Biomasa - EduSun.pl

www.edusun.pl
Biomasa
Biomasa to najstarsze i najszerzej współcześnie wykorzystywane odnawialne źródło energii. Należą
do niej zarówno odpadki z gospodarstwa domowego, jak i pozostałości po przycinaniu zieleni
miejskiej. Biomasa to cała istniejąca na Ziemi materia organiczna, wszystkie substancje pochodzenia
roślinnego lub zwierzęcego ulegające biodegradacji. Biomasą są resztki z produkcji rolnej,
pozostałości z leśnictwa, odpady przemysłowe i komunalne.
Biomasa stanowi trzecie, co do wielkości na świecie, naturalne źródło energii. Według definicji Unii
Europejskiej biomasa oznacza podatne na rozkład biologiczny frakcje produktów, odpady i
pozostałości przemysłu rolnego (łącznie z substancjami roslinnymi i zwierzęcymi), leśnictwa i
związanych z nim gałęzi gospodarki, jak również podatne na rozkład biologiczny frakcje odpadów
przemysłowych i miejskich (Dyrektywa 2001/77/WE).
Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 9 grudnia 2004 roku 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 także przemysłu
przetwarzającego ich produkty, a także części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji (Dz.
U. Nr 267, poz. 2656).
Biomasa to głównie pozostałości i odpady. Niektóre jej formy są jednak celem, a nie efektem
ubocznym produkcji. Specjalnie po to, by pozyskiwać biomasę uprawia się pewne rośliny –
przykładem wierzba wiciowa, rdest czy trzcina pospolita. Do tych upraw energetycznych nadają się
zwłaszcza rośliny charakteryzujące się dużym przyrostem rocznym i niewielkimi wymaganiami
glebowymi.
Stała, ciekła i gazowa
Różne rodzaje biomasy mają różne właściwości. Na cele energetyczne wykorzystuje się drewno i
odpady z przerobu drewna, rośliny pochodzące z upraw energetycznych, produkty rolnicze oraz
odpady organiczne z rolnictwa, niektóre odpady komunalne i przemysłowe. Im suchsza, im bardziej
zagęszczona jest biomasa, tym większą ma wartość jako paliwo. Bardzo wartościowym paliwem jest
na przykład produkowany z rozdrobnionych odpadów drzewnych brykiet. Paliwo uszlachetnione,
takie jak brykiet czy pelety drzewne, uzyskuje się poprzez suszenie, mielenie i prasowanie biomasy.
Koszty ogrzewania takim paliwem są obecnie niższe od kosztów ogrzewania olejem opałowym.
Biomasa występuje w różnych stanach skupienia. Dotychczas mówiliśmy o jej formach w stanie
stałym, teraz zajmijmy się przez chwilę postaciami gazową i ciekłą. Przy oczyszczalniach ścieków i na
składowiskach odpadów, tam gdzie rozkładają się odpady organiczne występuje biogaz będący
mieszaniną głównie metanu i dwutlenku węgla. Zwany on jest czasami gazem błotnym, a powstaje
Dofinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej
www.edusun.pl
podczas beztlenowej fermentacji substancji organicznych. Człowiek może go wykorzystywać na różne
sposoby, m. in. do produkcji:



energii elektrycznej w silnikach iskrowych lub turbinach,
energii cieplnej w przystosowanych kotłach,
energii elektrycznej i cieplnej w układach skojarzonych.
Istotny jest fakt, że wykorzystując będący jednym z gazów cieplarnianych metan zapobiega się jego
emisji do atmosfery. Im mniej zaś w atmosferze gazów cieplarnianych, tym mniejsze natężenie efektu
cieplarnianego, tym mniej związanych z globalnym ociepleniem niekorzystnych zmian klimatu.
Jeśli chodzi o postać ciekłą, to największe znaczenie odgrywają alkohole produkowane z roślin o dużej
zawartości cukru oraz biodiesel produkowany z roślin oleistych. W wyniku fermentacji, hydrolizy lub
pirolizy na przykład kukurydzy czy też trzciny cukrowej otrzymuje się etanol i metanol – biopaliwa,
które mogą być następnie dodawane do paliw tradycyjnych. Przykładowo, około 90%
wyprodukowanego w Stanach Zjednoczonych etanolu wykorzystuje się do wytwarzania „E 10”,
paliwa zwanego także „gazoholem”. Ta, zawierająca tylko 10% etanolu mieszanina może napędzać
każdy silnik, pracujący normalnie na benzynie, jednak na „E 85”, paliwie zawierającym 85% etanolu i
15% benzyny mogą jeździć tylko specjalnie przystosowane samochody.
Zalety biomasy
Biomasę warto wykorzystywać z wielu powodów. Paliwo to jest nieszkodliwe dla środowiska: ilość
dwutlenku węgla emitowana do atmosfery podczas jego spalania równoważona jest ilością CO2
pochłanianego przez rośliny, które odtwarzają biomasę w procesie fotosyntezy. Ogrzewanie biomasą
staje się opłacalne - ceny biomasy są konkurencyjne na rynku paliw. Wykorzystanie biomasy pozwala
wreszcie zagospodarować nieużytki i spożytkować odpady.
Źródła:
Kubica, 2003. Spalanie biomasy i jej współspalanie z węglem.
Instytut Energetyki Odnawialnej, 2004. Bioenergia: wykorzystanie zasobów biomasy do produkcji ciepła, nergii elektrycznej i paliw
transportowych.
Office for Official Publications of the European Communities, 2000. Biomass: An Energy Resource for the European Union.
Ministerstwo Środowiska, 2002. Strategia rozwoju energetyki odnawialnej.
EC BREC, 2003. Odnawialne źódła energii jako element rozwoju lokalnego. Przewodnik dla samorządów erytorialnych i inwestorów.
Dofinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej
www.edusun.pl
Rodzaje biomasy
Stałe, płynne i gazowe biopaliwa produkowane są z biomasy, która sama występuje w rozmaitych
stanach skupienia. Istnieją jednak różne rodzaje biopaliw w określonym stanie skupienia, podobnie
jak różne są rodzaje surowców, wykorzystywanych do ich produkcji. Wśród biopaliw stałych
wyróżniamy np. brykiet, który może być wytwarzany z każdego rodzaju biomasy roślinnej, lecz
najczęściej produkowany jest z trocin, wiórów, zrębków drzewnych czy słomy oraz pelety, do
produkcji których nadaje się kora, zrębki, rośliny energetyczne i słoma, lecz najczęściej
wykorzystywane są trociny i wióry. Podobnie biopaliwa płynne – bioolej, biodiesel czy bioalkohole produkowane są z rozmaitych surowców, przy użyciu rozmaitych technologii. Jeśli chodzi o biopaliwa
gazowe , to obok pozyskiwanego w procesie fermentacji metanowej biogazu do celów
energetycznych wykorzystywany jest także holzgas, czyli gaz drzewny powstający w procesie pirolizy.
Omówimy teraz pokrótce najważniejsze rodzaje biopaliw.
Biopaliwo to biomasa, którą przy użyciu metod fizycznych, chemicznych bądź biochemicznych
przygotowano do wykorzystania w celach energetycznych.
1. DREWNO I ODPADY DRZEWNE
Drewno było podstawowym surowcem energetycznym jeszcze w początkach XX wieku. Choć później
jego miejsce zajęły paliwa kopalne, drewno nie przestało odgrywać istotnej roli w budownictwie,
meblarstwie i innych sektorach gospodarki, takich, jak przemysł chemiczny czy górnictwo.
Pod względem składu chemicznego drewno jest substancją niejednorodną, zawierającą głównie
celulozę, hemicelulozę, ligninę i wodę. Wraz z wiekiem drzewa nasila się proces lignifikacji: zawartość
ligniny w drewnie wzrasta, a zawartość wody maleje.
Z czego składa się drewno?
W 20-60% z wody. Zawartość wody w świeżym drewnie zależy głównie od gatunku drzewa
i jest wyższa w przypadku drewna o mniejszym ciężarze właściwym. Z materiału palnego, w którym
50-52% stanowi węgiel, 40-44% tlen, 6-6,5% wodór, ok. 0,2% azot i ok. 0,1% siarka. W około 0,5% z
popiołu, zawierającego wapń, magnez i potas.
Paliwa drewnopochodne charakteryzują się wysoką zawartością składników lotnych. Zaledwie 20%
ich masy stanowią nielotne związki węgla, które nie odparowują w procesie suchej destylacji
(ogrzewania) drewna, lecz zostają spalone na ruszcie. Tymczasem większość związków lotnych spala
się nad rusztem.
Dofinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej
www.edusun.pl
Drewno kawałkowe to:





pozostałość (ok. 2%) drewna konstrukcyjnego, przycinanego na wymiar, bądź też
odpad z produkcji przycinanych na wymiar półwyrobów (np. fryzów), lub
materiał nie spełniający norm półwyrobu (stanowi nawet do 50% przerabianego drewna)
jego wartość opałowa wynosi 11-22 MJ/kg, wilgotność – 20-30%, a zawartość popiołu 0,61,5% suchej masy
zawiera minimalne ilości kory.
Trociny stanowią około 10% drewna przerabianego w tartakach. Są także produktem ubocznym
skrawania, frezowania itp. w zakładach bardziej zaawansowanej obróbki drewna. Oczyszczone z
drewna kawałkowego stanowią cenne paliwo i mogą być wykorzystywane w kotłowniach. Poziom
wilgotności trocin jest zróżnicowany i waha się od 6-10% do 45-65% dla trocin z niedawno ściętego
drzewa. Przy wilgotności 5-15% zawartość popiołu wynosi mniej niż 0,5%. Wady trocin to trudności
związane z magazynowaniem, skłonność do zaparzania (trociny bukowe) i podatność na
zawilgocenia. Z uwagi na te słabe punkty trociny powinny być spalane w pierwszej kolejności.
2. Kora
Kora to wartościowy pod względem energetycznym odpad przemysłu drzewnego, stanowiący od 10
do 15% masy pozyskiwanego drewna. Jej wartość opałowa wynosi 18,5-20 MJ/kg, wilgotność 5565%, a zawartość popiołu, który ma tendencję do żużlowania stanowi 1-3% suchej masy. Część kory
zostaje podczas obróbki drewna przetworzona na trociny. Korę przed podaniem do kotła z
podajnikiem ślimakowym należy poddać zrębkowaniu w rębaku z górnym zasypem, zrębkowanie kory
przebiega jednak szybko i pochłania niewielkie ilości energii.
Paliwo uszlachetnione, czyli brykiet i pelety cechuje się wysoką wartością opałową, za którą
odpowiada niska wilgotność i małą objętością, związaną z dużym ciężarem właściwym. Zaletą
brykietu i pelet to ich jednolita wielkość, ułatwiająca wykorzystanie.
Brykiet drzewny to walec lub kostka, utworzona z suchego rozdrobnionego drewna (trocin, wiórów
czy zrębków), sprasowanego pod wysokim ciśnieniem bez dodatku substancji klejących. W czasie
zachodzącego pod ciśnieniem 200 atmosfer procesu brykietowania wydziela się lignina, która po
obniżeniu temperatury zastyga, spajając surowiec w formie brykietu. Duże zagęszczenie materiału w
stosunku do objętości sprawia, że proces spalania brykietu zachodzi stopniowo i powoli. Wartość
energetyczna: 19-21 GJ/t; wilgotność: 6-8%; zawartość popiołu: 0,5-1% suchej masy.
ROŚLINY POCHODZĄCE Z UPRAW ENERGETYCZNYCH
Bogate w związki celulozowe i ligninowe rośliny energetyczne mogą być wykorzystywane do
produkcji energii cieplnej i energii elektrycznej oraz do wytwarzania paliw: zarówno ciekłych jak i
gazowych. Rośliny energetyczne można przy tym spalać albo w całości, albo w formie
Dofinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej
www.edusun.pl
wyprodukowanego z nich brykietu czy pelet. Uprawy energetyczne umożliwiają zagospodarowanie
nisko produktywnych bądź zdegradowanych terenów rolniczych, co ma niemałe znaczenie w naszym
kraju, gdzie na ponad 20% terenu stężenie metali ciężkich w glebie przekracza dopuszczalne normy.
Czy wiesz, że...
Rośliny energetyczne mają szczególną zdolność do akumulowania zanieczyszczeń w systemie
korzeniowym. Ich plantacja może w ciągu 15 lat oczyścić glebę z takich metali ciężkich, jak arsen,
ołów, chrom, miedź, mangan, nikiel, rtęć i cynk. Dodatkowym plusem takiej rekultywacji jest fakt,
że zanieczyszczenia gromadzą się wyłącznie w korzeniach roślin, nie przenikają więc do produktów
spalania. Mimo to plantacje energetyczne mają również pewne wady: powstawanie
wielkoobszarowych monokultur jest niekorzystne dla środowiska, poza tym uprawy energetyczne
mogą prowadzić do ograniczenia lub wręcz eliminacji bioróżnorodności i powodować wyjałowienie
gleby.
Pożądane cechy roślin energetycznych to:




duży przyrost roczny,
wysoka wartość opałowa,
znaczna odporność na choroby i szkodniki oraz
stosunkowo niewielkie wymagania glebowe.
Wyróżniamy cztery podstawowe grupy roślin energetycznych:




rośliny uprawne roczne: zboża, konopie, kukurydza, rzepak, słonecznik, sorgo sudańskie,
trzcina;
rośliny drzewiaste szybkiej rotacji: topola, osika, wierzba, eukaliptus;
szybkorosnące, rokrocznie plonujące trawy wieloletnie: miskanty, trzcina, mozga
trzcinowata, trzcina laskowa;
wolnorosnące gatunki drzewiaste.
W Polsce jedną z najczęściej uprawianych roślin energetycznych jest wierzba wiciowa (zwana też
energetyczną). Jej uprawa w naszym kraju jest opłacalna ze względu na korzystne warunki
klimatyczne, które są lepsze od warunków panujących na przykład w Szwecji. W związku z dużym
zainteresowaniem uprawami energetycznymi należy się jednak spodziewać wprowadzania coraz to
nowych gatunków i odmian roślin.
Więcej informacji na temat plantacji energetycznych i gatunków najpopularniejszych roślin
energetycznych znajduje się w dziale pt. „Uprawy energetyczne”.
PRODUKTY I ODPADY ROLNICZE
Tak, jak uprawa roślin energetycznych umożliwia zagospodarowanie nieużytków rolnych, tak
wykorzystanie na cele energetyczne nadwyżek i odpadów produkcji rolnej zapobiega marnotrawstwu
Dofinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej
www.edusun.pl
żywności i rozwiązuje problem utylizacji odpadów. Słoma, siano, buraki cukrowe, trzcina cukrowa,
ziemniaki, rzepak czy pozostałości przerobu owoców bądź zwierzęce odchody to cenne z
energetycznego punktu widzenia surowce, które warto wykorzystywać. Najbardziej
rozpowszechnione jest wykorzystywanie do celów energetycznych słomy.
Słoma to – jak podaje „Mała Encyklopedia Rolnicza” – „dojrzałe lub wysuszone źdźbła roślin
zbożowych”, a także wysuszone rośliny strączkowe, len czy rzepak. W energetyce znajduje
zastosowanie słoma wszystkich rodzajów zbóż oraz rzepaku i gryki, przy czym za szczególnie cenną
uchodzi słoma żytnia, pszenna, rzepakowa i gryczana oraz osadki kukurydzy. Słoma jest zasadniczo
wykorzystywana jako pasza i jako podściółka w hodowli zwierząt gospodarskich, do celów
energetycznych wykorzystuje się zaś jej nadwyżki. Z drugiej strony dużą wartość energetyczną ma
zupełnie nieprzydatna w rolnictwie słoma rzepakowa, bobikowa i słonecznikowa.
Wykorzystanie nadwyżek słomy do celów energetycznych pozwala uniknąć ich spalania na polach. Ta
częsta praktyka wyrządza wielkie szkody środowisku naturalnemu, stąd kraje posiadające mało
inwentarza, lecz produkujące dużo zbóż i dużo rzepaku starają się znaleźć alternatywne formy
wykorzystywania słomy – na przykład Kanadyjczycy używają jej do produkcji płyt, zaś Duńczycy już w
1992 roku wykorzystywali aż 55% produkowanej słomy na cele energetyczne.
Wilgotność słomy wynosi 10-20%, zaś wartość opałowa i zawartość popiołu odpowiednio 14,3 MJ/kg
i 4% suchej masy dla słomy żółtej oraz 15,2 MJ/kg i 3% s. m. dla słomy szarej.
3. Ziarno energetyczne
W celach energetycznych uprawia się wiele słabo rozpowszechnionych gatunków roślin, uprawia się
jednak także rośliny znane już od dawna, lecz hodowane najczęściej z innym przeznaczeniem. Taką
rośliną jest wykorzystywany zazwyczaj jako pasza dla zwierząt i pożywienie dla człowieka owies,
którego uprawa znana jest w naszym kraju co najmniej od VIII wieku. Więcej na temat
energetycznego wykorzystania ziarna owsa można przeczytać tutaj.
BIOGAZ
czyli gaz wysypiskowy to powstająca w wyniku fermentacji metanowej mieszanina gazów, której
głównym składnikiem jest metan. Biogaz wykorzystywany do celów energetycznych zawiera ponad
40% metanu, zaś jego właściwości nie odbiegają od właściwości gazu ziemnego. W energetyce
wykorzystuje się biogaz powstający w wyniku fermentacji:



odpadów organicznych na składowiskach odpadów,
odpadów zwierzęcych w gospodarstwach rolnych,
osadów ściekowych w oczyszczalniach ścieków.
Dofinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej
www.edusun.pl
Bliższą charakterystykę biogazu znajdziecie w artykule pt. „Biogaz”, zaś proces fermentacji
metanowej przedstawiono w artykule pt. "Technologie".
BIOPALIWA PŁYNNE
Do biopaliw płynnych zaliczamy:




oleje roślinne, np. olej rzepakowy,
bioolej otrzymywany przez poddanie biomasy szybkiej pirolizie,
biodiesel, czyli estryfikowany olej rzepakowy oraz
bioalkohole, wśród których największe znaczenie ma etanol.
Źródła:
Biopaliwa, red. P. Gradziuk, Warszawa 2003
J. W. Dubas, A. Grzybek, W. Kotowski, A. Tomczyk, Wierzba energetyczna – uprawa i technologie przetwarzania, Bytom 2004
Paliwa drzewne – tanie i ekologiczne źródło ciepła, broszura KAPE, W-wa 2004
Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego, publikacja EC BREC/IMBER, W-wa 2003
S. Szczukowski, J. Tworkowski, M. J. Stolarski, Wierzba energetyczna, Kraków 2004
A. Grzybek, P. Gradziuk, K. Kowalczyk, Słoma – energetyczne paliwo, W-wa 2001
www.energyforest.com
www.energetik-leipzig.de
samorzad.pap.com.pl
Dofinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej