogą być klasyfikowane według różnych kryteriów:
3.2. W zależności od osi obrotu
Turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu (ang. HAWT) mają wirnik i generator elektryczny umieszczony na
szczycie wieży. Małe turbiny są napędzane przy niskiej prędkości wiatru, podczas gdy większe turbiny
zazwyczaj wykorzystują czujnik połączony z serwomotorem. Wymaga to zastosowania skrzyni przekładniowej,
dzięki której łopaty zwiększają prędkość, by móc wytwarzać energię elektryczną. Za wieżą powstają
turbulencje, dlatego turbina jest zwykle ustawiona pod wiatr. Łopaty turbiny są sztywne, aby zapobiec ich
zepchnięciu na wieżę przez silny wiatr.
Zalety stosowania turbin o poziomej osi obrotu:
•
•
•
•
śmigło znajduje się w pobliżu środka ciężkości turbiny, zwiększając jej stabilność;
wyrównanie śmigła i kierunku wiatru zapewnia najlepszy kąt nachylenia łopat, maksymalizując produkcję energii elektrycznej;
łopaty śmigła mogą być składane, aby zapobiec zniszczeniu turbiny, gdy wiatr jest zbyt silny;
wysokie wieże umożliwiają dostęp do silniejszych wiatrów, co powoduje, że turbiny wytwarzają więcej prądu.
Wady stosowania turbin o poziomej osi obrotu:
•
•
•
•
•
•
wydajność turbiny zmniejsza się wraz z wysokością wieży, z uwagi na turbulencje spowodowane prze wiatr;
wieże i śmigła z długimi łopatami są trudne do przenoszenia, czasami koszt transportu wynosi 20% ceny urządzenia;
turbiny o poziomej osi obrotu są trudne do zainstalowania i wymagają użycia żurawi oraz pracy wykwalifikowanych pracowników;
wysokie turbiny mogą zakłócać działanie radarów w pobliżu baz lotniczych;
ze względu na swoją wysokość, turbiny o poziomej osi obrotu mogą negatywnie wpływać na krajobraz wsi;
turbiny wiatrowe z tylnym śmigłem mają niską wydajność ze względu na wywoływanie turbulencji.
Turbiny o pionowej osi obrotu (ang. VAWT), jako swoją główną oś mają wirnik ustawiony pionowo. W tym typie turbiny oś jest pionowa, a generator i
wszystkie złożone komponenty są umieszczone u podstawy, ułatwiając w ten sposób montaż i konserwację turbiny. Zamiast wieży, w tym typie turbin
stosowane są wsporniki, a wirnik umieszczony jest blisko ziemi.
Turbiny VAWT dzielą się na dwa główne typy:
turbina Savoniusa, wykorzystująca siłę parcia wiatru i działająca podobnie jak żagiel łódki. Przekrój poziomy wirnika turbiny Savoniusa jest zbliżony
do litery "S". Wirnik zwykle posiada dwa lub trzy ramiona. Różnica sił oddziaływania wiatru na wklęsłą i wypukłą stronę łopat powoduje obrót wirnika.
Wadą tego rozwiązania jest to, że część powierzchni wirnika hamuje go. Ze względu na duże siły działające na wirnik turbina Savoniusa wymaga
solidnej konstrukcji na której jest posadowiona.
• turbina Darrieusa wykorzystuje siłę aerodynamiczną powstającą w momencie kontaktu wiatru z łopatkami. Turbina Darrieusa ma dwie lub trzy długie
cienkie łopaty w kształcie pętli "C" łączące się na górze i dole osi obrotu albo łopaty proste równoległe do osi obrotu. Turbina cechuje się wysoką
sprawnością, efektywnym wykorzystaniem wiatru o różnej prędkości, wydają pracą bez względu na kierunek wiatru i brak strat energii na
dostosowanie się do kierunku wiatru, bezpieczeństwem i brakiem dyskomfortu przebywania w okolicy turbiny, cichą pracą. Do wad należą:
o pulsujący moment (redukowany przez zwiększenie liczby łopat do 3),
o trudności z montażem wysoko pionowej osi obrotu, przez co wieża pracuje w wolniejszym bardziej turbulentnym przepływie powietrza przy
ziemi,
o mały początkowy moment obrotowy (dlatego potrzebuje dodatkowego źródła zasilania albo wirnika Savoniusa).
Turbiny o pionowej osi obrotu są zawsze ustawione zgodnie z kierunkiem wiatru, więc nie muszą dostosowywać swojej pozycji do kierunku wiatru; ale ich
położenie blisko ziemi, gdzie prędkość wiatru jest niska, zmniejsza ich skuteczność.
•
Zalety stosowania turbin o pionowej osi obrotu:
• ich konserwacja jest łatwiejsza, ponieważ części ruchome są umieszczone bliżej podłoża;
• łopaty śmigła są pionowe, dzięki czemu nie ma potrzeby używania "steru", aby kierować śmigłem;
• turbiny pionowe mają dzięki swojej konstrukcji wysoką wydajność aerodynamiczną zarówno przy
wysokim, jak i niskim ciśnieniu;
• przy tej samej średnicy śmigła, łopaty turbiny o pionowej osi obrotu mają większą średnicę niż te o
poziomej osi obrotu;
• turbiny VAWT są bardziej efektywne na obszarach charakteryzujących się burzliwymi wiatrami,
ponieważ łopaty śmigła umieszczone są bliżej ziemi;
• zmniejszenie wysokości umożliwia instalację w miejscach, gdzie przepisy nie pozwalają na stawianie
zbyt wysokich budowli;
• turbiny VAWT nie wymagają umieszczenia na szczycie wieży, dlatego są tańsze i bardziej odporne
na silne wiatry;
• końcówki łopat śmigła mają mniejszą prędkość kątową, więc turbiny VAWT lepiej opierają się
silniejszym wiatrom niż turbiny o poziomej osi obrotu;
• turbiny VAWT nie muszą być ustawione pod wiatr, dlatego są skuteczniejsze na obszarach
charakteryzujących się burzliwymi wiatrami;
• turbiny VAWT mogą mieć większe rozmiary i mogą być wyposażone w mechanizmy, które obracają
się całkowicie, nie wymagając stosowania kosztownych i wyspecjalizowanych łożysk.
