Potencjał i perspektywy energetycznego wykorzystania biomasy.

Dr inŜ. Andrzej Wiszniewski
Potencjał i perspektywy energetycznego wykorzystania
biomasy.
Globalny potencjał biomasy
Globalny potencjał biomasy jest ściśle związany z powierzchnią gruntów, jaką moŜna
przypisać poszczególnym jej rodzajom. W pracy [1] określono potencjał biomasy
uzyskiwanej z róŜnych kategorii gruntów do roku 2040/50. Ze względu na fakt, Ŝe róŜne
kategorie gruntów dla produkcji róŜnych rodzajów biomasy są dla siebie konkurencyjne,
moŜliwe jest jedynie określenie zakresów potencjału energetycznego biomasy w
poszczególnych jej rodzajach. Podział biomasy na
7 typów oraz ich przepływy
przedstawiono na rysunku 1.
Powierzchnia
1,5 Gha
Przeznaczenie
gruntów /
produkcja
pierwotna
Zbiory
Przeznaczenie
Grunty orne
(Ŝywność,
pasze)
Zbiory
Ŝywność/
paszy
Produkcja
Ŝywności
Końcowe
wykorzystanie
3
Konsumpcja
Ŝywności
3
3,5 Gha
Produkcja
zwierzęca
Pastwiska
5
4,0 Gha
4,2 Gha
Gospodarka
leśna/produkcja
włókien
Dodatkowe
grunty pod
biomateriały
Bio-surowce
7
Grunty pod
rośliny
energetyczne
1
Inne grunty
2
6
Wycinka
lasów
Produkcja
materiałów
Konsumpcja
materiałów
4
4
6
Odpady wtórne
Odpady pierwotne
Zbiory roślin
energetycznych
Odpady końcowe
Produkcja
energii
Konsumpcja
energii
Straty
Rys. 1 Schemat przepływu róŜnych typów biomasy [1]. Czarne strzałki wskazują podstawowe
przeznaczenie gruntów i główny przepływ uzyskanych z nich produktów, natomiast linie przerywane obrazują
potencjalne, nie energetyczne, wykorzystanie róŜnych kategorii odpadów produkcyjnych. Szare strzałki
reprezentują potencjalne energetyczne wykorzystanie odpadów produkcyjnych. Obszar zielony to róŜne metody
uŜytkowania gruntów. (1 = uprawy energetyczne, 2 = uprawy energetyczne na zdegradowanych terenach, 3 =
odpady z rolnictwa, 4 = odpady z gospodarki leśnej, 5 = odpady hodowli zwierzęcej, 6 = odpady organiczne, 7
= bio-surowce).
RóŜne rodzaje zasobów biomasy są ze sobą wzajemnie powiązane i wzajemnie na siebie
oddziaływają. Z tego powodu nie moŜna ocenić potencjału energetycznego kaŜdego zasobu
niezaleŜnie od innych. Dlatego za rzeczywisty moŜliwy wkład, obejmujący wszystkie rodzaje
zasobów biomasy, nie moŜe być przyjęta średnia zakresów podanych w tabeli 1.
Tab. 1. Wkład poszczególnych zasobów biomasy w globalny potencjał energii [1]
Rodzaj
1. Biomasa uprawiana na nieuŜytkach rolnych
2. Biomasa uprawiana na gruntach zdegradowanych
3. Odpady z rolnictwa
4. Odpady z gospodarki leśnej
5. Odpady a hodowli zwierzęcej
6. Odpady organiczne
7. Bio-surowce
Suma
a
– organiczne odpady z bio-surowce
Potencjalne zasoby bioenergii
w długim okresie czasu (EJ)
0-988
8-110
10-27
10-16
9-25
1-3 (+31a)
Minus 79-115
100-1130
W najbardziej pesymistyczny scenariusz zakłada, Ŝe przy wzroście potrzeb Ŝywnościowych,
pod uprawy energetyczne będą dostępne będą tylko grunty zdegradowane. JednakŜe to teŜ nie
jest pewne, gdyŜ uprawy energetyczne na terenach zdegradowanych będą musiały
konkurować z uprawami do produkcji bio-surowców. Skutkiem konkurencji moŜe być brak
gruntów pod rośliny energetyczne. JednakŜe dzięki duŜej produkcji Ŝywności i rozwojowi
gospodarki leśnej będą do dyspozycji znaczne ilości odpadów. Najbardziej optymistyczny
scenariusz powstała przy załoŜeniu, Ŝe: znaczne tereny zostaną przeznaczone pod uprawy
energetyczne, plony z upraw energetycznych i rolnych będą wysokie, nie będzie potrzeby
przeznaczenia dodatkowych gruntów pod uprawy do produkcji bio-surowców.
Globalne zuŜycie energii w 1993 roku wynosiło ok.400 EJ/rok zaś prognozy na rok 2020
wynoszą 550 do 900 EJ/rok.
MoŜliwy zakres przeszłego wykorzystania biomasy do celów energetycznych jest bardzo
szeroki. Wartość maksymalna moŜe być bardzo wysoka i wynosić 1130 EJ w 2050 roku.
Wartość minimalna została oszacowana na poziomie 85 EJ. Wartość maksimum jest głównie
wynikiem załoŜenia duŜej liczby upraw energetycznych na nieuŜytkach rolnych (0-988 EJ)
lub gruntach zdegradowanych (8-110 EJ). Na wartość maksimum i minimum mają kluczowy
wpływ następujące czynniki :
•
•
Dostępności gruntów pod uprawy energetyczne zaleŜnej od:
Sposobu odŜywiania się populacji
Systemu produkcji Ŝywności
Wzrostu populacji
Innych, rywalizujących z przeznaczeniem pod uprawy energetyczne opcji
uŜytkowania gruntów
Alternatywnych opcji uŜytkowania zdegradowanych gruntów tj. przeznaczenie na
tereny zielone, sekwestracji węgla lub produkcji materiałów.
WaŜnym aspektem jest równieŜ poziom wydajności upraw leśnych i energetycznych. Mają na
niego wpływ w szczególności czynniki fizyczne, (jak jakość gleby, klimat, dostępność wody i
forma uŜytkowania ziemi) i uwarunkowania ekonomiczno-społeczne (jak koszty siły roboczej
i cena ziemi).
Wymienione czynniki wskazują, Ŝe aby dostarczyć maksymalną ilość biomasy, potrzebne są
znaczące zmiany. Zwłaszcza w sposobie produkcji produktów mięsnych i roślinnych w
regionach rozwiniętych. Wielkoskalowa produkcja biomasy przy jednocześnie dostatnim
sposobie odŜywiania populacji moŜe być osiągnięta tylko, jeśli zwiększyłaby się wydajność
produkcji rolnej z hektara. Stąd polityka zrównowaŜonego rozwoju mogłaby z jednej strony
spotykać się z polityką rozwoju ekonomicznego w kwestii poprawy efektywności produkcji
Ŝywności. Z drugiej strony ich ścieŜki mogą się rozejść, jeśli ekstensywna produkcja
Ŝywności i biomasy dla celów energetycznych osiągnie duŜą skalę.
Stan obecny energetycznego wykorzystania biomasy w Europie.
Europejski system zaopatrzenia w energię w znacznym stopniu odbiega od standardów
akceptowalnych ze względu na ochronę środowiska. Obecne zapotrzebowanie na energię w
Unii Europejskiej jest pokrywane w 80% z paliw kopalnych, w tym ponad 40% stanowi ropa
naftowa. Odnawialne źródła energii stanowią około 6% ogólnego zuŜycia, zaś strategicznym
celem na rok 2010 jest osiągniecie poziomu 12%.
Strukturę bieŜącego zuŜycia energii pochodzącej z OZE przedstawia rys. 2.
Rys. 2 Struktura zuŜycia energii z OZE w UE w roku 1998.
Obecne wykorzystanie energetyczne biomasy w 20 najwyŜej rozwiniętych krajach Europy
wynosi ok.1800 PJ/a co stanowi ok. 40% zidentyfikowanych zasobów [3].
Rynek stałych bio-paliw w Europie koncentruje się głównie w Skandynawii, Niemczech i
południowych krajach UE. Istotny wzrost zanotowano równieŜ w krajach kandydujących.
W tabeli 2 przedstawiono minimalne, maksymalne oraz średnie ceny bio-paliw stałych w
1999 roku w 18 krajach europejskich.
Tabela 2
Typ paliwa
Min, €/GJ
Odpady leśne
1,02 Niemcy
8,33 Włochy
3,42
Odpady przemysłowe
0,58 Rumunia
9,07 Polska
2,38
Drewno opałowe
1,01 Słowacja 14,00 Wlk. Brytania
5,26
Odpady drewniane
- 4,00 Irlandia
3,31 Polska
0,97
3,24 Łotwa
18,22 Niemcy
8,37
Inne zasoby biomasy
0,83 Słowacja
12,00 Polska
4,68
Torf
2,10 Finlandia
3,75 Irlandia
2,83
Paliwa powstałe z rafinacji drewna
Max, €/GJ
Średnia, €/GJ
Łotwa
CięŜki olej opałowy
1,40 Słowacja
12,00 Irlandia
4,26
Lekki olej opałowy
3,10 Słowacja
14,30 Dania
6,74
Gaz ziemny
1,10 Słowacja
16,21 Włochy
5,80
1,19 Polska
12,78 Niemcy
4,53
Węgiel
Szczególnie dobrze rozwinięty jest rynek paliw stałych pochodzenia drzewnego dla potrzeb
małych kotłowni (1 – 5 MW). Średnie ceny tych paliw w wybranych krajach europejskich
podano w tabeli 3.
Tabela 3. Ceny paliw pochodzenia drzewnego w €/GJ bez VAT.
Kraj
Zrębki drewniane Kora, trociny, ścinki
Pelety drzewne
Dania
4,5
4,2
5,0
Finlandia
3,0
1,6
7,5
Niemcy
3,7
3,1
6,1
Szwecja
3,4
2,9
4,8
Francja
4,0
1,1
10,6
Łotwa
1,6
0,8
3,3
Perspektywy energetycznego wykorzystania biomasy.
Głównymi czynnikami napędowymi dla rozwoju energetycznego wykorzystania biomasy są:
konieczność zapobiegania zmianom klimatu oraz wzrastająca zaleŜność krajów UE oraz
krajów kandydujących od importu surowców energetycznych, głównie ropy naftowej.
Szczególnie istotnym zadaniem jest zapewnienie jak największego stopnia
samowystarczalności energetycznej Europy. W 1985 roku import surowców energetycznych
wynosił 40% potrzeb obecnie wzrósł do 50% zaś przewiduje się dalszy 20% wzrost w ciągu
najbliŜszych lat [2].
Podstawowym narzędziem odwrócenia tej tendencji jest wzrost efektywności energetycznej.
Nowoczesne technologie pozwalają na ograniczenie zuŜycia energii o 20 do 50% co z kolei
jest warunkiem wdraŜania na szeroką skalę odnawialnych źródeł energii. Kombinacja tych
dwóch czynników pozwala na utrzymanie a nawet spadek kosztów uŜytkowania energii.
Mniejsze zuŜycie kompensuje większe koszty jednostkowe energii odnawialnej. Ilustrację tej
idei przedstawia rys.3.
Podstawowym pytaniem jest , które rodzaje biomasy będą miały dominującą pozycje na
rynku i jaki będzie kierunek rozwoju podstawowych technologii energetycznego
wykorzystania biomasy:
• Fermentacji beztlenowej oraz spalania odpadów;
• Bezpośredniego spalania bio-paliw;
• Gazyfikacji i pirolizy;
• Współspalania.
Ocenę pozycji rynkowej oraz niezawodności technologii konwersji dla poszczególnych
rodzajów biopaliw przedstawiono poniŜej, na rys. 4.
Wydaje się, Ŝe technologie gazyfikacji oraz pirolizy biomasy mają największą przyszłość ze
względu na najwyŜszą sprawność procesów konwersji oraz jakość uzyskiwanej energii
końcowej. Ocenę jakościową potencjału rynkowego oraz stopnia rozwoju technologii
wykorzystania poszczególnych rodzajów paliw uzyskiwanych w procesie gazyfikacji i
pirolizy przedstawiono na rys. 5
Obecny status i perspektywy rynkowe zaawansowanych technologii energetycznego
wykorzystania biomasy przedstawiono w diagramie ( road map) na rysunku 6.
Egzystująca Technologia
Nowa Technologia
Penetracja rynku
Rozwój produktu
Współspalanie - gazyfikacja
Czyste odpady + biomasa
Kogeneracja
Pelety do ogrzewania
Rozwój rynku
IGCC biomasa 30 – 75 MWe
Gazyfikacja 1 – 5 MWe
Etanol z lignocelulozy
Metanol, biodiesel, DME
Urozmaicenie
Elektrociepłownie w cyklu
kombinowanym na biogaz
Bioolej dla kogeneracji
Biopaliwa dla transportu
Biowodór
Biochemikalia
Regeneracja monomerów
Wychwytywanie CO2
Istniejące
rynki
Nowe
rynki
Literatura:
1.
2.
3.
4.
Monique Hoogwijka, André Faaija, Richard van den Broekb, Göran Berndes, THE GLOBAL
POTENTIAL OF BIOMASS ENERGY, 12th European Conference on Biomass for Energy, Industry
and Climate Protection, 17-21 June 2002, Amsterdam, The Netherlands.
K. MANIATIS, A. KOTRONARO; THE BIOENERGY POLICY OF THE EUROPEAN
COMMISSION; 12th European Conference on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection,
17-21 June 2002, Amsterdam, The Netherlands.
Alakangas, E., Hillring, B., Nikolaisen, L.S; TRADE OF SOLID BIOFUELS, AND FUEL PRICES IN
EUROPE; 12th European Conference on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, 17-21
June 2002, Amsterdam, The Netherlands.
WEC Commission; Energy for Tomorrow’s World, Kogan Page, St. Martin’s Press Inc. NY 1993.