02 Odnawialne `ród³a Energii - B.Koœcik

- Potencjalna droga aktywizacji gospodarczej
gminy Sosnowica
prof. dr hab. Bogdan Kościk
Wydział Nauk Rolniczych w Zamościu
Akademia Rolnicza w Lublinie
ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII (OZE)
Zgodnie z ustawą Prawo energetyczne odnawialnym źródłem energii
jest – źródło wykorzystujące w procesie przetwarzania energię:
- wiatru,
- promieniowania słonecznego,
- geotermalną,
- fal, prądów i pływów morskich,
- spadku rzek,
- energię pozyskiwaną z biomasy, biogazu wysypiskowego, a takŜe
biogazu powstałego w procesach odprowadzania lub oczyszczania
ścieków albo rozkładu składowanych szczątek roślinnych i
zwierzęcych.
Pierwotne źródła
energii
Woda
Naturalne procesy
przemiany energii
Termiczne procesy
przemiany energii
Parowanie, topnienie
lodu i śniegu, opady
Elektrownie wodne
Energia elektryczna
Ruch atmosfery
Elektrownie wiatrowe
Energia cieplna i
elektryczna
Energia fal
Elektrownie falowe
Energia elektryczna
Wiatr
S
Ł
O
Ń
C
E
Prądy oceaniczne
Promieniowanie słoneczne
Nagrzewanie
powierzchni ziemi i
atmosfery
Promienie słoneczne
Biomasa
Forma uzyskanej
energii
Produkcja biomasy
Zie
mia
Rozpad
izotopów
Źródła geotetmalne
Księ
Ŝyc
Grawitacja
Pływy wód
Elektrownie
wykorzystujące pływy
oceaniczne
Elektrownie
wykorzystujące ciepło
oceanów
Energia elektryczna
Energia elektryczna
Pompy ciepła
Energia cieplna
Kolektory i cieplne
elektrownie słoneczne
Energia cieplna
Fotoogniwa i
elektrownie słoneczne
Energia elektryczna
Fotoliza
Paliwa
Ogrzewanie i
elektrownie cieplne
Energia cieplna i
elektryczna
Urządzenia
przetwarzające
Paliwa
Ogrzewanie i
elektrownie
geotermalne
Energia cieplna i
elektryczna
Elektrownie pływowe
Energia elektryczna
ODNAWIALNE I ALTERNATYWNE
ŹRÓDŁA ENERGII
szacunkowy udział w produkcji (%)
Polska
Energia słoneczna
0,01(0,01)
UE
0,4 (0,01)
- Cieplne kolektory słoneczne
- Ogniwa fotowoltaiczne
Energia geotermalna
0,10 (0,10)
0,85 (1,05)
- Energia zawarta
w przegrzanej parze wodnej
- Energia geotermalna zawarta
w wodach niskotemperaturowych
Energia wiatrowa
3,10 (0,01)
11,94 (1,39)
Energia wodna
1,83 (1,83)
52,77 (90,91)
Biomasa
94,96 (98,05)
2005, ( ) - 1999 r.
34,04 (6,64)
2005, ( ) - 1999 r.
ENERGIA SŁONECZNA
1. CIEPLNE KOLEKTORY
SŁONECZNE
- słoneczne systemy grzewcze
do ciepłej wody uŜytkowej
- słoneczne systemy grzewcze
do ciepłej wody uŜytkowej
i wspomagania centralnego
ogrzewania
- słoneczne systemy grzewcze
do ogrzewania wody
basenowej
2. OGNIWA FOTOWOLTAICZNE
- do wytwarzania energii
elektrycznej z
promieniowania słonecznego
Kolektory słoneczne
ENERGIA GEOTERMALNA
•
•
Jest to energia zmagazynowana w gruntach,
skałach i płynach wypełniających pory i
szczeliny skalne. Stale uzupełnia ją strumień
ciepła przenoszonego z gorącego wnętrza
Ziemi ku jej powierzchni
Na świecie wykorzystuje się dwa rodzaje
energii geotermalnej:
Energię zawartą w przegrzanej parze wodnej
o temp. wyŜszej od 150ºC, znajduje ona
głównie zastosowanie do napędu turbin w
elektrowniach geotermalnych
Energię zawartą w wodach geotermalnych
niskotemperaturowych (20-35 ºC), średnio
temperaturowych (35-80 ºC),
wysokotemperaturowych (80-100ºC) i
bardzo wysokotemperaturowych,
wykorzystywane głównie jako bezpośrednie
nośniki energii.
