Politechnika Koszalińska ANALIZA MOśLIWOŚCI

MICHAŁ JASIULEWICZ
Politechnika Koszalińska
ANALIZA MOśLIWOŚCI WYKORZYSTANIA ZASOBÓW
BIOMASY STAŁEJ W LOKALNYCH CIEPŁOWNIACH
Słowa kluczowe: biomasa, lokalne ciepłownie, kogeneracja, lokalny potencjał
Key words: biomass, local heating center, cogeneration, local potential
Wstęp
Zmniejszające się zasoby energetycznych surowców kopalnych, wzrost kosztów ich wydobycia, a takŜe działania zmierzające do obniŜenia emisji gazów
cieplarnianych, zgodnie z Dyrektywą UE (2009/28/WE) i przyjętego zgodnie
z nią Narodowego Celu Wskaźnikowego (NCW) – wskazują na potrzebę wykorzystania Odnawialnych Źródeł Energii (OZE), zwłaszcza biomasy, której potencjał naleŜy do najwyŜszych w Europie – 895 PJ (Jasiulewicz 2010).
NaleŜy juŜ obecnie włoŜyć wiele wysiłku w proces zagospodarowania biomasy jako surowca energetycznego, zwłaszcza w układzie lokalnym – rozproszonym. Ukierunkowanie rolnictwa na produkcję surowców energetycznych
stwarza wiele moŜliwości, m.in.:
– pełniejsze zagospodarowanie zasobów ziemi rolniczej (w tym odłogów i ugorów),
– zagospodarowanie odpadów organicznych z produkcji roślinnej i zwierzęcej,
– stworzenie nowych miejsc pracy na wsi,
– poprawę dochodów ludności rolniczej,
– lokalne wykorzystanie surowców stanowiących podstawę bezpieczeństwa
energetycznego, zwłaszcza energii cieplnej,
– zrównowaŜony rozwój obszarów wiejskich i rolnictwa.
Dywersyfikacja kierunków produkcji rolnej, zwłaszcza roślinnej, przez uprawę
surowców konsumpcyjnych i energetycznych, przyczyni się do poprawy dochodów ludności rolniczej i aktywizacji gospodarczej obszarów wiejskich. Powinna
wpłynąć równieŜ na poprawę stanu środowiska przyrodniczego i zrównowaŜony
rozwój obszarów wiejskich. Właściwe zagospodarowanie (z wykorzystaniem
najnowszych technologii w systemie skojarzonym) wszelkiej biomasy odpadowej
108
Michał Jasiulewicz
__________________________________________________________
z rolnictwa, przemysłu, gospodarki komunalnej, leśnictwa, a takŜe z produkcji
rolnej ukierunkowanej na wykorzystanie energetyczne w lokalnych ciepłowniach – stwarza najbardziej efektywne rozwiązanie zarówno dla producentów
energii cieplnej, jak i dostawców surowców energetycznych.
UŜycie do celów energetycznych róŜnych odpadów biomasy oraz celowej
produkcji surowców energetycznych to nie tylko moŜliwość, lecz takŜe konieczność ekologiczna, uwarunkowana gospodarczo (Grzybek 2008).
Zgodnie z polskim prawem energetycznym lokalne władze podstawowych
jednostek administracyjnych (gmin) są zobowiązane do opracowania planów
zaopatrzenia w energię elektryczną i cieplną. W opracowanych planach powinny być uwzględnione lokalnie dostępne odnawialne źródła energii (Ustawa –
Prawo energetyczne 1997).
Aby ocenić ekonomiczną konkurencyjność wybranego nośnika energii lub
systemu energii odnawialnej, naleŜy zdefiniować poszczególne obszary ich zastosowania i wewnątrz tych obszarów konkurujące z nimi inne systemy dostarczania
energii. Potencjał ekonomiczny jest silnie uzaleŜniony od konwencjonalnych systemów, wysokości podatków, dofinansowania i cen energetycznych surowców
kopalnych. Potencjał dostępny (uŜytkowany) określa, jaki strumień energii
z biomasy moŜe być ostatecznie wykorzystany na cele energetyczne (jest on
z reguły mniejszy od potencjału ekonomicznego) (red. Jasiulewicz 2009, 2010).
Ograniczone moŜliwości produkcji instalacji wykorzystujących oferowaną
energię odnawialną, określone zdolności funkcjonowania istniejących instalacji
oraz inne bariery (w zakresie informacji, ograniczeń prawnych, administracyjnych) stanowią przeszkodę ekonomicznego uzasadnienia stosowania róŜnych
nośników energii odnawialnej, uniemoŜliwiającą całkowitą eksploatację biomasy.
Potencjał teoretyczny obejmuje całą ilość energii, potencjał techniczny –
moŜliwą do wykorzystania część energii z technicznego punktu widzenia, potencjał ekonomiczny – to część energii, której wykorzystanie jest ekonomicznie
uzasadnione, potencjał dostępny (uŜytkowany) stanowi realny udział w wytwarzaniu – jest zazwyczaj kilkakrotnie mniejszy od potencjału teoretycznego.
W niniejszym opracowaniu przyjęto określać potencjał dostępny w zasięgu do
30 km od siedziby ciepłowni miejskiej. Za miarodajny naleŜy uznać takŜe potencjał techniczny, który określa korzystanie z biomasy w dłuŜszym horyzoncie
czasowym, uwzględniając istniejące moŜliwości upraw energetycznych na potrzeby lokalnych ciepłowni. Stanowi on istniejący, dostępny potencjał, niewykorzystany energetycznie oraz uwzględnia zakładanie celowych plantacji upraw
energetycznych (Jasiulewicz 2007).
Zatem potencjał techniczny naleŜy traktować jako całą ilość energii, którą
moŜna teoretycznie pozyskać za pomocą aktualnie dostępnych technologii.
Prowadzone badania w zakresie potencjału biomasy, zarówno w kraju jak i za
Analiza moŜliwości wykorzystania zasobów biomasy stałej w lokalnych ciepłowniach 109
__________________________________________________________
granicą, wskazują, Ŝe rozwój energetyki bazującej na biomasie jako paliwie stałym naleŜy ukierunkować głównie na produkcję energii cieplnej i elektrycznej
w układzie skojarzonym (CHP – Combinet Heat and Power). WiąŜe się to z decentralizacją systemów i rozpowszechnieniem produkcji energii cieplnej i elektrycznej (CHP), a jednocześnie przyczynia się do wzrostu efektywności ekonomicznej i energetycznej. Ze względu na niską wartość kaloryczną biomasy
świeŜej, uzaleŜnioną od wilgotności (od 6 MJ/kg przy wilgotności powyŜej
50% do ponad 19 MJ/kg przy wilgotności poniŜej 10%), a takŜe niewielki cięŜar (m3) biomasy zrębkowanej, najbardziej wskazane jest wykorzystywanie
biomasy w układzie lokalnym (w promieniu do 30 km) (Jordan, Pieńkowski
2010, Jasiulewicz 2005).
Wysoką sprawnością wyróŜnia się technologia zgazowania biomasy i zastosowania biogazu (syngazu) w układzie kogeneracyjnym CHP. W technologii tej
wykorzystuje się uzyskany syngaz do napędu silnika tłokowego (gazowego),
który uruchamia synchroniczny generator prądu z zespołem wymienników ciepła.
Zamiast silnika tłokowego stosowana jest turbina gazowa. Taki układ zapewnia
wysoką sprawność przetwarzania energii i relatywnie niskie koszty eksploatacji
(Borecki 2007). Wysoką sprawnością CHP odznacza się równieŜ system Organic Ranking Cycle (ORC) wykorzystujący olej termalny.
Koncepcja małej elektrociepłowni opalanej biomasą, opartej na technologii ORC
Zarys procesu wykorzystania ORC w spalaniu biomasy w obiektach rozproszonych
Konwencjonalne systemy energetyczne oparte na działaniu pary wodnej mogą zostać przeniesione, praktycznie bez większych adaptacji, na grunt energetyki paliw odnawialnych. Na rys. 1 przedstawiono system skojarzonej produkcji
energii elektrycznej z biomasy w tradycyjnym obiegu parowym.
W zasadzie jedynym elementem wyróŜniającym ten układ w przypadku jego
eksploatacji na bazie biomasy jest palenisko i zespół kotła biomasowego, który
kaŜdorazowo powinien zostać szczegółowo przeanalizowany i dostosowany do
rodzaju biopaliwa planowanego do spalania. Ze względu na specyfikę biomasy
jako paliwa oraz związany z nią charakter procesu spalania nie jest moŜliwe zastosowanie w takim układzie powszechnie stosowanych w energetyce kotłów
węglowych. Pozostałe elementy systemu to standardowe urządzenia stosowane
w konwencjonalnej energetyce zawodowej (Jordan, Pieńkowski 2010).
110
Michał Jasiulewicz
__________________________________________________________
A
6
C
B
7
12
13
5
G
11
8
4
3
9
14
15
2
18
16
Biomass
1
B
17
D
10
19
Rysunek 1. Schemat typowej elektrociepłowni opartej na obiegu pary wodnej
Źródło: M. Jasiulewicz 2011, Projekt strategiczny…; K. Sadowski, W. Wysocki, Doświadczenia eksploatacyjne kotła parowego o mocy 75 MW zasilanego biomasą,
Koszalin 2009; H. Charun 2005, Podstawy gospodarki energetycznej.
A, B – powietrze
C – spaliny
D – woda surowa
1) Palenisko na biomasę
10) Deaerator
2) Kocioł parowy
11) Turbina parowa
3) Zbiornik parownika
12) Generator elektryczny
4) Przegrzewacz pary
13) By-pass turbiny
5) Ekonomizer
14) Odbiornik ciepła
6) Regeneracyjny podgrzewacz powietrza
15) Skraplacz
7) Kolektor parowy
16) Zbiornik kondensatu
8) Stacja redukcji ciśnienia
17) Pompa kondensatu
9) Kolektor parowy
18) Stacja demineralizacji wody
W przypadku stosowaniu takiego układu w małej skali – tj. o mocy elektrycznej < 2,0 MWe, naleŜy się liczyć z kilkoma zasadniczymi ograniczeniami,
wynikającymi z konieczności przeniesienia praktycznie wszystkich rozwiązań
technicznych stosowanych w energetyce do małej elektrociepłowni. Bardzo wysokie ciśnienie i związane z nim zobowiązania dozorowe, para przegrzana, wo-
Analiza moŜliwości wykorzystania zasobów biomasy stałej w lokalnych ciepłowniach 111
__________________________________________________________
da zdemineralizowana, turbina wymagająca ciągłego 3-zmianowego nadzoru,
niezbędny wysoko wykwalifikowany personel – to tylko przykładowe problemy
rzutujące na efekty eksploatacyjne takiego obiektu. Ponadto turbina parowa
o małej mocy nie jest w stanie uzyskać sprawności osiąganej przez duŜe turbiny.
Ograniczeń tych nie posiada elektrociepłownia produkująca energię elektryczną z biomasy według technologii ORC, której schemat przedstawiono na
rys. 2 (Jasiulewicz 2011).
270 °C / 10 bar
4
B
170 °C
10
G
9
320 °C / 10 bar
5
230 °C / 0,2 bar
3
240 °C
6
370 °C
11
7
14
80 °C
2
12
100 °C
Biomass
60 °C
1
8
15
95 °C / 0,2 bar
A
13
80 °C
Rysunek 2. Schemat elektrociepłowni w systemie ORC
(z wykorzystaniem oleju termalnego) bazującej na spalaniu biomasy
Źródło: M. Jasiulewicz 2011, Projekt strategiczny…; H. Charun 2005, Podstawy gospodarki energetycznej, Koszalin; R. Tytko 2009, Odnawialne źródła energii,
Warszawa.
Gdzie: A – powietrze
B – spaliny
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
Palenisko na biomasę
Kocioł oleju termalnego
Ekonomizer
Ekonomizer
Parownik układu ORC
Pompa cyrkulacyjna oleju termalnego
Dodatkowy wymiennik ORC
Podgrzewacz powietrza
9)
10)
11)
12)
13)
14)
Turbina ORC
Generator elektryczny
Regenerator
Skraplacz
Pompa cyrkulacyjna obiegu ORC
Pompa cyrkulacyjna zewnętrznego
obiegu ciepłowniczego
15) Odbiornik ciepła
112
Michał Jasiulewicz
__________________________________________________________
Czynnikiem roboczym do napędu turbiny w obiegu ORC są pary oleju silikonowego. Nośnikiem energii cieplnej ze spalenia biomasy jest olej termalny,
cyrkulowany pomiędzy kotłem biomasowym a parownikiem układu ORC,
w którym cyrkulujący w obiegu ORC olej silikonowy zostaje odparowany. Po
przejściu przez turbinę pary oleju silikonowego oddają część swojej energii
w regeneratorze do oleju wprowadzanego do parownika ORC, a następnie przechodzą do skraplacza, w którym oddają energię kondensacji do zewnętrznego
obiegu chłodzącego – np. sieci ciepłowniczej. Po kondensacji czynnik organiczny jest przepompowywany do parownika i zamyka obieg termodynamiczny. Cykl zaczyna się od początku. Ani czynnik z obiegu pierwotnego, ani podgrzewana woda znajdująca się w wymienniku zainstalowanym za turbiną nie
mają bezpośredniego kontaktu z czynnikiem organicznym napędzającym turbinę.
Układ ORC z wykorzystaniem oleju termalnego praktycznie nie posiada
Ŝadnej z wad układu parowego. Ciśnienia występujące zarówno po stronie oleju
termalnego, jak i oleju silikonowego są na poziomie kilku barów. Obydwa obiegi
są szczelne i nie wymagają uzupełniania. W przypadku gdy brakuje wody zdemineralizowanej do uzupełniania sieci zewnętrznej, wystarczy zastosować zwykłe
zmiękczanie. Ze względu na konserwujące środowisko oleju silikonowego turbina ORC jest praktycznie niezniszczalna (okresy pomiędzy przeglądami głównymi
wynoszą ~50 tys. godzin). Blok ORC w zasadzie nie wymaga bieŜącej obsługi.
Relatywnie wysoka jest sprawność wytwarzania energii elektrycznej, tj. 20–24%.
Montując w instalacji pilotaŜowej blok ORC o małej mocy elektrycznej, np.
320 kW oraz mocy cieplnej 1420 kW, naleŜy zintegrować go z kotłem opalanym na biomasę o mocy nominalnej nie mniejszej niŜ 2,2 MW. Średnie zuŜycie
biomasy w postaci zrębków przy nominalnej mocy bloku ORC będzie oscylować w przedziale 500 kg/h, co stworzy w skali miesiąca potrzebę zabezpieczenia ok. 360 ton. Przy wyborze miejsca lokalizacji takiej elektrociepłowni powinno się brać pod uwagę z jednej strony dostępność wymaganej ilości paliwa
lokalnego (do 30 km), a z drugiej strony zapewnienie odbioru wyprodukowanej
ilości ciepła. Układy ORC są bezkonkurencyjne, jeśli chodzi o całkowitą sprawność układu, niemniej jednak trzeba mieć moŜliwość zagospodarowania powstałej energii cieplnej. Odbiorcą takiego nadmiaru ciepła moŜe być osiedle
mieszkaniowe 50–80 domów jednorodzinnych lub ok. 150 mieszkań w budynkach wielorodzinnych, bądź teŜ np. sąsiadujący zakład przemysłowy. Korzystnym wariantem lokalizacyjnym dla takiego projektu jest zastąpienie starej zamortyzowanej kotłowni węglowej (wymagającej kapitalnego remontu) obiektem
ORC, o adekwatnej mocy cieplnej, i wykorzystanie istniejącej sieci ciepłowniczej
(Jasiulewicz 2011).
Analiza moŜliwości wykorzystania zasobów biomasy stałej w lokalnych ciepłowniach 113
__________________________________________________________
Włączenie takiego obiektu w duŜą sieć ciepłowniczą, o znacznie większym
zapotrzebowaniu mocy, jest równieŜ moŜliwe i uzasadnione jako wspomaganie
istniejących źródeł ciepła. Będzie jednak stanowić pewne ograniczenie z punktu
widzenia celu, jakim jest budowa systemu źródeł rozproszonych. Takie małe
elektrociepłownie powinny powstawać w małych miasteczkach i osiedlach,
gdzie system ciepłowniczy będzie np. wymagał buforowania energii cieplnej.
Prezentowany przykładowy system elektrociepłowni opalanej biomasą złoŜony jest z następujących elementów technologicznych:
– kocioł oleju termalnego o mocy nominalnej 2,2 MW z kompletnym wyposaŜeniem towarzyszącym (układ zasypu biomasy, odpylanie, odpopielanie,
elektrofiltry),
– blok kogeneracyjny ORC o nominalnej mocy elektrycznej 320 kW i mocy termicznej 1,42 MW w formie kompletnie zmontowanego SKID-u, tj. zespołów
pompowych, instalacji buforowej zewnętrznego obiegu wody sieciowej o pojemności 100 m3, elektrycznych systemów siłowych i sterowania, niezbędnych do funkcjonowania elektrociepłowni, systemów pomocniczych (np.
magazynowanie paliwa w kotle czy odbiór pyłów i popiołu).
Budynek małej elektrociepłowni powinien być wykonany z płyt warstwowych i posiadać niezbędne instalacje ogólnobudowlane.