Wady stosowania turbin o pionowej osi obrotu to:
• wydajność turbin VAWT ocenia się na poziomie 50% wydajności turbin HAWT;
• muszą być zamontowane na płaskiej powierzchni;
Turbina o pionowej osi obrotu
• większość turbin VAWT potrzebuje silnika elektrycznego, by móc uruchomić się w słabych warunkach
wiatrowych;
• turbiny VAWT, które są zamontowane za pomocą lin tworzą naprężenie mechaniczne na mechanizmie mocującym w wale napędowym;
• większość części turbin VAWT jest umieszczona na dole, więc ich wymiana wiąże się z demontażem całej konstrukcji.
3.3. W zależności od umieszczenia łopat
Biorąc pod uwagę rozmieszczenie łopat, istnieją dwa typy turbin:
• stojące w kierunku przeciwnym do kierunku wiatru (wiatr najpierw napotyka łopaty, a następnie gondolę) – zwane również turbinami nawietrznymi;
• stojące w kierunku zgodnym z kierunkiem wiatru (wiatr najpierw napotyka gondolę, a następnie łopaty) – zwane turbinami zawietrznymi.
Turbiny nawietrzne. Wirnik turbiny ustawionej pod wiatr znajduje się w przedniej części urządzenia, umieszczony jest podobnie do śmigła w samolocie. Jest
to najbardziej popularny rodzaj małych turbin. Aby były one zorientowane pod wiatr potrzebny jest mechanizm kierunkowy.
Zaleta – Niższe zacienienie spowodowane przez wieżę. Powietrze zagina się nieco wokół wieży, co wiąże się z pewną utratą mocy związaną z zakłóceniami,
nie jest ona jednak tak duża, jak w przypadku turbiny ustawionej zawietrznej.
Wada – rozbudowana gondola wymaga, aby wirnik był umieszczony na tyle daleko od wieży, aby uniknąć
Turbina
nawietrzna
problemów związanych z uderzeniami łopat. Łopaty muszą być nieco sztywne, aby uniknąć ich wyginania
się na wieżę. Oznacza to, że punkt, w którym łopata jest przymocowana do piasty będzie poddany
naprężeniu podczas silnych, porywistych wiatrów.
WIATR
Turbiny zawietrzne. Wirnik turbiny ustawionej z wiatrem znajduje się w tylnej części turbiny. Gondola
zazwyczaj jest zaprojektowana w ten sposób, by śledziła kierunek wiatru, eliminując w ten sposób potrzebę
stosowania oddzielnego mechanizmu kierunkowego.
Zaleta - Łopaty wirnika mogą być elastyczne, ponieważ nie ma niebezpieczeństwa uderzenia wieży.
Elastyczne łopaty mają dwie zalety:
1. Mogą być mniej kosztowne;
2. Mogą obniżać naprężenie wieży podczas silnych lub porywistych wiatrów, ponieważ ich wygięcie
pozwala na przeniesienie obciążenia wywołanego przez wiatr bezpośrednio na łopaty, a nie na
wieżę.
Wada - elastyczne łopaty mogą być również wadą, ponieważ wyginanie może przyczyniać się do ich
szybszego zużywania. Cień wieży stanowi również problem turbin ustawionych z wiatrem, ponieważ łopaty
wirnika faktycznie przechodzą za wieżę. Może to spowodować turbulencje i większe zmęczenie urządzenia.
WIATR
3.4. W zależności od liczby łopat
W zależności od liczby łopat, istnieją dwa rodzaje turbin:
1. Turbiny dwupłatowe;
2. Turbiny trójpłatowe (najczęściej stosowane).
3.5. W zależności od lokalizacji
W zależności od lokalizacji, turbiny mogą być położone na wodzie lub ziemi.
Turbina zawietrzna
4. Farmy wiatrowe: rodzaje lokalizacji; jak zbudować farmę wiatrową
Globalny potencjał energii wiatrowej może dostarczyć pięć razy więcej energii niż wynosi jej obecna konsumpcja. Ten poziom eksploatacji wymagałby
przeznaczenia 12,7% powierzchni Ziemi (poza oceanami) na parki turbin wiatrowych, przy założeniu, że Ziemia będzie pokryta 6 dużymi turbinami
wiatrowymi na jeden kilometr kwadratowy. Liczby te nie uwzględniają poprawy wydajności turbiny i stosowanych rozwiązań technicznych.
Energia wiatrowa jest obecnie stosowana powszechnie, a na całym świecie buduje się nowe turbiny wiatrowe, sprawiając, że energia wiatru jest źródłem
energii charakteryzującym się najszybszym rozwojem w ostatnich latach. W ciągu ostatnich 10 lat, nastąpił wielki postęp w wykorzystaniu energii wiatru. Tak
więc, w latach 1995- 2005, roczna stopa wzrostu wynosiła około 30%, co oznacza, że całkowita zainstalowana moc wynosi 32000 MW. Jest to wynik
dwukrotnie wyższy w porównaniu do energii atomowej w tym samym okresie.
Dziedziny, w których wykorzystywana jest obecnie energia wiatru:
- Produkcja energii elektrycznej;
- Pompowanie wody ze studni;
- Konwersja energii mechanicznej na energię cieplną;
- Zaopatrywanie gospodarstw domowych w energię elektryczną.
Systemy wiatrowe dostarczają energię elektryczną:
- Do pojedynczych sieci;
- Do sieci centralnych;
- Do miejsc oddalonych;
- W celu ograniczenia narażenia na wahania cen energii;
- W celu zmniejszenia strat przesyłowych i dystrybucyjnych.
4.1. Farmy wiatrowe
Farma wiatrowa to grupa turbin wiatrowych umieszczonych obok siebie w celu wytwarzania energii elektrycznej z energii wiatru. Turbiny wiatrowe są
podłączone do średniego napięcia, które jest następnie przekształcane przez transformator w wysokie napięcia, aby mogło być następnie dostarczane do
systemów dystrybucji energii elektrycznej. Obszary sprzyjające instalacji farmy wiatrowej zależą od lokalnej prędkości wiatru (co najmniej 15 km/h) w ciągu
roku, wysokości nad poziomem morza (większa wysokość oznacza większą prędkość wiatru dzięki niskiej lepkości wiatru), ukształtowania terenu i
temperatury (niskie temperatury wymagają stosowania smarów o niskiej temperaturze krzepnięcia, bardziej odpornych materiałów, a nawet systemów
grzewczych dla turbiny wiatrowej).
