efekt cieplarniany (1) - Forum Energia – Efekt – Środowisko

Efekty ekologiczne współspalania biomasy
Jarosław Zuwała
XLVIII Spotkanie Forum Energia - Efekt - Środowisko
11 października 2012 r. Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska, Warszawa
Współspalanie w liczbach (2011)
•
Liczba jednostek realizujących współspalanie biomasy:
– 47
•
Elektryczność ze współspalania:
– 3 090 296,744 MWh
•
Wartość świadectw pochodzenia OZE ze współspalania:
– ok. 896 mln zł
•
Krajowe zużycie biomasy
– ok. 4,7 mln ton
•
Wartość rynku biomasy
– ok. 1,2-1,5 mld zł
•
Spalana biomasa: rolnicza (celowa: plantacje roślin energetycznych,
odpadowa: słoma, wytłoki, odpady z przetwórstwa rolnego), odpady z
przemysłu celulozowo – papierniczego, odpady z przetwórstwa drewna.
Copyright: Jarosław Zuwała
2
Prawda czy fałsz?
• „ „..Transport z dużego promienia dostaw krajowych oraz z
zagranicy jest energochłonny i powoduje emisję CO2…”
•„…Do wytwarzania biomasy (szczególnie przetworzonej)
zużywane są nośniki energii konwencjonalnej, nawozy sztuczne,
środki ochrony roślin …”
•„…Biomasa to ryzyko zwiększonej korozji i samozapłonów czy
wybuchów w instalacjach współspalania!..”
• „…Przez biomasę spada sprawność kotłów, rosną potrzeby
własne…”
• „…Niska jest sprawność wytwarzania energii z biomasy w
elektrowniach systemowych…”
• „…Należy wspierać plantacje roślin energetycznych bo to
szansa dla rozwoju obszarów wiejskich…” Copyright: Jarosław Zuwała
3
Założenia
• Przyjęto, że miarą efektów ekologicznych będą obciążenia
środowiskowe związane z wytworzeniem jednostki energii w
procesie współspalania biomasy z paliwem konwencjonalnym.
• Obciążenia obejmować będą wszystkie etapy, tj. wytworzenie i
transport paliw, wytworzenie instalacji energetycznej i instalacji
współspalania, likwidacja infrastruktury.
• Oddziaływanie procesów energetycznych na środowisko będzie
charakteryzowane jako:
 oddziaływanie związane z wyczerpywaniem nieodnawialnych
zasobów paliw kopalnych,
 oddziaływanie związane z emisją do środowiska substancji
szkodliwych (emisja gazowa i pyłowa).
Copyright: Jarosław Zuwała
4
Analiza Life Cycle Assessment
• Analiza cyklu życia to proces służący ocenie całkowitych obciążeń
środowiskowych towarzyszących produktowi, procesowi lub
innemu rodzajowi działalności przez identyfikację i ocenę ilościową
użytych surowców, energii i wytworzonych odpadów.
• Ocena dotyczy całego cyklu życia produktu i obejmuje m.in.
wydobycie i przerób surowców, paliw, przetwórstwo, transport i
dystrybucję, użytkowanie, i likwidację.
• Obciążenia zwykle dzieli się pomiędzy fazę inwestycyjną
(wytworzenie,
likwidacja
wykorzystywanych
urządzeń)
i
eksploatacyjną (zużywanie paliw, nawozów, środków ochrony roślin
itp.).
• Analiza LCA jest uregulowana szeregiem norm serii PN-EN ISO
14000.
Copyright: Jarosław Zuwała
5
Przedmiot analizy
• Wykorzystanie biomasy w procesach współspalania (max 20%
e.ch.) z paliwami kopalnymi w
technologiach skojarzonych
(kogeneracyjnych).
• Rozważane paliwa:
•
•
•
•
Węgiel kamienny.
Węgiel brunatny.
Biomasa „odpadowa” (zrębki drzewne).
Biomasa „celowa” (uprawy energetyczne).
• Rozważane technologie skojarzone:
• Elektrociepłownia z TP.
• Elektrociepłownia z TU-K.
• Uciepłowniony blok elektrowni zawodowej.
• Efekty ekologiczne:
• Zubożenie zasobów paliw kopalnych
• Efekt cieplarniany.
• Zakwaszanie środowiska.
Copyright: Jarosław Zuwała
6
Badania wielkoskalowe
•
Wykazano, że charakter wpływu
dodatku biomasy na sprawność
energetyczną kotła zależy od
rodzaju podstawowo
wykorzystywanego paliwa
kopalnego a jego wielkość od
udziału biomasy w spalanej
mieszance paliwowej.