Obecnie coraz powszechniej stosowane są
pompy cieplne umoŜliwiające korzystanie z
energii geotermalnej niskotemperaturowej
Energia
geotermalna
ENERGIA WIATROWA
Jest to zamiana energii
kinetycznej poruszających się mas
powietrza w energię mechaniczną
a następnie elektryczną
Siłownie wiatrowe dzieli się na:
• Elektrownie wiatrowe
autonomiczne z prądnicami
synchronicznymi, pracujące w sieci
wydzielonej lub współpracujące z
siecią energetyki zawodowej
poprzez przetwornicę tyrystorową
• Elektrownie wiatrowe sieciowe z
prądnicami asynchronicznymi,
współpracujące z siecią
energetyczną indywidualnie lub w
systemie farmowy
• Pompownie wiatrowe i silniki
wiatrowe uniwersalne do napędu
urządzeń technologicznych
Energia wiatrowa
ENERGIA WODNA
Wykorzystywana gospodarczo
energia mechaniczna płynącej
wody zazwyczaj przetwarza się
na energię elektryczną
(hydroenergetyka)
WyróŜniamy:
1. Energię spadku wód
- Elektrownie wodne zawodowe
- Małe elektrownie wodne (mała
energetyka wodna)
2. Energię pływów morza
3. Energię fal morskich
4. Energię cieplną mórz
Elektrownia wodna
Biomasa to:
stałe lub ciekłe substancje pochodzenia
roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają
biodegradacji, pochodzące z produktów,
odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz
leśnej, a takŜe przemysłu przetwarzającego ich
produkty, a takŜe części pozostałych odpadów,
które ulegają biodegradacji
POTENCJAŁ BIOMASY
NajwaŜniejsze źródła biomasy w Polsce:
• drewno z lasów, przesiek, sadów i upraw specjalnych;
• słoma i inne odpady roślinne stanowiące materiał odpadowy
przy produkcji ziarna zbóŜ,
• gnojowica, obornik, osady ściekowe wykorzystywane do
fermentacji metanowej;
• nasiona roślin oleistych przetwarzane na estryfikowane oleje
stanowiące materiał pędny;
• ziemniaki, zboŜa i inne odpady roślinne przetwarzane na alkohol
etylowy.
POTENCJAŁ BIOMASY
W Polsce roczny potencjał energetyczny biomasy, którą moŜna
zagospodarować, to:
• ponad 20 mln. ton słomy odpadowej,
• ok. 4 mln. ton odpadów drzewnych (chrust, trociny, kora, zrębki),
• ok. 6 mln. ton osadów ściekowych.
Ilość ta jest równa 15÷20 mln. ton węgla.
Ogólny potencjał biomasy, który moŜe być wykorzystany na cele
energetyczne, w Polsce jest szacowany na 2 882 PJ, z tego w
rolnictwie moŜe być wykorzystanych ok. 260 PJ.
POTENCJAŁ BIOMASY
Istnieją techniczno-technologiczne moŜliwości uzyskania
następujących ilości energii z poszczególnych źródeł:
• drewno z lasów, zadrzewień, sadów i przemysłu drzewnego: 68,0 PJ;
• słoma i inne pozostałości roślinne: 131,1 PJ;
• biogaz (z odchodów zwierzęcych, wysypisk i oczyszczalni): 37,5 PJ;
• biopaliwo płynne z rzepaku: 24,0 PJ;
• alkohol etylowy: 21,6 PJ.
Rośliny energetyczne
Pozostałości po zbiorach
Zwierzęce produkty
uboczne
wierzba, t rawy
i inne
drewno odpadowe, słoma
odch. z wierzęc e,
osady ś ciekowe
Odpady organiczne
odpady z prz emy słu i rzeźni
Zbieranie, gromadzenie, przygotowanie do wykorzystania
Przygoto wanie
(odwodnienie, suszenie, mieszanie,
rozdrabnianie)
Transport
(pojazd silnikowy, taśmociąg,
rurociąg)
Przemi ana termo -chemi czna
Zwęglanie
Zgazowywanie
Przechowywanie
(zbiornik, silos, magazyn, powierzchnia
ziemi)
Przemi ana fizyko chemi czna
Piroliza
Prasowanie/
ekstrakcja
Przemi ana b iol ogi czna
Fermentacja
alkoholowa
Rozkład
beztlenowy
P.p.e
Materi ał
stały
Węgi el
Paliwo stałe
Gaz
Olej
Paliwo
Gazowe
Olej
rośl inn y
bi odi esel
etan ol
biogaz
Paliwo ciekłe
SPAL ANIE
energia c ieplna
energia c ieplna
Przemi ana ci epl no-me chni czna
PRA CA
CIEPŁ O
Rozkład
tlenowy
PRODUKTY UBOCZNE I ODPADY ROŚLINNE
1. Odpady przemysłu drzewnego (kora, trociny, gałęzie)
2. Odpady przemysłu rolno – spoŜywczego
3. Produkty uboczne z produkcji rolniczej
- słoma zbóŜ i rzepaku
- liście buraków
- części nadziemne ziemniaka
- gnojowica
- obornik
4. Rośliny dziko rosnące (trzcina pospolita, chwasty i inne)
• RZEPAK
• FORMY DZRZEWIASTE
• ZIEMNIAKI
• ŚLAZOWIEC
• BURAKI
• TOPINAMBUR
• KUKURYDZA
• TRAWY
• ZBOśA
• OWIES
Topola (Populus L.)
Rodzaj obejmuje ok. 40 gatunków
Topole rodzime:
- biała
- czarna
- szara
- osika
Zbiory w skróconym cyklu co 5-6 lat
Wysokie wymagania wodno – glebowe
Wysokie koszty załoŜenia plantacji
Robinia akacjowa (Robinia pseudacacia L.)
Małe wymagania wodno – glebowe
Cykl produkcyjny 15 –20 lat
Wysoka wartość opałowa
Korzystny wpływ na glebę
Walory estetyczne
- rozłoŜyste korony
- białe pachnące kwiaty
NASADZENIA LEŚNE
GATUNEK
Wartość
energetyczna
MJ/kg
Topola
18,2
Sosna
19,2
Buk
18,0
Świerk
18,2
Zrębki drzewne
10,4
Drewno
odpadowe
16,0
Przeciętny przyrost lasu:
- sosnowego – 3,9 t/rok/ha
- świerkowego – 5,1 t/rok/ha
Wierzba wiciowa Salix viminalis L.
Wymagania klimatyczno-glebowe:
- gleby mineralne i organiczne,
- róŜnorodne warunki siedliskowe,
- gleby klas III-V,
- znosi nadmiar i niedostatek wody,
- w uprawie 15-20 lat
Plonowanie:
- 8 – 20 t/ha rocznie
(24 – 60 t/ha w 3 – letniej rotacji)
Wykorzystanie na cele energetyczne:
- bezpośrednie spalanie
zrębki wierzbowe
(wartość opałowa 19,2 MJ/kg s.m.),
- brykiety, pelety
Wierzba w pierwszym roku wegetacji na
plantacji Pani Alicji Ruczajewskiej-Tymczuk
w Zamościu
JEDNOROCZNE PLANTACJE ENERGETYCZNE
RZEPAK
Wymagania klimatyczno-glebowe
- gleby kompleksów pszennych klasy od I do IIIb
- pH 5,1-6,5
- wraŜliwy na niskie temperatury
Plony
- nasion: od 1,5 do 2,5 t/ha
- słomy: 3,3 t s.m./ha
Wykorzystanie na cele energetyczne
- nasiona – biodisel
- słoma – bezpośrednie spalanie lub fermentacja
JEDNOROCZNE PLANTACJE ENERGETYCZNE
ZBOśA
Wymagania klimatyczno-glebowe
- zróŜnicowane dla poszczególnych gatunków
Plony
- ziarna: od 2,5 do 4,5 t/ha
- słomy: 2,8 t s.m./ha
Wykorzystanie na cele energetyczne
- ziarno – etanol, wydajność 35 – 43 l/100 kg
(wartość opałowa 27 MJ/kg)
- słoma – bezpośrednie spalanie (wartość opałowa 15 MJ/kg)
lub fermentacja (produkcja metanu 1170 m3/ha)
- ziarno i słoma pszenicy – fermentacja (produkcja metanu 3120 m3/ha)
OWIES JAKO ROŚLINA ENERGETYCZNA
• Ograniczenie zuŜycia surowców
kopalnych
• Zmniejszenie emisji związków
powstających podczas spalania węgla
• UniezaleŜnienie się gospodarstwa od
dostawców zewnętrznych
• Lokalna produkcja
• Uprawa z wykorzystaniem powszechnie
dostępnych maszyn i urządzeń
• Ograniczenie odpływu środków
finansowych z gminy
• Stabilna cena, niezaleŜna od cen paliw na
rynkach światowych
• Zagospodarowanie gleb odłogowanych,
niskiej jakości
• Wykorzystanie nadprodukcji ziarna
• OŜywienie gospodarcze terenów
rolniczych
• Wygoda i łatwość obsługi urządzeń
grzewczych
PORÓWNANIE KOSZTÓW UZYSKANIA
10 000 kWh ENERGII
Wyszczególnienie Jednostka
Elektryczność
Olej opałowy
Gaz GZ50
Pelety
Ziarno owsa
kWh
m3
m3
t
t
Ilość
10 000
1
1
2,1
2,5
Cena
Sprawność Koszt [zł]
jednostkowa
kotła
0,33
2 300
1 700
480
300
1,0
0,95
0,97
0,92
0,75
3 300
2 421
1 753
1 096
1 000
Palnik na owies
Agrotec 25kW
Instalacja na kotle węglowym
Gospodarstwo rolne w Miechowie
Agro Flame
JEDNOROCZNE PLANTACJE ENERGETYCZNE
KUKURYDZA
Wymagania klimatyczno-glebowe
- gleby róŜnych klas bonitacyjnych
- pH 5,0-7,5
Plony
- ziarna: 4-6 t/ha
- suchej masy całych roślin: 11 – 13 t s.m./ha
- słoma: 7 – 9 t s.m./ha
Wykorzystanie na cele energetyczne
- całe rośliny – fermentacja metanowa (wydajność metanu 8100 m3/ha)
- ziarno – fermentacja etanolowa (wydajność etanolu 40 l/100 kg ziarna)
- słoma – bezpośrednie spalanie (wartość opałowa 16,8 MJ/kg)
JEDNOROCZNE PLANTACJE ENERGETYCZNE
BURAK
Wymagania klimatyczno-glebowe
- gleby kompleksów pszennych klasy od I do IIIb
- pH 6,5-7,0
Plony
- korzeni: od 40 t/ha (cukrowy) do 60 t/ha
(pastewny)
- liści: 30 - 40 t św.m./ha
Wykorzystanie na cele energetyczne
- burak półcukrowy (korzenie i liście) – fermentacja metanowa
(produkcja metanu 18 820 m3/ha)
- burak cukrowy (odpady po produkcji cukru) – fermentacja metanowa
(wydajność metanu 6000 m3/ha)
- burak cukrowy i półcukrowy – fermentacja etanolowa
(wydajność etanolu 8 – 10 l/100 kg korzeni)
JEDNOROCZNE PLANTACJE ENERGETYCZNE
ZIEMNIAK
Wymagania klimatyczno-glebowe
- gleby piaszczysto - gliniaste kasy od II do V
- pH 5,5-6,5
Plony
- bulw: od 16-20 t/ha
- łęty: 3 t s.m./ha
Wykorzystanie na cele energetyczne
- łęty – fermentacja metanowa (wydajność metanu 1200 m3/ha)
- bulwy – fermentacja etanolowa (wydajność etanolu 10 – 12 l/100 kg bulw, w
zaleŜności od zawartości skrobi)
Trzcina pospolita Phragmites australis
Wymagania klimatyczno-glebowe:
-
bardzo duŜe wymagania wodne
-
gleby organiczne podmokłe
Plonowanie:
- plonowanie w zbiorowiskach naturalnych
na poziomie 13 – 20 t s.m./ha
Rodzime trawy wieloletnie
Gatunki:
-
kostrzewa trzcinowa
-
Ŝycica trwała
-
mozga trzcinowata
Plonowanie:
- potencjał plonowania
około 20 t s.m./ha
- plony uzyskiwane w praktyce
5 – 6 t s.m./ha
Ograniczeniem wykorzystania na
cele energetyczne jest stosunkowo
krótki okres uŜytkowania
plantacji (3-4 lata).
WIELOLETNIE PLANTACJE ENERGETYCZNE
Trawy wieloletnie na doświadczeniu w
Krasnobrodzie
• Są to rośliny o typie fotosyntezy
C4 - bardzo wysoki potencjał
plonowania
• Długość okresu uŜytkowania
15-20 lat
Poletko doświadczalne traw „energetycznych”
w Krasnobrodzie; od lewej: spartina preriowa,
palczatka Gerarda, miskant cukrowy
WIELOLETNIE PLANTACJE ENERGETYCZNE
Miskant cukrowy Miscanthus sacchariflorus
Wymagania klimatyczno-glebowe:
- stanowiska suche, kamieniste znosi stanowiska zacienione, okresowe
przesuszenie gleby
- niskie nakłady na pielęgnację ze względu na intensywne krzewienie rozłogowe
Plonowanie:
- duŜe wahania plonu w zaleŜności od rodzaju gleby:
5 t s.m./ha – gleba piaszczysta
25 t s.m./ha – rędzina
Wykorzystanie na cele energetyczne:
- bezpośrednie spalanie –
wartość opałowa 17,0 MJ/kg s.m.
- fermentacja metanowa –
wydajność metanu 10 250 m3/ha
WIELOLETNIE PLANTACJE ENERGETYCZNE
Spartina preriowa Spartina pectinata
Wymagania klimatyczno-glebowe:
-
róŜnorodne typy gleb: bardzo suche,
kamieniste, zlewne, zaskorupione
-
wysoka zimotrwałość
Plonowanie:
- plonowanie na poziomie 17 – 28 t s.m./ha
Wykorzystanie na cele energetyczne:
- bezpośrednie spalanie –
wartość opałowa 17,0 MJ/kg s.m.
- fermentacja metanowa –
wydajność metanu 9 840 m3/ha
Plantacja spartiny w I roku
wegetacji
WIELOLETNIE PLANTACJE ENERGETYCZNE
Topinambur Helianthus tuberosus
Wymagania klimatyczno-glebowe:
- gleby średnio zwięzłe, raczej Ŝyzne, dostatecznie wilgotne
- nie nadaje się na gleby podmokłe i silnie kwaśne
- gatunek jednoroczny, odrasta
z bulw zimujących w glebie,
- nie wymaga odnawiania przez kilka lat
Plonowanie:
- Średni plon części nadziemnych 10 – 16 t s.m/ha
- Średni plon bulw 18 – 34 t św.m./ha
Wykorzystanie na cele energetyczne:
- bezpośrednie spalanie – brykiety, pelety
- fermentacja metanowa –
wydajność metanu 8 320 m3/ha
- fermentacja etanolowa – wydajność 2610 l/ha
WIELOLETNIE PLANTACJE ENERGETYCZNE
Ślazowiec pensylwański Sida hermaphrodita
Wymagania klimatyczno-glebowe:
- uprawa 15-20 lat
- wszystkie typy gleb do kl. V - równieŜ piaszczyste
- odporny na okresowe susze
- wysoka zimotrwałość
Plonowanie:
- Średni plon 12 t s.m/ha
Wykorzystanie na cele energetyczne:
- bezpośrednie spalanie łodygi grube – 11,9 MJ/kg,
łodygi cienkie – 14,5 MJ/kg
- moŜliwa fermentacja metanowa
Roślina ślazowca pensylwańskiego
na kolekcji Instytutu Nauk Rolniczych
w Zamościu
EFEKTY ZWIĘKSZONEGO
WYKORZYSTANIA BIOMASY NA CELE
ENERGETYCZNE NA SZCZEBLU LOKALNYM
1. Społeczne
• Tworzenie nowych miejsc pracy
• Wzrost przychodów mieszkańców gminy
• Poprawa jakości Ŝycia mieszkańców dzięki wzrostowi
dochodów
2. Gospodarcze
• Rynek zbytu na produkty rolne – tworzenie nowych
firm
• Wzrost bezpieczeństwa energetycznego regionu
• UniezaleŜnienie od dostawców zewnętrznych energii
3. Środowiskowe
KORZYSTNE EFEKTY ŚRODOWISKOWE
WYKORZYSTANIA BIOMASY
• Zamknięcie obiegu CO2
• Zagospodarowanie odłogów
• Rekultywacja terenów zdegradowanych
• Ograniczenie erozji
- Wodnej
- Wietrznej
• Zapobieganie eutrofizacji wód
• Zmniejszenie zuŜycia kopalnych surowców
energetycznych
• Zapobieganie naturalnej sukcesji
NIEKORZYSTNE EFEKTY
ŚRODOWISKOWE WYKORZYSTANIA
BIOMASY
• Tworzenie wielohektarowych monokultur np.
wierzby lub innych roślin energetycznych
• Wprowadzanie do uprawy introdukowanych
gatunków
CZYNNIKI DECYDUJĄCE O ROZWOJU
ENERGETYKI ZE ŹRÓDEŁ ODNAWIALNYCH
1. Unormowania prawne i ekonomiczne na szczeblu unijnym
i krajowym
1. Aktywność społeczno-gospodarcza środowisk regionalnych
i lokalnych
Stopień uświadomienia samorządów w
zakresie moŜliwości i korzyści płynących z
szerokiego wykorzystania energetyki ze źródeł
odnawialnych
Zainteresowanie samorządów realizacją
projektów związanych z energetyką ze źródeł
odnawialnych
Polityka władz lokalnych wspierająca tworzenie
korzystnych warunków ekonomicznych,
prawnych, finansowych i społecznych dla rozwoju
przedsiębiorstw, w tym równieŜ związanych z
produkcją „zielonej” energii
PODSUMOWANIE
Gmina Sosnowica nie dysponuje znaczącymi zasobami energii wodnej i
wiatrowej. Charakteryzuje się natomiast znaczną lesistością oraz
zasobami biomasy odpadowej z leśnictwa i rolnictwa, które moŜna
wykorzystać na cele energetyczne.
Aby w większym stopniu wykorzystać potencjał biomasy energetycznej
konieczne są dalsze działania mające na celu rozpoznanie i wdraŜanie
technologii produkcji biomasy i jej przetwarzania na energię.
Wykorzystanie biomasy jako źródła energii przyczyni się do poprawy
stanu środowiska naturalnego i przyspieszy zrównowaŜony rozwój
obszarów wiejskich. Będzie to teŜ rozwój wielofunkcyjny przynoszący
nowe pozarolnicze miejsca pracy. Zwiększy się jednocześnie
przychodowość gospodarstw rolnych.
W realizacji tych zamierzeń duŜą rolę do odegrania mają władze. Mogą
one bowiem w bilansie energetycznym umieścić lokalne źródło energii,
jakim jest biomasa. Oczywistym jest, Ŝe łatwiej będzie te plany
realizować przy sprzyjającej polityce ekologicznej państwa.