MoŜliwości wykorzystania biomasy w energetyce rozproszonej
Problem biomasy jako cennego źródła energii eklektycznej i cieplnej w Polsce naleŜy rozpatrywać w wielu aspektach. Zasadniczym krokiem naprzód
w efektywnym wykorzystaniu tego surowca w energetyce byłoby stworzenie
lokalnych, rozproszonych centrów energetycznych, zlokalizowanych w osadach
wiejskich i w małych miastach. Pozyskiwana biomasa powinna pochodzić
przede wszystkim z lokalnych źródeł, czyli z rolnictwa, ale trzeba uwzględnić
takŜe odpady z przemysłu, odpady komunalne, osady ściekowe, odpady z ubojni, rzeźni, gastronomii, odpady roślinne i zwierzęce – zarówno płynne, jak i stałe. Zasadniczo naleŜy zastosować sprawdzone w praktyce wielkoskalowej modele pozyskiwania biomasy do celów energetycznych w dwóch róŜnych formach (Jasiulewicz 2007, 2008).
WaŜną formułą pozyskiwania biomasy rolniczej jest zakładanie plantacji
upraw energetycznych, takich jak: wierzba (Salix vim.), miskantus, ślazowiec,
robinia, topinambur, topola. DuŜych moŜliwości uprawy naleŜy upatrywać
głównie w plantacjach wierzby (M. Jasiulewicz 2006, 2007, 2008), której niskie
wymagania umoŜliwiają uprawę na gruntach relatywnie słabych, w tym odłogowanych, zasilanych wodami opadowymi. Na bazie lokalnych upraw istnieją
duŜe szanse na stworzenie rozproszonych centrów energetycznych w małych
114
Michał Jasiulewicz
__________________________________________________________
miastach – w miejsce funkcjonującego obecnie komunalnego systemu centralnego ogrzewania, opartego na spalaniu głównie węgla kamiennego. Najbardziej
wskazane jest stosowanie instalacji spalania biomasy w systemie kogeneracji
ORC, w których wodę z układu chłodzenia moŜna dodatkowo wykorzystać
w lokalnych systemach grzewczych – zabudowy mieszkaniowej, instytucji społecznych, pływalni itp. Najefektywniejsze jest bezpośrednie spalanie biomasy
w wysoko sprawnych kotłach (zwłaszcza w systemach ORC), gdy stosuje się
układ skojarzony. Stworzenie lokalnego systemu wykorzystania biomasy (energia elektryczna + cieplna) jest bardzo efektywne energetycznie (70–90% efektywności), w pełni ekologiczne, aktywizujące obszary wiejskie – tworzenie nowych miejsc pracy, pełne wykorzystanie gruntów i obrót kapitału w układzie
lokalnym. Uruchomienie takich działań moŜe stać się „kołem zamachowym”
lokalnej gospodarki. Przy spalaniu biomasy na duŜą skalę w lokalnych centrach
energetycznych, najbardziej ekonomicznie uzasadnioną formą jest biomasa nieprzetworzona, transportowana na nieduŜe odległości (do 30 km), ze względu na
koszty i efekty ekologiczne. Biomasa nieprzetworzona w postaci zrębków ma
niewielką wartość energetyczną, uzaleŜnioną od wilgotności (6–20 MJ/kg),
niski cięŜar nasypowy (m3) – co wskazuje, Ŝe przewoŜenie jej na większe odległości nie jest uzasadnione, ze względu na wysokie koszty transportu i jego
negatywny wpływ na środowisko. Dlatego teŜ naleŜy krytycznie spojrzeć na
proces współspalania biomasy z węglem w wielkich elektrociepłowniach, do
których biomasa dostarczana jest z duŜych odległości. Jest to jedynie pozorowanie działań wielkiej energetyki w kierunku spełnienia norm emisji CO2. Produkcja energii elektrycznej z OZE w Polsce jest ciągle na niskim poziomie
(Jasiulewicz 2008, 2009, 2010).
WaŜną formą działania w zakresie wykorzystania biomasy jest takŜe jej przetwarzanie do postaci pelet, brykietów (wilgotność < 10%), o wysokiej wartości
energetycznej (17–20 MJ/kg). Pelety nadają się w szczególności do ogrzewania
pojedynczych zabudowań, z własnym systemem ogrzewania, z pełną automatyką i zbiornikami na pelety lub zrębki.
W warunkach polskiego agroklimatu istnieją odpowiednie warunki do uprawy wierzby i topoli na powierzchni ok. 1,6 mln ha. Przyjmując średnie plony na
gruntach słabych ok. 10 t s.m./rok – moŜna uzyskać ok. 16 mln t s.m./rok. Przy
wartości energetycznej suchej masy ok. 20 GJ/t istnieje moŜliwość uzyskania
ok. 320 mln GJ/rok; dla porównania w wyniku spalania węgla kamiennego
obecnie uzyskujemy w Polsce 888 mln GJ, a z węgla brunatnego 514 mln GJ
(Jasiulewicz 2009).
Problemy logistyczne – mimo pozornej łatwości pozyskania biomasy i jej
transportu, sprawiają wiele problemów, zwłaszcza w przypadku dostaw biomasy w duŜych ilościach, zgodnie z zapotrzebowaniem. NaleŜy wziąć pod uwagę
Analiza moŜliwości wykorzystania zasobów biomasy stałej w lokalnych ciepłowniach 115
__________________________________________________________
łańcuch logistyczny – z pola na plac składowy odbiorcy końcowego (elektrociepłowni). W Polsce nie powstał do tej pory rynek dostawcy i odbiorcy, brak
jest teŜ centrów logistycznych w obrocie biomasą.
Dotychczasowe doświadczenia logistyczne na własnej (PK) plantacji wskazują na kilka waŜnych problemów w rozwiązaniu zagadnień logistycznych. NaleŜą do nich m.in.:
– wysoka pracochłonność i znaczne koszty zbioru dwufazowego pędów (z dosuszaniem w warunkach naturalnych na obrzeŜach plantacji),
– konieczność mechanizacji wszelkich prac związanych ze zbiorem – wskazany
jest jednofazowy zbiór mechaniczny z jednoczesnym zrębkowaniem pędów,
– trudności z transportem na gruntach nawodnionych (grząskich),
– zbiór jednofazowy wymusza spalanie biomasy (zrębek) o wysokiej wilgotności (45–50%) i niskiej wartości kalorycznej (6–9 MJ/kg),
– składowanie zrębek na polu przyczynia się do zwiększenia zanieczyszczenia
ziemią. W związku z tym zachodzi konieczność przygotowania utwardzonego placu z zadaszeniem, aby suszenie przebiegało w sposób naturalny,
– przygotowanie wszystkich plantacji do zbioru maszynowego i transportu biomasy do elektrociepłowni lokalnej,
– duŜe szkody na plantacji powoduje dzika zwierzyna łowna – najbardziej skutecznym zabezpieczeniem przed nimi jest ogrodzenie plantacji,
– drogi dojazdowe do plantacji (utwardzone) oraz drogi wewnętrzne na terenie
plantacji stanowią waŜny element infrastruktury.
Zatem wszystkie trzy elementy rozwaŜane w tej części, tj. uprawa, logistyka
zbioru, jak równieŜ dostawy ze składowaniem, wymagają dalszych badań w celu ich optymalizacji.
Wykorzystanie wieloletnich upraw energetycznych (np. wierzby, miskantusa, ślazowca pensylwańskiego) do produkcji biomasy stwarza nowy, niezwykle
waŜny etap przejściowy od surowca podstawowego, jakim jest węgiel kamienny, do odnawialnych źródeł energii (OZE), zwłaszcza biomasy. Ze względu na
istniejącą infrastrukturę cieplną, opartą w 100% na węglu kamiennym, etap
przejściowy powinien trwać do 10 lat. NaleŜy przyjąć, Ŝe najbliŜsze lata stworzą moŜliwość wykorzystania istniejącej infrastruktury ciepłowniczej (kotłów
rusztowych) oraz istniejących nadwyŜek biomasy, zwłaszcza słomy, którą
w postaci pelet i brykietów moŜna z powodzeniem stosować w procesie współspalania (do 10% biomasy). W ciągu najbliŜszych lat naleŜy teŜ załoŜyć wieloletnie plantacje roślin energetycznych, które powinny być w pełni przydatne do
wykorzystania energetycznego po 4–5 latach od załoŜenia.
Instalacje ciepłownicze w tym czasie naleŜy przygotować (nowe instalacje)
do przetwarzania wyłącznie biomasy – najlepiej w układzie kogeneracyjnym
(CHP), co umoŜliwi poprawę nie tylko efektu ekologicznego, ale takŜe ekonomicznego, energetycznego oraz rozwoju regionalnego.
116
Michał Jasiulewicz
__________________________________________________________
Zatem, w najbliŜszych 5–10 latach, biomasa lokalna powinna zastąpić obecnie powszechnie stosowany węgiel kamienny. Istniejące instalacje ciepłownicze
mogą pozostać jako rezerwa na ekstremalne sytuacje awaryjne.
Systemy skojarzone (CHP) stwarzają moŜliwość jednoczesnego wykorzystania energii do produkcji energii elektrycznej oraz do zasilania w ciepło istniejących zasobów komunalnych, przemysłowych, usługowych. Uzyskane certyfikaty (za produkcję energii elektrycznej z OZE w systemie skojarzonym) poprawiają wyraźnie efektywność ekonomiczną.