Stosunek wielkości zużycia energii przez silniki młynów, wentylatorów
powietrza i wentylatorów spalin przy spalaniu mieszanki węgiel-biomasa
odniesiony do analogicznej wielkości przy spalaniu węgla brunatnego
1,02
WB
1,00
0,98
0,96
0,94
0,92
0,90
0,88
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
Udział energii chemicznej biomasy w mieszance, %
Wykazano, że przebieg krzywej
charakteryzującej wpływ dodatku
biomasy na zmianę wielkości
zużycia energii przez układy
pomocnicze kotła energetycznego
także zależy od rodzaju
podstawowo wykorzystywanego
paliwa kopalnego (WB, WK) a
dodatkowo cechuje się
występowaniem lokalnego
ekstremum.
1,80
Stosunek wielkości zużycia energii przez silniki wentylatorów powietrza i
spalin przy spalaniu mieszanki węgiel-biomasa odniesiony do
analogicznej wielkości przy spalaniu węgla
•
1,60
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
WK
0,20
0,00
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
Udział energii chemicznej biomasy w mieszance, %
Copyright: Jarosław Zuwała
7
Kategorie obciążeń (wpływu na środowisko)
• ZUBOŻENIE ZASOBÓW PALIW NIEODNAWIALNYCH
(ABIOTYCZNYCH)
– Obrazuje wyczerpywanie energii zasobów mineralnych i
paliwa kopalnych (wyrażane w MJ)
• EFEKT CIEPLARNIANY
– Obrazuje emisję gazów o potencjale cieplarnianym
(wyrażane w kg CO2eq)
• ZAKWASZANIE (WODA I GLEBY)
– Obrazuje emisję gazów o potencjale zakwaszającym
(wyrażane w kg SO2eq)
Copyright: Jarosław Zuwała
8
Wyniki analizy – zubożenie zasobów
25
20
15
Zubożenie zasobów,
TJ/GWh
10
U-E
TU-K
TP
5
U-E
WB+20BP
WK+20BO
WK+20BP
TU-K
WB+20BO
Konfiguracja paliwowa
WB+10BO
TP
WK+10BO
WB+10BP
WK+10BP
WK
WB
0
Wariant
technologiczny
Copyright: Jarosław Zuwała
9
Wyniki analizy – efekt cieplarniany (1)
2000
1800
1600
1400
1200
Efekt cieplarniany,
1000
kgCO2eq/MWh
800
U-E
TU-K
TP
600
400
200
U-E
WB+20BO
WK+10BO
WB+10BO
TU-K
WK+20BO
Konfiguracja paliwowa
WK+20BP
TP
WK+10BP
WK
WB+20BP
WB+10BP
WB
0
Wariant
technologiczny
Copyright: Jarosław Zuwała
10
Wyniki analizy – efekt cieplarniany (2)
Emisja,
kg CO2eq/MWh;
WK
Konfiguracja
paliwowa
Konfiguracja
paliwowa +
uwzględnienie
unikniętego
składowania
biomasy
odpadowej
WK+BO
(10%)
WK+BO
(20%)
1028
1020
1082
WB
WB+BO
(10%)
WB+BO
(20%)
1291
1144
1065
698
1445
790
549
Copyright: Jarosław Zuwała
11
Wyniki analizy – zakwaszanie
8.00
7.00
6.00
5.00
Zakwaszanie,
4.00
kg SO2eq/MWh
3.00
TU-K
U-E
TP
2.00
1.00
TU-K
WB+10BO
WB+20BP
WB+10BP
U-E
WB+20BO
Konfiguracja paliwowa
WB
TP
WK+20BO
WK+10BO
WK+20BP
WK+10BP
WK
0.00
Wariant
technologiczny
Copyright: Jarosław Zuwała
12
Ocena efektów ekologicznych – zbiorczo
Kategoria obciążeń
Najkorzystniejsza konfiguracja technologiczno – paliwowa
Zubożenie
zasobów
Współspalanie węgla brunatnego i biomasy odpadowej
(20%) w elektrowni uciepłownionej.
Efekt
cieplarniany
Współspalanie węgla kamiennego i biomasy
odpadowej (20%) w elektrociepłowni z turbiną
upustowo - kondensacyjną
Zakwaszanie
Współspalanie węgla brunatnego i biomasy odpadowej
(20%) w elektrowni uciepłownionej.
Copyright: Jarosław Zuwała
13
Wpływ obciążeń „inwestycyjnych”
100 000
Obciążenie związane z wytworzeniem i likwidacją instalacji
Skumulowane zużycie energii chemicznej paliwa w pełnym cyklu życia, TJ
90 000
80 000
70 000
60 000
Obciążenie związane z produkcją elektryczności
50 000
40 000
30 000
20 000
Obciążenie związane z produkcją ciepła
10 000
0
0
10
20
Udział energetyczny biomasy, %
Copyright: Jarosław Zuwała
14
Transport biomasy
Rodzaj
Energochłonność, MJ/Mgkm
Transport morski
0,04-0,16
Transport drogowy
(wielkotonażowy)
0,6-1,0
Transport kolejowy
0,4-1,0
Transport lotniczy
7-15
Wytworzenie paliwa
Paliwo
Łupiny pestek palmy oleistej (Daloa
– Kraków)
(3) Transport,
kgCO2/GJ
Suma (2)+(3),
kgCO2eq/GJ
(1) Emisja CO2
kgCO2/GJ
(2) Emisja CH4
kgCO2eq/GJ
0*
0*
2,450
2,450
0*
0*
0,805
0,805
1,940
3,70
0,308
4,008
(ciężarówka, kontenerowiec)
Pelety ze słomy (Gdańsk-Kraków)
(ciężarówka)
Węgiel kamienny – (Kopalnia
Wieczorek, Katowice-Kraków)
(PKP)
•Założono, że obciążenie związane z emisją gazów cieplarnianych przyporządkowano produktowi głównemu danego procesu
(odpowiednio: olejowi palmowemu oraz ziarnom zbóż)
Copyright: Jarosław Zuwała
15
Dylemat
• Wobec tego, która technologia i konfiguracja paliwa jest obciąża
środowisko w najmniejszym stopniu – którą powinno się
wspierać bardziej a którą mniej?
• Jaką kategorię wpływu uznać za najważniejszą?
• Zubożenie zasobów paliw kopalnych?
• Efekt cieplarniany?
• Zakwaszanie środowiska?
• Należy dokonać tzw. ważenia, podczas którego różne wartości
wskaźników w przywołanych kategoriach wpływu zostaną
zagregowane do jednej wartości.
• Ta wartość będzie mogła posłużyć określeniu współczynników
korekcyjnych wsparcia energii wytwarzanej z OZE w procesach
spalania i współspalania biomasy.
• Dla uwzględnienia w zróżnicowaniu wsparcia poprzez mechanizm
współczynników korekcyjnych różnych technologii i paliw należałoby
wartości współczynników określać za pomocą analizy LCA.
Copyright: Jarosław Zuwała
16
Propozycja MG – podział technologii wykorzystujących biomasę
stałą z uwagi na współczynniki korekcyjne (Art. 85 U_OZE)
„[…] 6)biomasa spalana w układach dedykowanych lub w układach hybrydowych o
zainstalowanej łącznej mocy elektrycznej do 10 MW,
7)biomasa spalana w układach dedykowanych lub w układach hybrydowych w
wysokosprawnej kogeneracji (CHP) o zainstalowanej łącznej mocy elektrycznej do 10 MW,
8)biomasa spalana w układach dedykowanych lub w układach hybrydowych o zainstalowanej
łącznej mocy elektrycznej powyżej 10 MW do 50 MW,
9)biomasa spalana w układach dedykowanych lub w układach hybrydowych w
wysokosprawnej kogeneracji (CHP) o zainstalowanej łącznej mocy elektrycznej powyżej 10 MW
do 50 MW,
10)biomasa spalana w układach dedykowanych lub w układach hybrydowych o zainstalowanej
łącznej mocy elektrycznej powyżej 50 MW,
11)biomasa spalana w układach dedykowanych lub w układach hybrydowych w
wysokosprawnej kogeneracji (CHP) o zainstalowanej łącznej mocy elektrycznej powyżej 50
MW,
12) biomasa do spalania wielopaliwowego,
13) biopłyny […]”
Ministerstwo Gospodarki: Projekt Ustawy o odnawialnych źródłach energii (wraz z uzasadnieniem).
Warszawa, 2012-10-04
Copyright: Jarosław Zuwała
17
Propozycja rozwinięcia wsparcia
Biomasa do spalania
wielopaliwowego
Biomasa do spalania
wielopaliwowego z WK
w skojarzeniu
Biomasa do spalania
wielopaliwowego z WB
w skojarzeniu
Odpadowa
Uprawy
celowe
Odpadowa
Uprawy
celowe
Odpadowa
Uprawy
celowe
2013
?
?
?
?
?
?
2014
?
?
?
?
?
?
2015
?
?
?
?
?
?
2016
?
?
?
?
?
?
2017
?
?
?
?
?
?
Copyright: Jarosław Zuwała
18
Alternatywy dla współspalania?
Czasy wykorzystania mocy znamionowych:
• elektrownie solarne
• elektrownie wiatrowe
700 godz/rok)
2500 godz/rok
1 MWel mocy z wiatru – rezerwa w systemie energetycznym około 0,8 MWel
Copyright: Jarosław Zuwała
19
Dziękuję za uwagę
Kontakt:
Dr inż. Jarosław Zuwała
e-mail: [email protected]
tel.:
+48 32 271 00 41 w.300
fax:
+48 32 271 08 09
internet:www.ichpw.zabrze.pl
Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla
ul. Zamkowa 1
41-803 Zabrze
PL
Copyright: Jarosław Zuwała
20