Niedziolka.pdf

MOTROL, 2006, 8A, 232–237

ANALIZA ENERGETYCZNA WYBRANYCH RODZAJÓW

BIOMASY POCHODZENIA ROŚLINNEGO

Ignacy Niedziółka, Andrzej Zuchniarz

Katedra Maszynoznawstwa Rolniczego, Akademia Rolnicza w Lublinie

Streszczenie. Przedstawiono charakterystykę wybranych rodzajów biomasy pochodzenia roślin-

nego, przeznaczonej do wykorzystania na cele energetyczne. Obejmowała ona analizę wartości

opałowej, w zaleŜności od zawartości wody, takich surowców roślinnych, jak: słoma, drewno,

rośliny energetyczne oraz ziarno owsa. Wartość opałowa tych surowców kształtowała się w grani-

cach od 5-11 MJ×kg -1 dla materiałów roślinnych o wilgotności powyŜej 40% do 15-20 MJ×kg -1 dla

materiałów suchych. Zwrócono takŜe uwagę na aspekty ekologiczne i ekonomiczne związane z

wykorzystaniem biomasy roślinnej na cele energetyczne.

Słowa kluczowe: biomasa, słoma, drewno, rośliny energetyczne, ziarno, wartość opałowa

WSTĘP

Biomasa jako odnawialne źródło energii budzi coraz większe zainteresowanie

wśród potencjalnych jej odbiorców na świecie, w tym takŜe i w Polsce. NaleŜą do niej

surowce pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, które ulegają biodegradacji i pochodzą z

produkcji rolniczej, a takŜe przemysłu rolno-spoŜywczego. Spośród wielu rodzajów

biomasy największe znaczenie ma biomasa pochodzenia roślinnego. MoŜe ona być uŜy-

wana na cele energetyczne w procesach bezpośredniego spalania surowców stałych lub

przetwarzana na biopaliwa ciekłe i gazowe. Do biopaliw stałych zalicza się m.in.: słomę,

drewno, rośliny energetyczne, a takŜe ziarno. Są to surowce energetyczne pierwotne,

które, poza korzyścią ekologiczną i ekonomiczną, dają szansę rozwoju rolnictwa [Grzy-

bek 2003].

Według danych statystycznych w Polsce corocznie uzyskuje się około 30 mln t

słomy, z czego około 20 mln t zuŜywa się na cele rolnicze, a pozostałe 10 mln t moŜna

wykorzystać dla celów energetycznych. Potencjał energetyczny słomy w kraju jest znac-

zny, a pełne wykorzystanie nadwyŜek produkcji słomy moŜe pokryć aŜ 4% zapotrzebo-

wania Polski na energię pierwotną. Energia chemiczna 1 kg słomy o wilgotności 15%

wynosi 14,3 MJ, co odpowiada energii chemicznej zawartej w 0,81 kg drewna opałowe-

go lub 0,41 m 3 gazu ziemnego wysokometanowego. Pod względem energetycznym 1,5 t

słomy równowaŜne jest 1 t węgla średniej jakości. W Polsce słoma moŜe być wykorzy-

ANALIZA ENERGETYCZNA WYBRANYCH RODZAJÓW BIOMASY...

233

stana jako paliwo do ogrzewania mieszkań, budynków inwentarskich w gospodarstwach

rolnych, jak i kotłowniach komunalnych [Szlachta 2001, Dreszer i in. 2003].

Oprócz słomy, znaczącym źródłem surowców energetycznych jest drewno i jego

odpady, pochodzące z produkcji leśnej i przemysłu drzewnego. Obejmują one zrębki z

szybko rosnących i wieloletnich gatunków drzew (wierzba, topola, robinia akacjowa),

wióry, trociny oraz pył drzewny. Najdrobniejsze frakcje drewna są wykorzystywane

zazwyczaj w formie brykietów lub peletów uzyskiwanych w procesie aglomerowania z

innymi surowcami roślinnymi. Jako surowiec energetyczny moŜna takŜe wykorzystać

drewno pochodzące z corocznych cięć sanitarnych, jak i likwidacji drzewostanu w sa-

dach [Maciak i Lipińska 2006]. NajwaŜniejszymi parametrami termofizycznymi róŜnych

postaci drewna jest ich wartość opałowa, zaleŜna od składu chemicznego i wilgotności.