W zależności od obszaru, na którym jest zainstalowana farma wiatrowa, istnieją trzy rodzaje lokalizacji:
•
•
•
Na brzegu - turbiny wiatrowe umieszczone na odległość 3 lub więcej kilometrów w głąb lądu. Lokalizacja uwzględnia efekt przyspieszenia masy
powietrza nad przeszkodą (w tym przypadku nad brzegiem). Ponieważ każdy błąd może oznaczać ogromny spadek ilości wytworzonej energii
elektrycznej, przeprowadzane są badania przez okres co najmniej jednego roku w celu określenia właściwej lokalizacji dla instalacji farm wiatrowych.
W pobliżu brzegu - farmy wiatrowe umieszczone na odległość 3 km w głąb lądu lub do 10 km w głąb morza. Te farmy wiatrowe wykorzystują efekt
konwekcji powietrza wywołany różnicą temperatur między wodą a lądem. Niektóre kwestie, które należy wziąć pod uwagę to migracja ptaków,
siedliska wodne, transport i efekt wizualny.
Na morzu - turbiny wiatrowe umieszczone w odległości ponad 10 km od brzegu w głąb morza. Nie wywołują negatywnego efektu wizualnego, nie
generują żadnego hałasu i wykorzystują wyższą średnią prędkość wiatru. Ich wady to wyższe koszty budowy, instalacji, konserwacji (zwłaszcza tych
umieszczonych w słonej wodzie, która ma bardzo żrące działanie). Jeśli odległości od brzegu są wystarczająco duże, farmy wiatrowe zlokalizowane
na morzu mogą być bezpośrednio podłączone do stacji wysokiego napięcia.
4.2. Jak zbudować farmę wiatrową
Identyfikacja potencjału wiatru. Przeprowadza się serię pomiarów, które muszą trwać co najmniej rok, a ich wyniki mogą być ekstrapolowane przy użyciu
specjalistycznego oprogramowania. Zapewnienie niezbędnego obszaru do zainstalowania farmy wiatrowej - w wyniku nabycia, najmu, najmu powierzchni, itp.
oraz poprzez zaprojektowanie farmy wiatrowej mające na celu optymalne wykorzystanie potencjału obszaru. Często zespół napędowy wybranego urządzenia
nie jest tym, które zostało wybrane początkowo, ponieważ dostawcy nie są w stanie dostarczyć go w wymaganym czasie. W wielu przypadkach wybiera się
urządzenie, które może być dostarczone najszybciej, nawet jeśli nie zapewnia optymalnego wykorzystania potencjału wiatru na danym obszarze.
Przeprowadzenie ekonomicznej analizy celowości. Musi ona wykazać wskaźnik rentowności i okres zwrotu inwestycji zgodny z oczekiwaniami inwestora, aby
przekonać go do sfinansowania projektu. Wybór sposobu podłączenia farmy wiatrowej do sieci elektroenergetycznej (dystrybucyjnej i przesyłowej).
Najczęściej jest to inwestycja dewelopera farm wiatrowych. Następnie przechodzi ona na własność publiczną lub właściciela nieruchomości. Inwestycja ma
znaczący wpływ na możliwości realizacji projektu, zwłaszcza, jeśli punkt zasilania będzie zlokalizowany daleko od farmy wiatrowej.
Uzyskanie pozwolenia na realizację projektu. W przypadku każdego projektu liczba wymaganych pozwoleń i autoryzacji różni się, ale ogółem jest ona zwykle
bardzo wysoka. W zależności od lokalizacji farmy wiatrowej, różnią się organy wydające pozwolenia na budowę. Uzyskanie pozwolenia środowiskowego jest
bardzo złożonym procesem, w wielu przypadkach wymagane jest badanie wpływu na środowisko. Inne pozwolenia muszą być uzyskane od władz lotniczych.
Organom tym należy przedstawić podstawowy projekt parku, a następnie projekt szczegółowy. Zamawianie sprzętu. Sprzęt (generatory wiatrowe) musi
zostać zamówiony jak najszybciej. Ze względu na globalny kryzys wywołany przyspieszonym wzrostem popytu w krajach, takich jak Chiny i Indie, termin
dostawy często przekracza dwa lata. Znalezienie generalnego wykonawcy. Należy znaleźć generalnego wykonawcę, który przeprowadzi instalację farmy
wiatrowej. Ten etap jest dość skomplikowany. Na przykład, znalezienie odpowiedniego sprzętu do montażu łopat o długości 45 m na wale znajdującym się na
wysokości 90 m nie jest łatwym zadaniem.
Należy obliczyć wynik gospodarczych, tj. energię dostarczaną w ciągu roku. Niecała energia jest dostarczana do konsumentów. Część jest wykorzystywana
do zasilania elektrowni oraz jej oświetlenia. W farmie wiatrowej ok. 90% wyprodukowanej energii jest dostarczana do konsumentów, a pozostałe 10% jest
wykorzystywane do zasilania elektrowni.
4.3. Wykorzystanie energii wiatru w rolnictwie
Ogrzewanie obiektu (wody, budynków)
W hodowli zwierząt gospodarskich, znaczna część energii jest zużywana do ogrzewania wody wykorzystywanej przez sprzęt czyszczący. Na przykład,
hodowle bydła wykorzystują 40% energii do podgrzewania wody. Na przestrzeni wieków w gospodarstwach używano energię wiatru do mielenia ziarna na
mąkę i pompowania wody ze studni. Jednak w ostatnich latach wzrosła popularność odnawialnych źródeł energii. Niektórzy rolnicy posiadający gospodarstwa
na obszarach wietrznych i nasłonecznionych mają teraz możliwość hodowli roślin i zwierząt przy jednoczesnym wykorzystaniu ziemi pod turbiny wiatrowe.
Zgromadzone zasoby energii wiatrowej i słonecznej pomogą rolnikowi rozwijać się, podczas gdy przychody z samych upraw byłyby niższe. Rolnicy mogą
uprawiać zboże bezpośrednio pod turbiną wiatrową lub przeznaczyć pola, na których zlokalizowana jest turbina wiatrowa na pastwiska. Ten rodzaj energii
jest z powodzeniem stosowany od dziesięcioleci w gospodarstwach. Ostatnio pojawiły się wielkie postępy w tej technologii. Możliwe jest teraz, aby
agrobiznes był zasilany wyłącznie energią wiatrową, dzięki czemu właściciel może zaoszczędzić sporą kwotę na energii elektrycznej. Koszty turbin
wiatrowych różnią się, ponieważ są ściśle zależne od lokalizacji i cen samej instalacji. Większość systemów wiatrowych konstruowanych w dzisiejszych
czasach to systemy wykorzystujące turbiny wiatrowe na dużą skalę. Opierają się one wiatrom o dużej prędkości i produkują duże ilości energii elektrycznej.
Generatory wiatrowe mogą zaspokoić potrzeby całego gospodarstwa lub mogą mieć konkretne zastosowania. Ich instalacja może być również mniej
kosztowna niż rozciąganie linii energetycznych, a ponadto są wygodniejsze i bardziej opłacalne niż silniki wysokoprężne.
5. Rentowność i niezawodność energii wiatrowej
Mała turbina wiatrowa o mocy 100 - 2000 W (Wat - jednostka miary mocy) może być zainstalowana i obsługiwana przez użytkownika, który posiada jedynie
minimalną znajomość mechaniki i elektryki. Turbina wiatrowa o małej mocy jest zazwyczaj zainstalowana na słupie na wysokości wystarczającej, aby ominąć
otaczające przeszkody, ale może być również zainstalowana na dachach budynków, jeśli nie są one zasłonięte przed wiatrem.
Celem małej turbiny wiatrowej jest zmniejszenie wydatków budżetowych poprzez maksymalne wykorzystanie zasobów naturalnych i efektywność
energetyczną, znacznie zmniejszając koszty w sektorze energetycznym. Jeśli koszt opracowania małej turbiny wiatrowej nie jest wysoki, to mogą z tego
skorzystać użytkownicy zlokalizowani na obszarach, na których ceny energii elektrycznej są wysokie.
5.1. Analiza rentowności turbiny wiatrowej
Analiza rentowności turbiny wiatrowej obejmuje:
• Możliwość umieszczania turbiny wiatrowej w danym miejscu w zależności od prędkości wiatru;
• Wstępne koszty instalacji turbiny wiatrowej;
• Koszt, oprocentowanie kredytu;
• Wytrzymałość turbiny wiatrowej;
• Koszty obsługi i konserwacji;
• Średnia cena sprzedaży energii wytwarzanej przez turbinę wiatrową.
Szczegółowa analiza rentowności oparta na powyższych wskaźnikach jest absolutnie konieczna przed dokonaniem inwestycji finansowych w tej dziedzinie.
Inwestorzy mogą dokonać wstępnej analizy opłacalności przy użyciu danych pochodzących z istniejących tabel.
5.2. Niezawodność farm wiatrowych
Zdefiniowana w kategoriach jakościowych, niezawodność jest to zdolność turbiny wiatrowej do bezawaryjnej pracy w ramach dopuszczalnych parametrów, w
określonym czasie, w ściśle określonych warunkach. Zdefiniowana w kategoriach ilościowych, niezawodność turbiny wiatrowej to prawdopodobieństwo z
jakim wypełni ona swoje funkcje w sposób bezbłędny, na pewnym poziomie, w określonym czasie i w określonych warunkach pracy. Niezawodność jest
cechą urządzeń, która nie powinna być zignorowana. Naprawialność jest to zdolność elektrowni/turbiny (i jej komponentów) do utrzymania swojego stanu
technicznego lub powrotu do stanu technicznego, który zapewni spełnienie wymogów funkcjonalnych. Naprawialność równa jest prawdopodobieństwu, z
jakim funkcjonalność układu (lub jego elementów) będzie mogła być przywrócona w określonym czasie. Wydajność indywidualnego systemu jest uzależniona
od tego, jak komponenty wykonują swoje funkcje, co prowadzi do wniosku, że niezawodność systemu zależy od niezawodności komponentów.
Niezawodność wiąże się z:
• Analizą błędów (przyczyn, występowania i procesu rozwoju, metod zwalczania);
• Oceną ilościową wydajności produktów w czasie, będącą funkcją wewnętrznych i zewnętrznych czynników wpływających;
• Ustaleniem metod i modeli obliczania oraz prognozowania niezawodności, na podstawie szczegółowego badania i monitorowania wydajności
produktów;
• Stworzeniem konstruktywnych metod technologicznych i eksploatacyjnych dla utrzymania i zwiększania niezawodności systemów, urządzeń i
komponentów;
• Ustaleniem sposobów selekcji i przetwarzania danych dotyczących niezawodności produktu;
• Określeniem optymalnych wartości dla wskaźników niezawodności.
Małe turbiny wiatrowe (o zdolnościach wytwórczych na poziomie 100 kW lub niższym) są często najtańszym sposobem wytwarzania czystej energii
elektrycznej i są najbardziej efektywnym i opłacalnym rozwiązaniem na elektryfikację obszarów wiejskich.
Mimo, iż małe systemy wiatrowe pociągają za sobą znaczące inwestycje początkowe, mogą one konkurować z konwencjonalnymi źródłami energii jeśli
planuje się obniżenie kosztów w dalszej perspektywie lub całkowitą eliminację kosztów, a w szczególności gdy bierze się pod uwagę rosnące ceny paliw
konwencjonalnych.
Koszt systemu wyposażonego w turbinę wiatrową obejmuje dwa komponenty: początkowe koszty instalacji oraz koszty operacyjne. Koszty instalacji obejmują
cenę zakupu całego systemu (w tym wieży, okablowania, urządzeń łączących i baterii, zasilania, itp.) plus koszty dostarczania energii i licencji, koszty
instalacji, wynagrodzenia i podatki.
Kryteria lokalizacji turbin wiatrowych:
- Zapewnienie stałej prędkości wiatru w zależności od wielkości turbiny wiatrowej;
- Zapewnienie przepływu powietrza przez dłuższy okres roku;
- Korzystne lokalizacje to łagodne wzgórza, zaokrąglone wzgórza oraz obszary przybrzeżne;
- Unikanie skalistych terenów, ostrych i zróżnicowanych przeszkód (lasy, ściany, budowle, itp.);
- Sprawdzenie map meteorologicznych przedstawiających rozkład częstotliwości prędkości wiatru;
- Różnice w kierunkach wiatru - nie powinny być wysokie w krótkim czasie.
Małe turbiny wiatrowe rozpoczynają bowiem produkcję energii elektrycznej przy prędkości wiatru 3,5-4 m/s, do tej prędkości, nawet jeśli zaczynają się kręcić,
produkcja energii wynosi 0 lub bardzo blisko 0. Wyjątkiem są tylko bardzo małe turbiny wiatrowe, które mają bardzo małą bezwładność, poniżej 100W, które
mogą rozpocząć produkcję przy prędkości wiatru około 2-3 m/s. Mała turbina wiatrowa nie wymaga specjalistycznej konserwacji, jest niezawodna, a jej
żywotność może być bardzo długa jeśli nie zostanie ona zniszczona przez potężne burze. Energia wiatru przechwycona przez turbinę może być
przetworzona i użyta na kilka sposobów. Izolowane społeczności, które w przeciwnym razie musiałyby polegać na generatorach Diesla, mogą wykorzystywać
turbiny wiatrowe jako alternatywę. Osoby fizyczne mogą nabywać te systemy w celu zmniejszenia lub wykluczenia ich zależności od sieci elektrycznej ze
względów ekonomicznych lub w celu zmniejszenia emisji dwutlenku węgla. Turbiny wiatrowe są od dziesięcioleci wykorzystywane w gospodarstwach
domowych na odległych obszarach do wytwarzania energii elektrycznej i magazynowania jej w akumulatorach.
Użytkownicy systemów off-grid mogą wykorzystywać energię ze źródeł okresowych bądź stosować baterie, systemy fotowoltaiczne lub systemy Diesla dla
uzupełnienia turbiny wiatrowej. Urządzenia takie jak parkometry, znaki ostrzegawcze, oświetlenie uliczne lub bezprzewodowe bramy internetowe mogą być
zasilane przez małą turbinę wiatrową, ewentualnie w połączeniu z systemem fotowoltaicznym, która ładuje małą baterię niwelując potrzebę podłączenia do
sieci energetycznej.
6. Studium przypadku: Zakład Doświadczalny Instytutu Zootechniki PIB Rudawa sp. z o.o.
Zakład Doświadczalny Instytutu Zootechniki PIB Rudawa Sp. z o.o. prowadzi hodowlę 350 krowach mlecznych, jałówek i cieląt. Zwierzęta utrzymywane są
wolnostanowiskowo w identycznych ogrzewanych i wentylowanych mechanicznie pomieszczeniach. Oświetlenie oraz elementy wyposażenia poszczególnych
pomieszczeń tj. termy, stacja odpajania i dojarka są wspomagane zasilaniem z generatorów wiatrowych i fotoogniw.
W zakładzie zainstalowano generator wiatrowy o mocy 2,5 kW, napięciu 24 V usytuowany na wysokości 15 m od poziomu gruntu, od strony przeważającego
kierunku wiatru. Zakres pracy generatora obejmuje przedział prędkości ruchu powietrza od 2,5 do 25 m/s. Generator sterowany jest elektronicznie poprzez
komputerowy sterownik umożliwiający optymalną nastawę turbiny względem kierunku wiatru, a także zatrzymanie jej pracy przy zbyt silnym wietrze.
Instalacja wyposażona jest w licznik energii, konwerter i falownik zmieniające prąd stały w prąd zmienny o napięciu znamionowym 230 V i częstotliwości 50
Hz. System wyposażony jest w akumulatory żelowe równoważące nadmiar i niedobór mocy wynikający z prędkości wiatru poruszającego generator.
Na podstawie pomiarów dokonanych na przestrzeni roku uzyskano wyniki wskazujące, że generator wiatrowy w opisywanych warunkach topograficznych i
pogodowych stanowi bardzo dobre i efektywne źródło energii odnawialnej.
Rozdysponowanie zużycia energii w fermowym chowie bydła mlecznego
Rozdysponowanie
Średnie zużycie energii
Oświetlenie krowy mleczne
38,7
Oświetlenie porodówka
59,8
Oświetlenie cielętnik-jałownik
30,2
Termy obora
50,1
Stacja odpajania
25,7
Dojarka
12,6
Efektywny jednostkowy uzysk energii z generatora wiatrowego
Parametr/Miesiąc
I
II
III
IV
Generator wiatrowy
(kWh/dzień)
66,2
66,3
63,4
64,5
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
63,3
55,5
57,2
60,7
67,3
69,3
68,3
69,2
Bilans energii niezbędnej do zasilania systemu oświetlenia, term, dojarki oraz stacji odpajania obory
I
II
Zapotrzebowanie
(kWh)/stanowisko
21,1
20,8
Efektywny uzysk energii
(kWh)
2052,2
1856,4
9726,1
8925,0
Max. liczba zasilanych
stanowisk
97
89
III
19,2
1965,4
10236,5
102
IV
V
17,7
1935
10932,2
109
16,6
1962,3
11821,1
118
VI
14,5
1665
11482,8
115
VII
15,1
1773,2
11743,0
117
VIII
15,5
1881,7
12140,0
121
IX
16,8
2019
12017,9
120
X
18,1
2148,3
11869,1
119
XI
20,4
2049
10044,1
100
XII
21,3
2145,2
10071,4
101
Średnio
18,09
1954,4
10917,4
109
Miesiąc
Na podstawie badań wykonanych w 2014 roku przez IZ PIB, dr Wojciech Krawczyk
Pokrycie zapotrzebowania (%)
ENERGIA WODNA
1. Potencjał Hydroenergetyczny
Wszystkie odnawialne źródła energii są uzależnione od energii słonecznej. Woda jest w przyrodzie nośnikiem energii mechanicznej, chemicznej i termicznej.
Energia mechaniczna wody obejmuje:
- energię mechaniczną opadów;
- energia mechaniczna lodowców;
- energię mechaniczną (hydrauliczną) cieków wodnych;
- energię mechaniczną oceanów.
W warunkach klimatycznych Europy, jedynym pozostałym źródłem energii jest
energia mechaniczna zachowana w ciekach wodnych.
Cykl hydrologiczny
Cykl hydrologiczny jest to nieprzerwany obieg wody w hydrosferze ziemskiej
napędzany przez słońce. Woda krąży w obiegu, zmieniając swój stan. Woda, która
odparowuje do atmosfery jest przenoszona w postaci kropel wody w deszczu.
Większa część odparowuje z mórz i większość wody spada z powrotem do mórz.
Mniejsza część jest przenoszona na ląd, a równowaga jest zachowana dzięki
rzekom przenoszącym wodę z lądu do mórz i oceanów. Z geograficznego punktu
widzenia istnieją dwa obiegi:
• Duży obieg wody - wymiana następuje pomiędzy oceanem a lądem,
• Mały obieg wody – wymiana następuje tylko w obrębie oceanów lub tylko w
obrębie lądu.
Obieg wody w przyrodzie
Główne procesy fizyczne biorące udział w obiegu wody to:
Parowanie, czyli konwersja utajonego ciepła, to proces, w którym ciecz przekształca się w parę.
Skraplanie lub kondensacja jest to termodynamiczny proces, w którym substancja przechodzi z fazy gazowej do ciekłej. Jeżeli w fazie gazowej występuje
wystarczająco dużo związanych cząsteczek wody, to powstaje kropla, która spada na powierzchnię Ziemi w postaci deszczu.
Potencjał hydroenergetyczny
W celu określenia ilości energii, które może zostać wyprodukowana przy danym przepływie, konieczna jest znajomość jego potencjału hydroenergetycznego.
Potencjał hydroenergetyczny (ang. HEP) jest to całkowity przepływ energii w wodach powierzchniowych. Jest to zwykle wartość średnia w skali jednego roku.
Jest to wartość czysto teoretyczna, ponieważ nie bierze pod uwagę zmian przepływu na danym odcinku rzeki w wyniku odparowania lub absorpcji wody
przez podłoże. W związku z tym całkowity HEP oblicza się, jako iloczyn potencjałów poszczególnych odcinków rzeki.
Potencjał hydroenergetyczny:
- Potencjał hydroenergetyczny brutto (ang. GHEP) – określany na podstawie wysokości strumienia wody badanego odcinka i średniego przepływu. HEP nie
jest istotny w trakcie planowania produkcji energii elektrycznej przy wykorzystaniu energii wodnej.
- Techniczny potencjał hydroenergetyczny (ang. TVHEP) - zdefiniowany, jako suma średniej produkcji rocznej z dużych i małych przepływów na danym
obszarze. TVHEP definiuje się również, jako całkowity potencjał, który może być wykorzystany do wytwarzania energii elektrycznej. Jego wartość wynosi
około 0,4 * GHEP. Techniczny potencjał hydroenergetyczny na całym świecie wynosi około 20 000 TWh rocznie.
Klasyfikacja elektrowni wodnych
Istnieje wiele sposobów klasyfikacji elektrowni wodnych.
W zależności od zainstalowanej mocy, elektrownie wodne dzielą się na:
• małe elektrownie wodne – moc zainstalowana do 10 MW,
• średnie elektrownie wodne - moc zainstalowana do 200 MW,
• duże elektrownie wodne - moc zainstalowana przekraczająca 200 MW.
Małe elektrownie wodne (ang. SWPP) dzielą się na:
• przydomowe elektrownie wodne (do 35 kW),
• mikroelektrownie wodne (do 100 kW),
• mini elektrownie wodne (do 1 MW),
• przemysłowe elektrownie wodne (do 10 MW).
W zależności od wielkości spadu:
• o niskim ciśnieniu (spad do 20 m),
• o średnim ciśnieniu (spad do 100 m),
• o wysokim ciśnieniu (spad ponad 100 m).
W zależności od sposobu gospodarowania wodą:
• przepływowa – nie gromadzi wody, wykorzystuje naturalny przepływ do poziomu maksymalnej zdolności absorpcyjnej turbin,
• zbiornikowa - z naturalnym lub sztucznym zbiornikiem, wykorzystuje wodę według zapotrzebowania na energię,
• szczytowo-pompowa – z dwoma zbiornikami wodnymi. W okresach niskiego zapotrzebowania na energię, pompuje się wodę ze zbiornika
położonego niżej do zbiornika górnego. W czasie wysokiego zapotrzebowania woda napędza generator hydroelektryczny do wytwarzania energii
elektrycznej.
Silniki elektryczne dla elektrowni wodnych
Duże elektrownie wodne wykorzystują do produkcji energii elektrycznej maszyny synchroniczne zwane prądnicami. Są to 3-fazowe, wielobiegunowe
generatory prądu zmiennego o dużej średnicy i krótkim przekroju pracujące przy niskich prędkościach (w przeciwieństwie do prądnic w elektrowniach
cieplnych, które są dwubiegunowe, mają małą średnicę, duży przekrój i pracują przy wysokich prędkościach). Generują one 3-fazowy prąd elektryczny w
zakresie harmonicznej częstotliwości 50 Hz i wymagają precyzyjnej kontroli prędkości.
Małe elektrownie wodne często wykorzystują maszyny asynchroniczne (indukcyjne) Silnik elektryczny asynchroniczny składa się z:
• silnika
• generatora
• hamulców
W małych elektrowniach wodnych silnik asynchroniczny pracuje w trzech trybach. W trakcie uruchamiania działa, jak napęd. W tej fazie turbina działa, jak
pompa. Po zalaniu syfonu, płynąca woda napędza turbinę, a maszyna asynchroniczna przechodzi w tryb generatywny. Takie zastosowanie maszyny
asynchronicznej umożliwia podłączenie do sieci elektrycznej.
Koła wodne
Koło wodne jest najstarszą i najprostszą maszyną wykorzystującą energię kinetyczną i potencjalną przepływu wody do przekształcania w energię
mechaniczną. Koła wodne mają kilka istotnych zalet: ułatwiają efektywne wykorzystanie energii wodnej w miejscach o bardzo niskich spadach, nawet poniżej
0,5 m; pozwalają wdrożyć projekty przeznaczone dla bardzo małych przepływów – np. 0,1 m3/s-1 lub mniejszych - i mogą prawidłowo działać nawet przy
bardzo brudnej wodzie. Dla spadów mniejszych niż 1,5 m są prawie nie do zastąpienia.
Biorąc pod uwagę projekt oparty na zasadzie przekształcania mechanicznej energii wody na energię kinetyczną obracającego się wału, koła wodne dzielą się
na:
• koła typu kubełkowego, które wykorzystują energię potencjalną wody;
• koła typu łopatkowego, które wykorzystują energię kinetyczną wody.
W ciągu swojej ewolucji, koło wodne było stopniowo
dopracowywane, aby osiągnąć obecną wydajność na
poziomie η = 0,6 - 0,7, która jest porównywalna do
wydajności niektórych mniejszych turbin wodnych
pracujących w porównywalnych warunkach.
Biorąc pod uwagę punkt napływu wody, koła wodne klasyfikuje się na te, które pobierają wodę płynącą z góry, po środku lub z dołu lub w bardziej naukowej
3
terminologii koła nasiębierne, śródsiębierne i podsiębierne .
1
2
3
1. nasiębierne
2. śródsiębierne
3. podsiębierne
Koła podsiębierne są jedynymi urządzeniami zdolnymi do wykorzystywania bardzo niskich spadów zaczynających się od około 0,1 m, chociaż wydajność
takich spadów jest bardzo niska i wynosi około 20%. Przy wyższych spadach, które umożliwiają zastosowanie odpowiednich konstrukcji, wydajność koła
wodnego może sięgać około 70%.
W miejscach o spadzie wyższym niż 3 m, przeważają koła wodne nasiębierne.Średnica koła jest wtedy jedynie nieco mniejsza niż spad a koło obraca się
nieco powyżej dolnego poziomu wody. Zewnętrzna obręcz koła wyposażona w łopatki tworzy wiadra, dzięki którym wydajność koła może sięgać 70%.
Niemniej jednak, w miejscach o takich spadach koła wodne są coraz częściej zastępowane nowoczesnymi turbinami wodnymi, głównie ze względu na
problemy towarzyszące działaniu kół wodnych w temperaturach poniżej zera.
Koła wodne mają niskie obroty, dlatego koniecznym jest zastosowanie skrzyni przekładniowej, aby w pełni wykorzystać ich moc. Mimo to, ich konstrukcja
jako całość jest bardzo prosta i zwykle bardziej opłacalna w porównaniu do turbin wodnych, ponadto nie stwarza żadnych problemów eksploatacyjnych.
Nawet część konstrukcji dołączona do koła wodnego jest prostsza, a koszty inwestycyjne są znacznie niższe w porównaniu do turbin wodnych.
3
DUŠIČKA, P., GABRIEL, P., HODÁK, T., ČIHÁK, F., ŠULEK, .: Malé vodní elektrárny, Jaga group, v.o.s., Bratislava 2003
Turbiny wodne
Istnieje duża liczba turbin wodnych charakteryzujących się zróżnicowanymi rozwiązaniami projektowymi i zastosowaniami. Turbiny wodne mają długą
historię, a ich obecna forma to przetestowana i znacznie ulepszona wersja koła wodnego.
W nowoczesnych elektrowniach wodnych wykorzystane są następujące turbiny wodne:
•
Turbina Francisa – jest to promieniowo-osiowa turbina poddana ciśnieniu wody z nieruchomymi
łopatkami wirnika i regulowanymi łopatkami kierowniczymi. Stopień rozwarcia łopatek kierowniczych
kontroluje szybkość przepływu wody przez turbinę, a tym samym wydajność turbiny; całkowicie zamknięte
łopatki blokują dopływ wody do turbiny. Turbina jest odpowiednia do konstrukcji, w których spad zmienia
się tylko w ograniczonym zakresie lub nie zmienia się w ogóle.
•
Turbina Kaplana – turbina poddana ciśnieniu wody, zwykle promieniowo-osiowa. Jeśli jednak jej wał jest
umieszczony poziomo, wtedy turbina jest tylko osiowa.
•
Turbina Peltona – jest to turbina impulsowa. Do wirnika turbiny doprowadzana jest po stycznej woda
przez jedną lub więcej dyszy. Jest ona odpowiednia dla wyższych spadów, często stosuje się ją w
elektrowniach wodnych zlokalizowanych na górzystym terenie.
•
Turbina Banki – jest to poddana ciśnieniu wody turbina charakteryzująca się tym, że woda dwukrotnie
przepływa przez palisadę wirnika. Jest stosowana z powodzeniem w małych elektrowniach wodnych z
małym spadem i niskim przepływem.
Wpływ elektrowni wodnej na środowisko
Zalety:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
energia wodna jest odnawialnym źródłem energii elektrycznej,
nie zanieczyszcza środowiska,
lokalne źródło energii,
decentralizacja produkcji,
zmniejszenie emisji zanieczyszczeń do powietrza w trakcie wytwarzania energii,
wymaga minimalnej obsługi i konserwacji,
uruchamia się natychmiastowo, w kilku sekund,
możliwość wykorzystania na pokrycie zapotrzebowania szczytowego,
niezawodność i wysoka efektywność w wykorzystaniu energii wodnej,
długa żywotność urządzenia (często ponad 70 lat),
niskie koszty eksploatacji.
Wady:
•
•
•
•
•
•
•
wysokie koszty inwestycyjne,
dostępność technologii,
niewłaściwe wykonanie, co skutkuje negatywnym wpływem na środowisko,
zależność od stałego przepływu wody,
zależność od pory roku i pogody,
trudności techniczne dotyczące instalacji sprzętu,
długi czas oczekiwania na zwrot inwestycji.
Przepływy wody są zazwyczaj rozproszone na
rozległym obszarze o stosunkowo małym
przepływie. Stosowanie centralnych zapór
wielkogabarytowych
jest
znacznie
ograniczone.
Mała
elektrownia
wodna
rozwiązuje ten problem.
Małe elektrownie wodne i możliwości ich budowy
Mogą być z powodzeniem stosowane przy małych strumieniach o rozproszonym potencjale energii, nie szkodząc środowisku. Małe elektrownie wodne nie
mają negatywnego wpływu na okoliczną florę i faunę, w wielu przypadkach regulują one stosunki wodne w okolicy. Stanowią one zdecentralizowane źródło
energii, co pozwala na ich instalację na odległych rejonach. Energia elektryczna dostarczana z małych elektrowni wodnych należy do najtańszych źródeł
energii!
Budowa małej elektrowni wodnej
Zapora wodna składa się zasadniczo z dwóch części:
• elementów hydraulicznych i konstrukcyjnych;
• sprzętu mechanicznego i elektrycznego.
Elementy hydrauliczne i konstrukcyjne są wykorzystywane do doprowadzania wody do turbiny, zakotwienia turbiny i odprowadzania wody z turbin. Obejmują
one następujące komponenty:
• konstrukcje piętrzącą wodę,
• kraty,
• systemy doprowadzające i odprowadzające wodę.
Rolą konstrukcji piętrzących wodę jest zapewnienie odpowiedniego przepływu wody między jej źródłem a małą elektrownią wodną. Konstrukcje te możemy
podzielić na:
• ciśnieniowe – stosowane do pobierania wody do kanału doprowadzającego lub bezpośrednio do turbiny. Mogą one być bezpośrednio przyłączone do
jazów lub zapór bądź stać oddzielnie.
• bezciśnieniowe – stosowane do doprowadzania wody ze zbiornika do bezciśnieniowego kanału doprowadzającego. Są również wyposażone w próg
i grube kraty.
• specjalne – złożone z samoobsługowych wlotów wyposażonych w drobne i grube kraty, samoobsługowe kosze i sita do przechwytywania
mikrocząstek.
Kraty są istotnym elementem elektrowni wodnej. Ich głównym zadaniem jest blokowanie dostępu zanieczyszczeń, które mogłyby uszkodzić komorę, kanał
dopływowy oraz inne części systemu. Dzielimy je na:
• Kraty grube - zaprojektowane do przechwytywania drobnych obiektów, takich jak kry lodowe, gałęzie, krzewy, itp.
• Kraty drobne – zaprojektowane do przechwytywania drobnych obiektów, takich jak liście, małe ryby, itp.
Systemy doprowadzające i odprowadzające wodę stanowią często istotny wydatek w trakcie budowy elektrowni wodnej. Dzielimy je na:
• bezciśnieniowe – są tańsze i zwykle mają konstrukcję kanału otwartego lub zamkniętego o prostokątnym lub trapezowym profilu.
• ciśnieniowe – zwykle stosowane przy dużych spadach. Wykorzystują one ukształtowanie terenu, są to umieszczone bezpośrednio w skałach
rurociągi i kanały.
Zasada działania małych elektrowni wodnych
Małe elektrownie wodne wykorzystują mały potencjał przepływu, dlatego ich moc osiąga maksymalnie 10 MW. Najczęściej ich głównym komponentem jest
turbozespół złożony z turbiny i generatora, czyli prądnicy. Wytwarzają prąd dostarczany do sieci dystrybucyjnej, do której są przyłączone. Rzadziej
stosowana jest praca wyspowa elektrowni. W małych elektrowniach wodnych stosuje się prądnice synchroniczne lub asynchroniczne.
Turbiny dla małych elektrowni wodnych
Małe elektrownie wodne wykorzystują różne typy i rodzaje turbin w zależności od warunków zewnętrznych, w których będą one stosowane. Przy małym
przepływie i niskim spadzie wybieramy turbinę Banki. Z kolei przy wysokiej prędkości można wykorzystać turbinę Francisa. Turbiny Peltona zostały
zaproponowane do wykorzystywania przy niższej prędkości przepływu, ale wysokim spadzie rzędu kilkudziesięciu metrów. Turbina Kaplana jest
wykorzystywana przy dużych ilościach wody, ale mniejszym spadzie.
Kiedy jest to opłacalne?
Koszty inwestycji w budowę małej elektrowni wodnej mieszczą się w granicach 2 do 4,3 mln. €/MW. Jeśli istnieje już część wody, koszty wynoszą od 1 do 2
mln. €/MW. Po wybraniu miejsca należy dokonać bardziej szczegółowych pomiarów. Należy wybrać rozwiązania konstrukcyjne i techniczne. Bardzo ważnym
jest, aby dokonać wstępnej analizy ekonomicznej. Powinna ona wykazać, jaka będzie wydajność elektrowni, czyli ile energii zostanie wyprodukowane i jaki
będzie zwrot z inwestycji. Jest to szczególnie ważne, gdy bierze się kredyt, ale też kiedy planuje się inwestycję w jakikolwiek plan biznesowy.
Wszystkie elektrownie wodne charakteryzują się wysokimi kosztami inwestycji i niskimi kosztami operacyjnymi. Małe elektrownie wodne zbudowane na
niskich spadach charakteryzujące się mniejszą wydajnością są zazwyczaj droższe w przeliczeniu na jednostkę energii, niż małe elektrownie wodne
wykorzystujące duże spady. Koszty produkcji są największą barierą dla ich rozwoju. Pomimo faktu, iż zwrot inwestycji uzyskuje się po dość długim okresie
(zazwyczaj 7-10 lat) małe elektrownie wodne mają, w porównaniu z innymi technologiami wykorzystującymi odnawialne źródła energii, wielką zaletę –
długotrwałą eksploatację. Urządzenia te są w stanie wytwarzać energię elektryczną przez ponad 70 lat, co sprawia, że są bardzo korzystne dla potencjalnych
inwestorów. Ponadto cena energii elektrycznej (przychody z działalności małej elektrowni wodnej) wzrośnie w przyszłości, co oznacza, że zwrot z inwestycji
będzie jeszcze wyższy.
2. Studium przypadku Małej elektrowni wodnej - RUŽÍN II 4
Mała elektrownia wodna Ružín II została wybudowana w
1974 roku na rzece Hornád. Elektrownia znajduje się na
niecce wlotowej szczytowo-pompowej elektrowni wodnej
(PWPP) Ružín. Elektrownia przetwarza przepływy w
godzinach szczytu w PWPP Ružín. W elektrowni
zainstalowano turbinę Kaplana z wałem poziomym.
Całkowita moc zainstalowana wynosi 1,8 MW.
4
http://www.seas.sk/mve-ruzin-2