Wieloletnie uprawy energetyczne powinny być lokalizowane głównie na
gruntach niskiej jakości, relatywnie dobrze nawodnionych, a gatunki i klony roślin dostosowane do warunków lokalnych. Istnieje takŜe moŜliwość wykorzystania gruntów odłogowanych i ugorów oraz nieuŜytków do zakładania upraw
energetycznych. Przyjęte w projekcie załoŜenia dotyczące przerobu biomasy
w układzie lokalnym w promieniu do 30 km od ciepłowni są w pełni uzasadnione, gdyŜ tylko transport biomasy nieprzetworzonej (zrębek) na nieduŜe odległości wpływa na niskie koszty produkcji surowców energetycznych (biomasy),
a to przekłada się na efekty energetyczne i ekonomiczne.
W przypadku stosowania nadwyŜek słomy w procesie współspalania z węglem (w kotłach rusztowych) zachodzi potrzeba sprasowania słomy, najlepiej
do postaci pelet, co wymaga zainwestowania w specjalistyczną linię technologiczną dostosowaną do ich produkcji.
Biorąc pod uwagę warunki agroklimatyczne Polski, takie jak: krótki okres
wegetacyjny, relatywnie mroźne zimy, częste przymrozki wiosenne, średni poziom opadów – ustalono, Ŝe najbardziej wskazanymi roślinami energetycznymi
do powszechnej uprawy są: wierzba energetyczna, topola, ślazowiec pensylwański (Kuś, Matyka 2010, Faber, Kuś, Matyka 2009).
Do perspektywicznych upraw energetycznych naleŜy zaliczyć miskanta –
wieloletnią trawę, o szlaku fotosyntezy C4, a takŜe kukurydzę i sorgo (miskant
występuje takŜe pod nazwą: trawa słoniowa, trzcina chińska, trzcinnik olbrzymi). Trawa ta tworzy duŜe kępy, źdźbła osiągają wysokość 200–350 cm, a ich
liczba dochodzi do 200 szt. Najczęściej do celów energetycznych uprawiany
jest miskant olbrzymi (Miscanthus giganteus) – stanowiący skrzyŜowanie miskanta chińskiego i miskanta cukrowego. W polskich warunkach klimatycznych
– ze względu na duŜą wraŜliwość roślin na wymarzanie, szczególnie zimą
w pierwszym roku po posadzeniu, warto zabezpieczać plantacje przez ściółkowanie słomą. Z uwagi na konieczność zakładania plantacji z sadzonek produkowanych metodą in vitro lub z sadzonek korzenionych (rezonów) – koszt załoŜenia
plantacji jest stosunkowo wysoki (sadzonki 12–16 tys. zł/ha). Negatywną cechą
jest takŜe łatwość wylegania miskanta pod wpływem obfitych opadów śniegu
Analiza moŜliwości wykorzystania zasobów biomasy stałej w lokalnych ciepłowniach 117
__________________________________________________________
w okresie jesienno-zimowym, w wyniku czego pojawiają się trudności ze zbiorem (Kuś, Matyka 2010).
Warto pamiętać o tym, Ŝe biomasę do celów energetycznych moŜna pozyskiwać przede wszystkim z odpadów: rolniczych, przemysłu drzewnego, zieleni
miejskiej, przydroŜnych zadrzewień, upraw sadowniczych i likwidacji sadów,
a takŜe z nieuŜytkowanych łąk.
Uzupełnieniem i trwałym zabezpieczeniem podaŜy biomasy w istniejących
lokalnych instalacjach ciepłowniczych powinny być wieloletnie plantacje roślin
energetycznych, zakładane na gruntach odłogowanych, ugorach, terenach nieuŜytkowanych rolniczo oraz uŜytkach rolnych niŜszych klas bonitacyjnych, pozostawiając najlepsze jakościowo grunty orne pod uprawę roślin konsumpcyjnych.
Bezpieczeństwo Ŝywnościowe kraju stanowi absolutnie priorytet w zagospodarowaniu gruntów. Nie moŜna zapominać takŜe o aspektach ekologicznych oraz bioróŜnorodności środowiska i zrównowaŜonego rozwoju obszarów wiejskich (Bärjesson 2009, Kuś, Madej, Karpiński 2006, Jasiulewicz 2009).
Wieloletnie uprawy energetyczne powinny wyróŜniać się wysoką produktywnością, wysoką wartością opałową oraz korzystną efektywnością energetyczną i ekonomiczną (Weger, Lasak, Zanowa, Harlickora 2005).
Produkcyjność upraw wieloletnich jest bardzo zróŜnicowana i zaleŜy od wielu
czynników, m.in. od jakości gleby, gatunku i klonu roślin, agrotechniki, gęstości
nasadzeń, warunków wodnych, cyklów zbioru – wynosi od kilku t/rok do 30 t.s.m.
na rok (Jasiulewicz 2007).
Podjęcie decyzji o załoŜeniu plantacji upraw energetycznych powinno być
oparte na wieloletniej umowie (10–20 lat) producenta rolnego i odbiorcy (ciepłownia), gwarantującej odbiór całości wyprodukowanego surowca. Sprecyzowanie umowy wieloletniej jest bardzo waŜne zarówno dla rolnika, jak i odbiorcy. Cena surowca energetycznego musi zadowalać obie strony, niezaleŜnie od
zachodzących zmian w gospodarce rolnej i energetyce. Najbardziej uzasadnioną
jednostką miary jest ustalenie wartości 1GJ (jest to uzaleŜnione od wilgotności
dostarczanego surowca). Najbardziej wskazaną formą dostarczania biomasy na
nieduŜe odległości do ciepłowni są zrębki w stanie świeŜym – o wilgotności
45–55%, które są pozyskiwane w okresie jesienno-zimowym (listopad – kwiecień). W rozwaŜaniach tych nie naleŜy pominąć problemów związanych z logistyką dostaw i składowaniem surowców (Jasiulewicz 2008).
Składowanie świeŜych zrębek o wysokiej wilgotności (ok. 50%) w duŜej
masie na pryzmach moŜe doprowadzić do gnicia biomasy wewnątrz pryzmy,
rozwoju grzybów, a nawet do samozapłonu. Niezbędne są zatem wewnętrzne
kanały napowietrzania powodujące jednocześnie suszenie, bez strat energetycznych i jakościowych biomasy. Bardzo dobrym rozwiązaniem jest zadaszenie
powierzchni składowej lub pokrycie specjalną powłoką (plandeką), umoŜliwiającą odparowanie biomasy i jednocześnie nie pozwalającą na przesiąkanie wody
118
Michał Jasiulewicz
__________________________________________________________
z opadów deszczowych. Teren przeznaczony na składowanie biomasy powinien
znajdować się w pobliŜu ciepłowni, umoŜliwiając przechowanie biomasy (zrębek) co najmniej przez 1 tydzień, nawet przy ekstremalnej pogodzie w okresie
zimowym.
Wieloletnich plantacji roślin energetycznych nie naleŜy zakładać na najlepszych glebach, które powinny być przeznaczone do produkcji Ŝywności i pasz,
a takŜe:
– na obszarach cennych przyrodniczo, zwłaszcza chronionych – NATURA
2000,
– na stokach o duŜym nachyleniu (>12%) ze względu na zachodzące procesy
erozji,
– na gruntach zmeliorowanych – plantacji wierzby i topoli (ze względu na moŜliwość zniszczenia instalacji melioracyjnych),
– na trwałych uŜytkach zielonych o szczególnej bioróŜnorodności, na innych
uŜytkach zielonych moŜna zakładać plantacje w systemie bezorkowym (np.
Ŝywokoły).
Akcję informacyjną dotyczącą zakładania plantacji powinno się przeprowadzić we wszystkich gminach i w zaleŜności od potrzeb i moŜliwości zawrzeć
umowy wieloletnie, gwarantujące zbyt biomasy po cenie ustalonej, opłacalnej
dla producentów w długim okresie, ale takŜe opłacalnej dla odbiorcy, czyli ciepłowni. MoŜna przyjąć np. stałą relację do ceny oleju opałowego lub węgla,
uwzględniającą takŜe inflację. W organizacji rynku produkcji i zbytu trzeba
zadbać o właściwą organizację nasadzeń, zbioru biomasy oraz transportu do
ciepłowni, gdyŜ brak np. mechanizacji moŜe spowodować nieopłacalność produkcji i trudności z logistyką. Przy zakładaniu plantacji naleŜy w pierwszej
kolejności uwzględnić moŜliwość zagospodarowania nieuŜytków, a dobierając
rośliny energetyczne – wziąć pod uwagę równieŜ stan melioracji, poniewaŜ
zmeliorowane tereny wykluczają nasadzenia niektórych gatunków, np. wierzby
i topoli. Istotny jest takŜe poziom wód gruntowych, mający wpływ na plonowanie (Faber, Kuś, Matyka 2009 oraz Matyka 2008).
Potencjał biomasy rolniczej stałej – do wykorzystania energetycznego w ciepłowniach Klastra „Razem Cieplej” – na podstawie ankietyzacji w gminach
Za największy niewykorzystany potencjał energetyczny w rolnictwie uznaje
się energię zawartą w słomie zbóŜ oraz rzepaku. Klaster „Razem Cieplej” obejmuje 10 ciepłowni miejskich w woj. warmińsko-mazurskim i 1 ciepłownię
w woj. lubelskim (Biała Podlaska). Artykuł zawiera część opracowania autora
w projekcie realizowanym przez Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w 2011 r.
(Jasiulewicz 2011).
Analiza moŜliwości wykorzystania zasobów biomasy stałej w lokalnych ciepłowniach 119
__________________________________________________________
Zasiewy zbóŜ w woj. warmińsko-mazurskim stanowią 70,1% (Rocznik Statystyczny Rolnictwa, GUS 2010). Tak wysoki udział zbóŜ w zasiewach przyczynia się do duŜej produkcji słomy, tj. na poziomie ok. 1,5 mln ton, z czego
ponad 400 tys. ton stanowi nadwyŜkę w stosunku do potrzeb – na ściółkę, paszę, przyoranie (Kuś 2006, 2008). NadwyŜka słomy (ok. 30% ogólnej produkcji
słomy) moŜe zostać wykorzystana w energetyce.
NaleŜy zwrócić uwagę teŜ na to, Ŝe rolnictwo w województwie warmińskomazurskim wyróŜnia się duŜym udziałem gospodarstw wielkoobszarowych, co
ułatwia zbiór mechaniczny słomy i jej wykorzystanie do celów energetycznych
(prasowanie, produkcja pelet i brykietów), a zbiór słomy z wielkopowierzchniowego areału do celów energetycznych jest znacznie tańszy (w przeliczeniu
na 1 tonę słomy).
W celu oszacowania potencjału energetycznego słomy moŜna posłuŜyć się
następującym wzorem:
Ese = Zsł x 14 x 80% (GJ/ rok),
Zsł = Pz x Js/z x Jn/s (t/rok).
Legenda:
Zsł
– masa nadwyŜki słomy (t),
Pz
– plon ziarna (t),
Js/z
– stosunek plonu słomy do plonu ziarna,
Jn/s
– wskaźnik nadwyŜek słomy na danym obszarze,
80% – sprawność urządzeń do spalania słomy,
14 GJ/t – wartość energetyczna słomy o wilgotności 18–22%,
Ese
– potencjał energetyczny słomy.
Do obliczenia wielkości zbiorów słomy przyjmuje się relację w stosunku do
produkcji ziarna: pszenicy – 1 : 0,8, Ŝyta – 1 : 1,4, jęczmienia – 1 : 0,9, pszenŜyta
– 1 : 0,8, owsa – 1 : 1,05, kukurydzy – 1 : 1,50, mieszanek zboŜowych – 1 : 0,95.
WaŜną pozycję zajmuje takŜe słoma rzepakowa, gdyŜ zasiewy rzepaku stanowią w woj. warmińsko-mazurskim 9,38% ogólnej powierzchni zasiewów
i naleŜą do wyróŜniających się w Polsce. Ocena potencjału słomy rzepakowej
jest nieco bardziej skomplikowana z powodu trudności ze zbiorem, a takŜe niŜszej oceny właściwości spalania.
Badania w zakresie potencjału słomy do celów energetycznych przeprowadzono metodą ankietową w gminach połoŜonych w promieniu do 30 km od
istniejących ciepłowni miejskich, zrzeszonych w Klastrze „Razem Cieplej”, na
terenie województwa warmińsko-mazurskiego oraz jednej ciepłowni (Biała
Podlaska) na terenie województwa podlaskiego, wykorzystując takŜe dane
statystyczne GUS.
120
Michał Jasiulewicz
__________________________________________________________
Niniejsze opracowanie przedstawia szacunkowy potencjał biomasy rolniczej
i pozarolniczej (zadrzewień przydroŜnych) – moŜliwej do wykorzystania energetycznego.
W Klastrze „Razem Cieplej” zrzeszonych jest 10 ciepłowni miejskich o mocy
cieplnej: Działdowo (13,80 MW), Nidzica (7,96 MW), Olsztyn (179,80 MW),
Iława (39,00 MW), Ostróda (44,10 MW), Morąg (13,00 MW), Bartoszyce (36,20
MW), Kętrzyn (33,85 MW), Mrągowo (26,50 MW), Biała Podlaska (68,00 MW).
W rejonie Ciepłowni Morąg uprawy rolne stanowią łącznie: 96 237 ha, z czego
na zasiewy Ŝyta przypada 4490 ha, pszenŜyta 9322 ha, pszenicy 16 290 ha, rzepaku
6117 ha, kukurydzy 5708 ha, jęczmienia 3980 ha, owsa 4665 ha oraz inne uprawy
zajmują powierzchnię 6050 ha.
Na podstawie potencjału biomasy pozarolniczej pochodzącej z zadrzewień
i zakrzaczeń przydroŜnych, a takŜe z niewykorzystywanych rolniczo łąk (obliczonego na podstawie powierzchni łąk oraz uzyskiwanych z nich plonów),
określono, uwzględniając wartość energetyczną roślin, istniejący potencjał energetyczny roślin, obecnie niewykorzystywany w energetyce (Kuś, Madej, Kopiński 2006).
Potencjał ogólny: słomy do wykorzystania energetycznego w rejonie Ciepłowni Morąg stanowi 1076,39 TJ/rok, trawy z nieuŜytkowanych łąk – 2,46 TJ/rok,
drewna z pielęgnacji zadrzewień przydroŜnych – 4,56 TJ, z istniejącej plantacji
wierzby (99 ha) – 17,82 TJ/rok – tj. ogólny potencjał biomasy na poziomie
1101,23 TJ/rok. NaleŜy zaznaczyć, Ŝe wielkość szacunkowa potencjału technicznego biomasy uwzględnia takŜe słomę zaplanowaną do celów gospodarczych, jak równieŜ na uzupełnienie próchnicy w glebie, a do oceny potencjału
z przydroŜnej pielęgnacji zadrzewień przyjęto tylko 50% ogólnej ilości zebranej
biomasy. Zatem istniejący potencjał biomasy powinien w całości pokryć potrzeby energetyczne Ciepłowni Morąg. Istotną sprawą jest zapewnienie dostaw
biomasy w ciągu całego roku.
Ciepłownia Działdowo (13,8 MW) w swoim rejonie (30 km) zaopatruje się
w biomasę z gmin: Działdowo, Płośnica, Dąbrówno, Iłowo-Osada, Janowiec
Kościelny. Ogólny obszar tego rejonu – 150 992 ha, w tym uŜytki rolne zajmują
36 048 ha. Zasoby stanowiące nadwyŜki, które moŜna przeznaczyć na potrzeby
energetyki: słomy 26 472,3 ton – 370,61 TJ/rok, drewna z pielęgnacji przydroŜnej – 1,23 TJ/rok, plantacje roślin energetycznych znajdujące się na powierzchni 10 ha (wierzba) – 1,80 TJ/rok. Łącznie istniejący potencjał biomasy moŜliwy
do wykorzystania energetycznego wynosi 373,64 TJ/rok. Powinno to pokryć
potrzeby energetyczne Ciepłowni Działdowo.
Największą jest Ciepłownia Olsztyn (179,8 MW). W jej otoczeniu (30 km)
znajdują się gminy: Dywity, Purda, Pasym, Barczewo, Dźwierzuty, Sławiguda,
Jeziorany, Dobre Miasto. Spośród wymienionych gmin ankiety przekazały tylko
Analiza moŜliwości wykorzystania zasobów biomasy stałej w lokalnych ciepłowniach 121
__________________________________________________________
cztery gminy: Dywity (9323 ha uŜytków rolnych), Barczewo (11 329 ha uŜytków rolnych), Jeziorany (14 278 ha uŜytków rolnych), Dobre Miasto (12 948 ha
uŜytków rolnych) – łącznie stanowi to powierzchnię 47 878 ha uŜytków rolnych. Wartość energetyczna słomy do dyspozycji ciepłowni jest znacząca i wynosi w gminie: Dywity – 40,01 TJ/rok, Barczewo – 98,90 TJ/rok, Jeziorany –
102,69 TJ/rok, łącznie – 241,59 TJ. W gminie Dobre Miasto nie podano areału
zasiewu zbóŜ. W Ŝadnej z ww. gmin nie podano areału nieuŜytkowanych łąk.
Potencjał energetyczny drewna z pielęgnacji przydroŜnych zadrzewień wynosi
łącznie 22,31 TJ/rok, z czego najwyŜszy jest w gminie Dobre Miasto (9,44 TJ).
Na terenie gminy Jeziorany znajduje się plantacja wierzby energetycznej, która
zapewnia 2,16 TJ/ rok. W czterech gminach tego rejonu potencjał biomasy
energetycznej stałej kształtuje się na poziomie 266,06 TJ/ rok. Potencjał ten nie
jest wystarczający dla zabezpieczenia potrzeb energetycznych Ciepłowni Olsztyn. Konieczne jest załoŜenie (ok. 1000 ha) plantacji roślin energetycznych, które
uzupełnią istniejący potencjał. Uwzględnić naleŜy równieŜ biomasę w okolicznych gminach, które nie przekazały ankiet, moŜna ją szacować na zbliŜonym
poziomie jak 4 gmin pozostałych, tj. ok. 350 TJ.
W grupie ciepłowni Południe znajduje się równieŜ Ciepłownia Nidzica (7,96
MW), w rejonie której zaplecze surowcowe stanowią 4 gminy: Olsztynek, Kozłowo, Janowo, Nidzica. Z przeprowadzonej ankietyzacji uzyskano informacje
tylko z dwóch gmin, tj. Kozłowo i Janowo. Ogólny obszar uŜytków rolnych
w tych 2 gminach wynosi 25 692 ha. NadwyŜka słomy to 61 231,5 ton o wartości
energetycznej 257,17 TJ. Potencjał biomasy z pielęgnacji przydroŜnych zadrzewień wynosi 4,18 TJ, a biomasę z plantacji energetycznych (wierzba) moŜna szacować na poziomie 1,08 TJ/rok. Ogólny istniejący potencjał biomasy w 2 gminach wynosi 262,43 TJ i naleŜy spodziewać się, Ŝe w pozostałych 2 gminach jest
na zbliŜonym poziomie, tj. ok. 250 TJ. Jest to potencjał zaspokajający potrzeby
ciepłowni Nidzica i nadmiar biomasy moŜna przekazać Ciepłowni Olsztyn.
W sąsiedztwie Ciepłowni Iława (39,0 MW) znajduje się gmina Miłomłyn
o powierzchni ogólnej 16 091 ha, w tym uŜytki rolne zajmują 6400 ha. NadwyŜka
słomy w tej gminie wynosi 15 210,0 ton, o wartości energetycznej 63,88 TJ. Nie
zostały przedstawione dane dotyczące trawy z niewykorzystanych łąk, jak równieŜ drewna z pielęgnacji zadrzewień przydroŜnych. Brak danych z innych
gmin w promieniu 30 km od ciepłowni nie pozwala na przygotowanie pełnej informacji o wielkości potencjału biomasy w całym (30 km) rejonie tej ciepłowni.
NaleŜy przypuszczać, Ŝe jest on wielokrotnie większy.
Ciepłownia Ostróda (44,1 MW) znajduje się w centralnej części Grupy Południe. Z 3 gmin sąsiednich, tj. Ostródy, Gietrzwałdu i Łukty, otrzymuje się
łącznie 88,69 TJ/rok. Właściwie jest to potencjał istniejący w dwóch gminach,
tj. Gietrzwałd i Łukta, gdyŜ brak jest informacji w ankiecie dotyczącej gminy
122
Michał Jasiulewicz
__________________________________________________________
Ostróda. Tylko w 2 gminach (Gietrzwałd i Łukta) nadwyŜki słomy do energetycznego wykorzystania wynoszą 20 775,50 ton – o wartości energetycznej
87,26 TJ, a drewno z pielęgnacji zadrzewień przydroŜnych – 0,59 TJ i z plantacji energetycznych – 0,85 TJ. Brak dokładnych informacji z gmin przyległych
uniemoŜliwia dokonanie pełnego szacunku potencjału biomasy.
W Grupie Ciepłowni Południe (Działdowo, Nidzica, Iława, Ostróda, Morąg
i Olsztyn) – energetyczny potencjał biomasy rolniczej i przydroŜnej stanowi
w badanych gminach 2155,94 TJ.
Grupę Ciepłowni Północ stanowią: Mrągowo (26,5 MW), Bartoszyce (36,2
MW), Kętrzyn (33,85 MW). W rejonie Ciepłowni Mrągowo znajdują się 3 gminy
(Biskupiec, Piecki i Mrągowo). Spośród ww. 3 gmin informacje ankietowe przekazały 2 gminy, tj. Biskupiec i Mrągowo i potencjał biomasy został oszacowany
dla tych 2 gmin. Posiadają one 34 751 ha uŜytków rolnych, a łączna powierzchnia
tych gmin wynosi 58 523 ha. Zbiór słomy do wykorzystania energetycznego
określa się na 59 037,75 ton o łącznej wartości energetycznej 247,96 TJ.
Oprócz słomy występują równieŜ nieuŜytkowane łąki w gminie Biskupiec
(100,0 ha) o wartości energetycznej 5,6 TJ oraz drewno z pielęgnacji przydroŜnych zadrzewień – 5,21 TJ, a takŜe uprawy energetyczne wierzby – 1,44 TJ, co
łącznie stanowi 260,21 TJ. JeŜeli przyjmiemy średni potencjał z gminy Piecki
na poziomie ok. 130 TJ, to łączny potencjał biomasy w 3 gminach osiągnie 390
TJ i zabezpieczy potrzeby energetyczne ciepłowni Mrągowo.
W rejonie Ciepłowni Bartoszyce (36,2 MW) przeprowadzono badania w 7 gminach: Bisztynek, Sępopol, Lidzbark Warmiński, Bartoszyce, Górowo Iławeckie,
Kwity, Lidzbark. Łączna powierzchnia badanych 7 gmin wynosi 206 472 ha,
a uŜytki rolne stanowią 119 548 ha. NadwyŜka słomy do wykorzystania energetycznego wynosi razem w 7 gminach 413 655,15 ton o łącznej wartości energetycznej 1737,35 TJ. Oprócz tego oszacowano potencjał drewna z pielęgnacji
zadrzewień przydroŜnych na 2,78 TJ, a potencjał biomasy z plantacji energetycznych na 2,16 TJ. Łączny potencjał biomasy do wykorzystania energetycznego dla ciepłowni Bartoszyce wynosi 1742,29 TJ. Jest to wielkość, która
w pełni powinna zaspokoić potrzeby energetyczne Ciepłowni Bartoszyce, a takŜe częściowo Ciepłowni Olsztyn, której odległość jest w granicach 30 km od
gmin połoŜonych w części południowej tego rejonu.
Ciepłownia Kętrzyn (33,85 MW) posiada podobne zaplecze potencjału biomasy jak inne analizowane wcześniej ciepłownie, lecz brak informacji z gmin
nie pozwala na oszacowanie tego potencjału.
Z przeprowadzonych badań w 9 gminach Grupy Północ dla Ciepłowni Bartoszyce, Kętrzyn, Mrągowo wynika, Ŝe rejon ten dysponuje potencjałem biomasy
w wysokości 2002,50 TJ. JeŜeli dodamy do tego potencjał biomasy w rejonie
Ciepłowni Kętrzyn, to wartość potencjału energetycznego będzie jeszcze wyŜsza.
Analiza moŜliwości wykorzystania zasobów biomasy stałej w lokalnych ciepłowniach 123
__________________________________________________________
Ciepłownia Biała Podlaska (68MW) połoŜona jest na terenie województwa
lubelskiego, ale jest stowarzyszona w Klastrze „Razem Cieplej”. Badania ankietowe przeprowadzono w 7 gminach w rejonie ciepłowni (do 30 km): Drelów,
Konstantynów, Piszczec, Leśna Podlaska, Sosnówka, Rokitno, Wisznice. Powierzchnia tego rejonu wynosi 80 216 ha, w tym uŜytki rolne zajmują 45 518 ha.
NadwyŜkę słomy szacuje się na 116 809,5 ton, a wartość energetyczną na
490,60 TJ/rok (w tym brak jest informacji z dwóch gmin: Piszczec i Rokitno),
zatem wielkość potencjału słomy byłaby znacznie wyŜsza, gdyby spłynęły dane
ze wszystkich 7 gmin. Dodatkowo w jednej z gmin (Drelów) znajduje się 180,0 ha
nieuŜytkowanych łąk, które zapewniają potencjał energetyczny 10,08 TJ, cięcia
pielęgnacyjne przydroŜnych zadrzewień dostarczają w 3 podanych gminach –
2,36 TJ/rok, a z plantacji roślin energetycznych pochodzi 0,9 TJ. Łączny potencjał biomasy w analizowanych gminach w sąsiedztwie Ciepłowni Biała Podlaska wynosi 503,94 TJ. Gdyby moŜna było uwzględnić średnią wartość potencjału
biomasy ze wszystkich okolicznych gmin, wówczas wartość potencjału byłaby
znacznie wyŜsza i przypuszczalnie mogłaby pokryć zapotrzebowanie energetyczne Ciepłowni Biała Podlaska.
Przyjęto podział terytorialny ciepłowni miejskich na 3 grupy:
1. Grupa Południowa – ciepłownie:
– Nidzica (7,76 MW)
– Morąg (13,0 MW)
– Olsztyn (179,8 MW)
– Ostróda (44,1 MW)
– Działdowo (13,8 MW)
– Iława (39,0 MW)
2. Grupa Północna – ciepłownie:
– Bartoszyce (36,2 MW)
– Kętrzyn (33,85 MW)
– Mrągowo (26,5 MW)
3. Biała Podlaska (68,0 MW)
Opracowane zestawienie (tab. 1) na podstawie informacji zebranych podczas
badań ankietowych przeprowadzonych w gminach wskazuje, Ŝe największy potencjał biomasy do wykorzystania energetycznego przedstawia słoma (30%
ogólnych zbiorów słomy). W Grupie Południowej potencjał biomasy słomy stanowi 2096,90 TJ/rok, w Grupie Północnej – 1985,31 TJ/rok i w rejonie Białej
Podlaskiej – 490,60 TJ/rok – tab. 1. Uwzględniając potencjał biomasy uzyskanej z nieuŜytkowanych łąk, z pielęgnacji drzew przydroŜnych oraz z istniejących plantacji roślin energetycznych, uzyskano ogólny potencjał biomasy
w gminach, które udzieliły informacji, na poziomie – Grupa Południowa –
2155,94 TJ/rok, Grupa Północna – 2002,50 TJ/rok, a w rejonie Białej Podlaskiej
– 503,94 TJ/rok – tab. 1.
124
Michał Jasiulewicz
__________________________________________________________
Analiza moŜliwości wykorzystania zasobów biomasy stałej w lokalnych ciepłowniach 125
__________________________________________________________
126
Michał Jasiulewicz
__________________________________________________________
Analiza moŜliwości wykorzystania zasobów biomasy stałej w lokalnych ciepłowniach 127
__________________________________________________________
128
Michał Jasiulewicz
__________________________________________________________
Potencjał biomasy słomy określono w powiatach zlokalizowanych w pobliŜu
ciepłowni na podstawie danych GUS, powierzchni zasiewu zbóŜ oraz zbioru
4 podstawowych zbóŜ. Wyliczenia te umoŜliwiły określenie ogólnego zbioru
słomy, z którego 30% przeznaczono do energetycznego wykorzystania. Potencjał słomy stanowiącej nadwyŜkę obliczono, przyjmując 14 GJ/t słomy. Uzyskany potencjał energetyczny słomy w Grupie Południowej ciepłowni w województwie warmińsko-mazurskim stanowi 6008,47 TJ/rok, w Grupie Północnej
– 4290,94 TJ/rok, a w rejonie Białej Podlaskiej – 1872,20 TJ/rok – tab. 2–4.
Uzyskane wartości potencjału słomy do celów energetycznych są bardziej obiektywne, gdyŜ obejmują rzeczywiste średnie plony i zbiory zbóŜ, podczas gdy
w badaniach ankietowych przeprowadzonych w gminach występują powaŜne
braki danych, nie pozwalające na dokładne określenie potencjału biomasy.
Łączny potencjał biomasy słomy przeznaczonej do celów energetycznych
w województwie warmińsko-mazurskim w pobliŜu ciepłowni Grupy Południe
i Grupy Północ wynosi 10 298 TJ – co stanowi moŜliwość zaspokojenia prawie
w całości potrzeb energetycznych lokalnych ciepłowni (Jasiulewicz 2011).
Niemniej jednak, biorąc pod uwagę konieczność zabezpieczenia w surowce
energetyczne w postaci biomasy w długim okresie – naleŜy liczyć się z moŜliwością zmiany kierunków produkcji i ewentualnym zmniejszeniem udziału
zbóŜ w ogólnych zasiewach, co mogłoby spowodować zmniejszenie zbioru
zbóŜ i słomy. Dlatego teŜ warto zabezpieczyć się, zakładając plantacje roślin
energetycznych. Jest to tym bardziej uzasadnione, Ŝe większość gmin w województwie warmińsko-mazurskim posiada dobre warunki do ich zakładania (Faber, Kuś 2009 oraz Jadczyszyn, Faber, Zaliwski 2008). Prowadząc plantację,
naleŜy pamiętać o specjalistycznym sprzęcie do sadzenia, zbioru, transportu
i ewentualnie do przetwarzania biomasy na pelety, brykiety. WyposaŜenie
w kompletny sprzęt specjalistyczny nie tylko usprawni cały proces produkcji,
lecz takŜe przyczyni się do poprawy efektywności ekonomicznej całego przedsięwzięcia.
Określenie rodzaju plantacji dla poszczególnych ciepłowni opartych na
technologii spalania
Istniejącą infrastrukturę ciepłowniczą, opartą na nieco przestarzałej technologii stosującej kotły rusztowe, warto w najbliŜszych co najmniej 5 latach nadal
uŜywać w procesie współspalania – dostosowując (niewielkim nakładam środków) istniejące systemy do wykorzystania w procesie spalania biomasy (do
10%). W procesie współspalania powinno się stosować biomasę o niskiej wilgotności, dlatego teŜ najbardziej polecane są pelety.
Analiza moŜliwości wykorzystania zasobów biomasy stałej w lokalnych ciepłowniach 129
__________________________________________________________
Równocześnie naleŜy rozpocząć zakładanie plantacji roślin energetycznych,
co moŜe zająć ok. 5 lat, biorąc pod uwagę powiększanie plantacji z własnych
sadzonek. Aby całe przedsięwzięcie miało pomyślny przebieg, waŜne są szkolenia i właściwe przygotowanie producentów. Prowadzenie plantacji energetycznych w pierwszych 4 latach jest wyjątkowo trudne, gdyŜ pochłania duŜe
nakłady zarówno finansowe, jak i robocizny, a efekty przychodzą dopiero później. Warto zadbać w tym okresie o pozyskanie środków z UE (wspólne wnioski) na sprzęt do zbioru i transportu, a takŜe do produkcji pelet – w zaleŜności
od potrzeb.
W miarę rozwoju plantacji energetycznych powinno się zmierzać w kierunku
wykorzystania w przyszłości wyłącznie biomasy jako surowca energetycznego.
Najwłaściwszym działaniem byłoby instalowanie systemu kogeneracyjnego
(CHP), który pozwala produkować energię elektryczną, a jednocześnie wykorzystywać ciepło do celów komunalnych. Taki system jest najbardziej uzasadniony ekonomicznie i energetycznie i w tym kierunku powinien w swojej strategii zmierzać Klaster „Razem Cieplej”, a potencjał lokalny energii biomasy
będzie miał w pełni zagwarantowany.
Badania prowadzone na wielkopowierzchniowej plantacji roślin energetycznych Politechniki Koszalińskiej, zwłaszcza wierzby – dowodzą, Ŝe warunki
agroklimatyczne gmin zrzeszonych w Klastrze „Razem Cieplej” pozwalają na
uprawę trzech podstawowych gatunków energetycznych (wierzby, ślazowca
pensylwańskiego i miskantusa) w zaleŜności od lokalnych warunków przyrodniczych, siły roboczej i decyzji producentów. MoŜna wskazać z duŜym prawdopodobieństwem, Ŝe w tej strukturze upraw energetycznych powinna dominować
wierzba (Salix vim.), z moŜliwością dostosowania licznych jej klonów do lokalnych warunków. Rozwój bioenergetyki powinien dotyczyć wszystkich
uczestników – producentów biomasy, usługodawców, producentów energii.
Istnieją moŜliwości efektywnego przetwarzania w procesie gazyfikacji fermentacyjnej biomasy w innej formie, np. w postaci duŜej ilości skoncentrowanej gnojowicy, w wyniku czego zostaje rozwiązany problem jej utylizacji,
a jednocześnie zapewnia się produkcję energii elektrycznej i cieplnej. Tego typu
instalacje powinny być lokalizowane w pobliŜu duŜych ferm (> 150 szt. duŜych). Korzystna struktura agrarna w województwie warmińsko-mazurskim stanowi mocny atut w rozwoju bioenergetyki w najbliŜszych latach. Nie moŜna
takŜe pominąć sprawy oszczędności ciepła, które mogą nastąpić w wyniku wymiany ciągów ciepłowniczych na preizolowane, a takŜe dzięki ociepleniu budynków. Kompleksowe działania mogą przynieść oczekiwane rezultaty, często
większe niŜ moŜna przewidzieć.
130
Michał Jasiulewicz
__________________________________________________________
Wnioski:
– Uzasadnione jest ekonomiczne i ekologiczne stosowanie rozproszonej energetyki w małej i średniej skali, bazujące na lokalnej biomasie.
– Wskazane jest stosowanie nowoczesnych technologii, zwłaszcza kogeneracyjnych (CHP), np. przez zgazowanie lignocelulozy, lub typu ORC.
– Aby spełnić normy NCW, naleŜy niezwłocznie rozpocząć działania dotyczące powszechnego wykorzystywania biomasy do celów energetycznych.
– O wyborze upraw energetycznych powinny decydować lokalne warunki
przyrodnicze, a takŜe inne zasoby.
– NaleŜy w optymalnym stopniu promować mechanizację uprawy i zbioru roślin energetycznych.