Rośliny energetyczne charakteryzują się duŜym przyrostem rocznym, wysoką war-

tością opałową, znaczną odpornością na choroby i szkodniki oraz stosunkowo niewiel-

kimi wymaganiami glebowymi. Ich uprawa jest najlepszym sposobem wykorzystania i

rekultywacji terenów zdegradowanych rolniczo. Niezwykle istotną sprawą jest równieŜ

moŜliwość mechanizacji prac agrotechnicznych związanych z zakładaniem plantacji

oraz zbiorem plonu. Uprawa roślin energetycznych jest przyjazna środowisku i moŜe

być średnio uŜytkowana przez 15–20 lat. NaleŜą do nich m.in.: wierzba wiciowa, ślazo-

wiec pensylwański, słonecznik bulwiasty, róŜa wielokwiatowa i trawy wieloletnie [Ko-

ścik 2003].

Na świecie, a ostatnio i w Polsce do celów energetycznych wykorzystuje się ziarno

zbóŜ, w tym głównie owsa i kukurydzy. Ziarno, ze względu na niewielkie rozmiary,

łatwiej jest transportować i magazynować niŜ słomę i drewno. Ponadto cecha ta daje

duŜe moŜliwości techniczne pełnej automatyzacji procesu zadawania paliwa do kotła.

Proces spalania ziarna realizowany jest w specjalnych palnikach, wymagających dostar-

czenia odpowiedniej ilości powietrza oraz utrzymywania odmiennych temperatur spala-

nia niŜ powszechnie stosowane dla biomasy [Janowicz 2006].

W najbliŜszym czasie biomasa pochodzenia roślinnego będzie stanowiła główne

źródło wytwarzania biopaliw wykorzystywanych w transporcie samochodowym, pro-

dukcji energii elektrycznej i ogrzewnictwie. Konieczność stosowania biomasy do celów

energetycznych moŜe przynieść szereg korzyści związanych z obniŜeniem emisji gazów

cieplarnianych, wzrostem zatrudnienia na obszarach wiejskich oraz poprawą efektywno-

ści produkcji rolniczej w gospodarstwach rodzinnych. MoŜe takŜe wpłynąć na zahamo-

wanie wzrostu cen ropy naftowej w wyniku mniejszego zapotrzebowania na jej produkty.

WILGOTNOŚĆ BIOMASY A WARTOŚĆ OPAŁOWA

Wartość energetyczna to jeden z podstawowych parametrów termofizycznych bio-

paliw stałych. Waha się od 6-8 MJ

kg -1 dla biomasy o wilgotności 50–60% do

kg -1 dla biomasy podsuszonej, której wilgotność wynosi 10–20%, aŜ do 19

15–17 MJ

kg -1 dla biomasy całkowicie wysuszonej. Jednak jest ona niŜsza od wartości opało-

wej węgla i znacznie niŜsza od wartości opałowej gazu ziemnego. Wartość opałowa

wszystkich rodzajów biomasy zaleŜy ściśle od jej wilgotności (tab. 1). Zwiększanie się

tego parametru powoduje zmniejszanie się wartości opałowej biomasy. W związku z

tym istnieje konieczność dosuszania niektórych rodzajów biomasy, aby uzyskać poŜąda-

234

Ignacy Niedziółka, Andrzej Zuchniarz

ne parametry spalania oraz określoną wartość energetyczną paliwa [Grzybek 2003, Ko-

ścik 2003].

Tabela 1. Wartość opałowa wybranych rodzajów biomasy w zaleŜności od wilgotności

Table 1. Fuel value of selected biomass samples dependent on moisture content

Rodzaj biomasy

Wilgotność

biomasy

Wartość opało-

wa w stanie

świeŜym

MJ×kg -1

Wartość opało-

wa w stanie

suchym

MJ×kg -1

Słoma pszenna

15–20

12,9–14,1

17,3

Słoma jęczmienna

15–22

12,0–13,9

16,1

Słoma rzepakowa

30–40

10,3–12,5

15,0

Słoma kukurydziana

45–60

5,3–8,2

16,8

Pył drzewny

3,8–6,4

15,2–19,1

15,2–20,1

Trociny

39,1–47,3

5,3

19,3

Zrębki wierzby

40–55

8,7–11,6

16,5

Pelety

3,6–12

16,5–17,3

17,8–19,6

Brykiety ze słomy

9,7

15,2

17,1

Brykiety drzewne

3,8–14,1

15,2–19,7

16,9–20,4

Wartość opałowa słomy jako paliwa energetycznego uzaleŜniona jest od jej gatun-

ku, wilgotności oraz techniki przechowywania. Bardziej wskazane jest uŜycie tzw. sło-

my szarej, czyli pozostawionej przez pewien czas po ścięciu na działanie warunków

atmosferycznych, a następnie wysuszonej. Taki produkt charakteryzuje się nieco lep-

szymi właściwościami energetycznymi oraz mniejszą emisją związków siarki i chloru od

słomy Ŝółtej, czyli świeŜo ściętej (tab. 2). Zbyt wilgotna słoma ma nie tylko mniejszą

wartość energetyczną, lecz powoduje takŜe większą emisję zanieczyszczeń podczas

spalania. Dlatego ustala się normy, określające maksymalną dopuszczalną wilgotność

słomy. Choć normy te są róŜne dla róŜnych urządzeń, najczęściej przyjmuje się, Ŝe wil-

gotność słomy powinna utrzymywać się w granicach 18–25% [Kościk 2003].

Tabela 2. Porównanie właściwości słomy Ŝółtej i szarej [Dreszer i in. 2003]

Table 2. Comparison of the properties of yellow and grey straw

Rodzaj słomy Wilgotność %

Wartość energetyczna

MJ×kg -1

Gęstość

kg×m -3

Zawartość popiołu

% s.m.

Słoma Ŝółta

10-20

14,3

90-165

4,0

Słoma szara

10-20

15,2

90-165

3,0

SPALANIE BIOMASY

W traktacie akcesyjnym o przystąpieniu do Unii Europejskiej Polska zadeklarowała

wzrost udziału odnawialnych źródeł energii w produkcji energii elektrycznej do 7,5% w

roku 2010 i do 14% w roku 2020. PoniewaŜ hydrogeologiczne uwarunkowania Polski

nie pozwalają uzyskać tak znacznego udziału odnawialnych źródeł z energetyki wodnej,

wiatrowej lub geotermalnej, największym zainteresowaniem cieszy się biomasa (rys. 1).

ANALIZA ENERGETYCZNA WYBRANYCH RODZAJÓW BIOMASY...

235

Niezbędna staje się więc ocena właściwości energetycznych pozyskiwanej biomasy z

uwzględnieniem jej właściwości chemicznych oraz moŜliwości jej wykorzystania

[Grzybek 2003].

Rodzaje biomasy

Rys. 1. Porównanie wartości opałowej róŜnych rodzajów biomasy: 1 – słoma pszenna, 2 – słoma

jęczmienna, 3 – słoma rzepakowa, 4 – słoma kukurydziana, 5 – zrębki, 6 – pelety, 7 – brykiety

drzewne, 8 – brykiety ze słomy, 9 – ziarno owsa oplewione

Fig. 1. Comparison of fuel value of different kinds of biomass: 1 – wheat straw, 2 – barley straw,

3 – rape straw, 4 – maize straw, 5 – felling, 6 – pellets, 7 – wood briquettes, 8 – straw briquettes,