– Szczególną uwagę trzeba zwrócić na moŜliwość wykorzystania wszelkich
odpadów organicznych do celów energetycznych.
– Przy zakładaniu plantacji warto wykorzystać pełną wiedzę w zakresie doboru
gatunków i klonów roślin.
– NaleŜy zachować rozwój zrównowaŜony i bioróŜnorodność.
Bibliografia
Bärjesson Pål, Basic principles for sustainable bioenergy systems – good and bad system, Sustainable bioenergy production, Jönkoping 2009.
Energetyczne wykorzystanie biomasy w działalności gospodarczej, pod red. M. Jasiulewicza, Politechnika Koszalińska, Koszalin 2009.
Grzybek A., Zapotrzebowanie na biomasę i strategie energetyczne jej wykorzystania,
Studia i Raporty, IUNG – PIB, Zeszyt 11, Puławy 2008, s. 9–24.
Jadczyszyn J., Faber A., Zaliwski A., Wyznaczanie obszarów potencjalnie przydatnych
do uprawy wierzby i ślazowca pensylwańskiego na cele energetyczne w Polsce, Studia i Raporty, Uprawa roślin energetycznych a wykorzystanie rolniczej produkcji
w Polsce, IUNG – PIB, Zeszyt 11, Puławy 2008, s. 55–65.
Jasiulewicz M., Analiza moŜliwości wykorzystania zasobów OZE ze szczególnym
uwzględnieniem biomasy w ciepłowniach Klastra „Razem Cieplej”. Określenie potencjałów biomasy w obszarach działania uczestników projektu. Projekt koordynowany przez UMW w Olsztynie, Maszynopis, UMW, Olsztyn 2011.
Jasiulewicz M., Biomass from Short Rotation Plantation of Willow, [in:] Bioenergy,
Iyvaskylä 2007 (Finland).
Jasiulewicz M., Crops from the Short Rotation Coppieces of Willow and Co-Combustion Process in the Middle Boiler (10 MW). 17-th European Biomass Conference
& Exhibion, Hamburg 2009.
Jasiulewicz M., Economical Aspects of the Short Rotation Coppiece of Willow and Results of Co-Combustion Process in the Middle Boiler. 16-th European Biomass Conference and Exhibion, Valencia 2008 (Spain).
Analiza moŜliwości wykorzystania zasobów biomasy stałej w lokalnych ciepłowniach 131
__________________________________________________________
Jasiulewicz M., Economical Aspects of the Short Rotation Coppies of Willow and Results of Co-Combustion Process in the Middle Boiler, Proceedings of the 17th European Biomass Conference and Exhibition, Hamburg 2009.
Jasiulewicz M., Possibility of Liquid Bio-Fuels, Electric and Heat Energy Production
from Biomass in Polish Agriculture, “Polish Journal of Enviromental Studies” 2010,
Vol. 19, No. 3, p. 483
Jasiulewicz M., Potencjał biomasy w Polsce, Politechnika Koszalińska, Koszalin 2010
Jasiulewicz M., Projekt strategiczny koordynowany przez IMP PAN w Gdańsku, opracowanie: Optymalizacja zabezpieczenia w biomasę w oparciu o uprawę szybkiej rotacji (Salix vim.) ORC, Maszynopis, IMP PAN w Gdańsku 2010.
Jasiulewicz M., Reneved Energy from Energetic Plants. 14-th European Biomass Conference and Exhibion Biomass for Energy Industry and Climate Protection, Paris
2005.
Jasiulewicz M., Sieć osadnicza małych i średnich miast i osad wiejskich a problem wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OZE), ze szczególnym uwzględnieniem
produkcji biomasy. Rekomendacje dla KPZK PAN. Ekspertyzy do koncepcji przestrzennego zagospodarowania kraju 2008–2033, tom I, Ministerstwo Rozwoju Regionalnego, Warszawa 2008.
Jasiulewicz M., Wpływ polityki UE na rozwój agroenergetyki w Polsce. Zeszyty Naukowe SGGW, nr 2/25, t . I, Warszawa 2009.
Jasiulewicz M., Wykorzystanie gruntów odłogowanych do produkcji biomasy i stworzenie lokalnych centrów energetycznych, [w:] Biomasa dla elektroenergetyki i ciepłownictwa. Szanse i problemy, Wieś Jutra, Warszawa 2007.
Jasiulewicz M., Znaczenie rolnictwa w rozwoju energetyki rozproszonej jako formy
rozwoju zrównowaŜonego obszarów wiejskich, [w:] Miejsce obszarów wiejskich
w zagospodarowaniu przestrzennym, red. T. Komornicki, R. Kulikowski, Studia
Obszarów Wiejskich, t. 18, IGiPZ PAN, Warszawa 2009.
Jordan A., Pieńkowski C., A New Technology for Obtaining Biomass – Derived Solid
Fuel for Fluid Boilers, “Polish Journal of Enviromental Studies” 2010, Vol. 19, No.
3, p. 485-495.
Kuś J. i in., Produkcyjność wybranych gatunków roślin uprawianych na cele energetyczne w róŜnych siedliskach, Studia i Raporty, IUNG – PIB, Zeszyt 11, Puławy
2008, s. 67–80.
Kuś J., Madej A., Kopiński J., Bilans słomy w ujęciu regionalnym, Studia i Raporty
IUNG–PIB, Nr 3, Puławy 2006.
Kuś J., Matyka M., Uprawa roślin na cele energetyczne. Instrukcja upowszechnieniowa
Nr 176, IUNG – PIB, Puławy 2010.
Matyka M., Opłacalność i konkurencyjność produkcji wybranych roślin energetycznych, Studia i Raporty, IUNG – PIB, Zeszyt 11, Puławy 2008, s. 113–124.
Regionalny i lokalny potencjał biomasy energetycznej, pod red. M. Jasiulewicza, Polskie Towarzystwo Ekonomiczne, Politechnika Koszalińska, Koszalin 2010.
Sadowski K., Wysocki W., Doświadczenia eksploatacyjne kotła parowego o mocy 75
MW zasilanego biomasą, [w:] Stan pozyskiwania odnawialnych źródeł energii
w Polsce, IMP PAN w Gdańsku, PWSIiP, ŁomŜa 2009.
132
Michał Jasiulewicz
__________________________________________________________
Uprawa roślin na potrzeby energetyki, Faber A., Kuś J., Matyka M., red. J. Kuś, Lewiatan, Ambasada Brytyjska, Warszawa 2009.
Weger J., Vlasak P., Zanova I., Harlickora K., The results of the evaluation of selected
willow and poplar clones fo the Short Rotation Coppies (SRC) in second harvesting
period in conditions of the Czech Republic, Proceedings of the 14th European Biomass Conference, Paris 2005.
Streszczenie
Potencjał biomasy przydatnej do celów energetycznych w Polsce naleŜy do najwyŜszych w UE (595 PJ). Stwarza to moŜliwość wykorzystania biomasy do produkcji paliw
płynnych (bioetanol, biodiesel), produkcji biogazu, produkcji energii elektrycznej
i cieplnej z biomasy stałej. Pomimo Ŝe najwyŜszy jest potencjał biomasy drzewnej opartej na potencjale leśnym, to jednakŜe ze względu na konieczność zachowania rozwoju
zrównowaŜonego w leśnictwie nie moŜna oczekiwać wzrostu podaŜy drewna dla energetyki. Główną rolę w dostawie biomasy będzie odgrywać rolnictwo. Szczególną uwagę
naleŜy zwrócić na wykorzystanie wszelkich odpadów i produktów ubocznych w rolnictwie. Istnieje takŜe uzasadniona potrzeba zakładania plantacji upraw energetycznych,
zarówno jednorocznych, jak i wieloletnich. Istotną sprawą jest wykorzystanie biomasy
lokalnej – zwłaszcza w produkcji energii elektrycznej i cieplnej w układzie skojarzonym. Autor prezentuje przeprowadzone badania w zakresie moŜliwości wykorzystania
biomasy w lokalnych ciepłowniach miejskich w promieniu 30 km w woj. warmińsko –
mazurskim w Klastrze Razem Cieplej.
Summary
The potential of biomass that is useful for energy purposes in Poland is among the
highest ones in the EU (595 PJ). This creates the possibility of the use of biomass for
the production of liquid fuels (bioethanol, biodiesel), biogas, electricity and heat from
solid biomass. In spite of the fact that the potential of wood biomass based on forest potential is the highest, considering the need to maintain sustainable development in forestry, one cannot expect any growth of the supply of wood for power engineering. It is
agriculture that will play the chief role in biomass supplies. Particular attention needs to
be paid to the use of all types of wastes and by-products in agriculture. There is also
a justified need to set up energy crop plantations: both annual and perennial ones. The
on-site use of biomass is important: especially in the production of electricity and heat
in combined systems. The author presents the investigations conducted concerning the
possibilities of the use of biomass in local heating stations within the radius of 3 km in
Warmińsko-Mazurskie Province in the Razem Cieplej Cluster.