9 – oat grains without husks

Dla potrzeb klientów indywidualnych i małych instalacji grzewczych biomasa prze-

twarzana jest do postaci brykietów lub peletów. Brykiety z reguły nie zawierają Ŝadnych

substancji wiąŜących – powstają w wyniku sprasowania trocin lub zrębków pod wyso-

kim ciśnieniem. Brykiety i pelety najczęściej produkuje się ze zrębków wierzby energe-

tycznej. Rośliny te rosną szybko i dają plony nawet przez 30 lat. Szacuje się, Ŝe z kaŜde-

go hektara moŜna uzyskać od 25 do 45 t zrębków. Przed prasowaniem zrębki poddawa-

ne są suszeniu do zawartości wilgoci około 15%. Odpady drzewne prasowane są w ści-

słe, niewielkie rolki, niezawierające Ŝadnych dodatków ze względu na swe naturalne

właściwości [Kowalik 2003].

RównieŜ słoma w postaci brykietów jest bardzo atrakcyjnym produktem wykorzy-

stywanym do celów grzewczych. Jej wartość energetyczna nie odbiega znacznie od

wartości opałowej zrębków drewna czy wierzby energetycznej.

Spalanie biomasy w tradycyjnych kotłach c.o. wymaga zmniejszenia jej wilgotności

poniŜej 15%. DuŜa zawartość wilgoci w biomasie ma równieŜ wpływ na koszty jej po-

zyskiwania. Często biomasę dowozi się do miejsca spalania z dalszych regionów kraju

i zawartość wody, a tym samym wyŜszy cięŜar biomasy, wpływa na wyŜsze koszty

236

Ignacy Niedziółka, Andrzej Zuchniarz

transportu. Wykorzystanie odpadów drzewnych do celów energetycznych, podobnie jak

słomy, jest więc opłacalne tylko przy niewielkiej odległości transportu surowca.

Podczas spalania czystej biomasy powstają małe ilości popiołu (0,5–12,5%), który

nie zawiera szkodliwych substancji i moŜe być wykorzystany jako nawóz mineralny

(rys. 2). WyŜsze zawartości popiołu świadczą o zanieczyszczeniu surowca [Zwierz-

chowski 2006].

biomasa

ogółem

słoma

wierzba

zrębki

Rys. 2. Udział związków chemicznych w popiołach róŜnych rodzajów biomasy: a) zawartość

SiO 2 , b) zawartość CaO, c) zawartość K 2 O

Fig. 2. Chemical compounds contents in ashes of different biomass kinds: a) SiO 2 content, b) CaO

content, c) K 2 O content

PODSUMOWANIE I WNIOSKI

Wykorzystanie biomasy w Polsce będzie rosło ze względu na przyjętą przez Unię

Europejską dyrektywę o udziale energii odnawialnej w ogólnej produkcji energii we

wszystkich państwach członkowskich (dla Polski 7,5% w 2010 r.) [Wojciechowska

2006]. Aby temu sprostać, trzeba zagospodarować biomasę w róŜnej postaci: od nadwy-

Ŝek słomy przy produkcji zbóŜ, po uprawy energetycznych gatunków roślin (np. wierz-

ba). Na podstawie dokonanego przeglądu literatury [Dreszer i in. 2003, Grzybek 2003,

Rogulska i Jaworski 2005] oraz badań własnych [Niedziółka i in. 2006a, 2006b] moŜna

sformułować następujące wnioski:

1. Biomasa poprzez swoje właściwości energetyczne jest alternatywnym źródłem

energii, które z powodzeniem moŜe zastąpić dotychczasowe technologie ciepłownicze,

oparte na tradycyjnych paliwach kopalnych (np. węgiel).

2. Słoma moŜe stanowić powaŜne źródło ekologicznej energii pod warunkiem, Ŝe

jej wilgotność nie przekroczy 25% i będą stosowane właściwe kotły do spalania. Najle-

piej, aby była to słoma szara.

3. Technologie spalania biomasy są trudne do zastosowania w tradycyjnych insta-

lacjach ciepłowniczych zasilanych węglem.

4. Biomasa o duŜej wilgotności w czasie zbioru wymaga poprawy walorów ener-

getycznych poprzez zmniejszenie zawartości wody, co zwiększa koszty jej zastosowania.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: