Biomasa to według definicji z Wikipedii ([1]) ogólna masa materii organicznej, zawartej w organizmach zwierzęcych i roślinnych w danym siedlisku. W potocznym rozumieniu są to wszelkie pozostałości roślinne i zwierzęce, np. słoma, odchody zwierząt, drewno, różnego rodzaju bioodpadki.
Z biomasy otrzymuje się wiele paliw, znanych jako biopaliwa. Zarówno po przetworzeniu jak i w postaci "surowej" może ona być wykorzystywana do celów energetycznych. Paliwa te to:
· słoma, w postaci bel albo brykietów, trawy energetyczne (np. miskant olbrzymi albo proso rózgowate)
· ziarno opałowe (głównie owies),
· trociny drzewne, luzem i jako tzw. pelet,
· olej roślinny surowy i przetwarzany następnie na biodiesel,
· drewno opałowe w różnych formach (zrębki, brykiety, pelety, polana), można z niego otrzymać węgiel drzewny oraz gaz drzewny, drewno pochodzące z lasu lub upraw energetycznych, np. wierzba energetyczna,
· biogaz produkowany m.in. z odchodów zwierzęcych, osadów ściekowych ale także z innych rodzajów biomasy, np. ze ściętej trawy czy słomy,
· alkohole -- etanol (alkohol etylowy), metanol oraz rzadziej -- butanol, propanol,
· olej pochodzący z procesu pirolizy.
Skoro ustaliliśmy już, że można do zasilania silników spalinowych stosować drewno (a dokładniej wyprodukowany z niego gaz generatorowy), czas na kilka słów na temat tego, jakie drewno nadaje się najlepiej do produkcji gazu drzewnego.
Możliwości wbrew pozorom jest sporo. Najlepsze do produkcji holzgazu zdaje się być drewno odpadowe. Przede wszystkim dlatego, że jest dużo tańsze (czasem można otrzymać je za darmo, albo tylko za koszt transportu), często jest już też pokawałkowane (szczegóły niżej).
Najlepsze do zastosowań generatorowych jest drewno twarde, liściaste. Pożądana jest mała zawartość smoły, która poważnie zanieczyszcza gaz drzewny (i trzeba ją potem z niego usunąć). Producenci gazogeneratorów z czasów II Wojny Światowej zalecali dodawanie drewna iglastego w ilości nie większej niż 50% całkowitego wsadu do generatora.
Warto wspomnieć w tym miejscu o możliwości użycia bardzo popularnej ostatnio rośliny, którą jest wierzba energetyczna.
Drewno opałowe, ustawione pod dachem do wyschnięcia.
W zależności od konstrukcji generatora, drewno do niego podawane nie powinno mieć wielkości większej niż powiedzmy 5 x 5 x 5 cm, ale wymiary te są uzależnione od konstrukcji generatora. . Z tego względu musi zostać najpierw pokawałkowane. Zbyt duże elementy załadowane do zasobnika w generatorze nie będą 'spływać' do paleniska, z kolei zbyt małe części drewna (np. pył drzewny) będą unoszone przez strumień gazu opuszczający palenisko i szybko zapchają filtr gazu.
Ocenia się, że drewno powinno mieć wilgotność ok. 12-15%, a na pewno nie więcej niż 20%. Musi ono schnąć kilka miesięcy, najpierw w całości, a następnie w postaci pokawałkowanej. Można też w celu przyspieszenia suszenia wykorzystać ciepło spalin opuszczających silnik (jeżeli nie jest wykorzystywane w inny sposób).
Bo jest to paliwo odnawialne, przy jego spalaniu do atmosfery nie jest emitowany dwutlenek węgla ani związki siarki (szczegóły w artykule "Holzgas a ekologia"). W dodatku zawiera mało popiołu, co upraszcza instalację i ułatwia jej obsługę (czyszczenie). Po trzecie -- jest to paliwo szeroko dostępne, jego źródłem wcale nie musi być las, może być to też wierzba energetyczna hodowana na polu za domem.
Zdjęcie na licencji GNU FDL, pochodzi z serwisu Wikimedia Commons.
Istotne jest też to, że drewno dostępne jest w kraju, nie ma potrzeby jego importowania, a więc jego cena jest niezbyt niewrażliwa na zmiany gospodarcze i polityczne na świecie, czego powiedzieć nie można o ropie naftowej. Dodatkowo, warto wspomnieć, że drewno nie jest obciążone podatkami, w odróżnieniu od innych paliw.
W porównaniu do innych paliw, z których można produkować gaz drzewny, drewno zawiera bardzo niewielką ilość popiołu, rzędu 1-2%, co pozwala na prostszą konstrukcję gazogeneratora (mniejszy filtr, mniejszy popielnik).
Zaletą drewna jest również fakt, że nie ma strat związanych z jego przechowywaniem.
Biopaliwa to wszystkie paliwa otrzymywane z biomasy (szczątków organicznych lub produktów przemiany materii roślin lub zwierząt, np. krowiego nawozu). Biopaliwa są odnawialnymi źródłami energii, w odróżnieniu od paliw kopalnych takich jak ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel czy paliwa jądrowe.
Niekiedy za biopaliwa przyjmowane są te paliwa, które przynajmniej w 80% (objętościowo) składają się z substancji otrzymanych z żywych organizmów, zebranych w ciągu 10 lat przed jego wyprodukowaniem.
Podobnie jak węgiel i ropa naftowa, biomasa jest w pewnym stopniu magazynem energii pochodzącej ze słońca. Energia słoneczna jest "wyłapywana" w procesie fotosyntezy przez rosnące rośliny. Jak wszystkie procesy produkcji energii, spalanie biomasy powoduje powstanie odpadów. Jedną z zalet biopaliw w porównaniu do innych rodzajów paliw jest fakt, że energia związana wewnątrz biomasy może być przechowywana nieskończenie długo bez żadnych problemów czy zagrożeń.
Do produkcji biopaliwa w Europie hoduje się przede wszystkim len i rzepak, w USA - kukurydzę i soję, w pozostałych rejonach świata - głownie konopie. Odpady przemysłowe, rolnicze, z produkcji leśnej i gospodarstw domowych mogą również być źródłem energii odnawialnej i służyć do produkcji biopaliw. Przykładem może być słoma, drewno odpadowe, osady ściekowe, kompost, śmieci czy resztki żywności.
Paradoksalnie, w niektórych krajach rozwiniętych (np. w Niemczech), żywność jest tańsza niż biopaliwa, licząc koszt jednego dżula energii. Możliwe jest wykorzystanie ziarna (owsa, pszenicy, kukurydzy) do opalania kotła centralnego ogrzewania.
Biopaliwa mogą być wykorzystywane do scentralizowanej i rozproszonej produkcji energii elektrycznej i ciepła. W roku 2005 około 15% światowego zużycia energii pochodziło z biopaliw. Większość tej energii jest zużywana w krajach rozwijających się do celów grzewczych i do przygotowania posiłków. Szwecja i Finlandia pokrywają odpowiednio 17% i 19% swojego zapotrzebowania energetycznego z biopaliw, co jest bardzo wysoką wartością jak na kraje rozwinięte.
Dziś w wielu krajach na świecie prowadzi się intensywne badania, których celem ma być opracowanie biopaliw zdolnych zastąpić ropę naftową i gaz ziemny. Badania te koncentrują się na taniej materii organicznej, głównie celulozie oraz odpadach z produkcji rolniczej i osadach ściekowych, która ma być źródłem do taniej produkcji gazowego lub ciekłego biopaliwa. Istotne jest przede wszystkim by produkcja wymagała niskich nakładów energetycznych. W związku z tym niektórzy ludzie doszukują się w biopaliwach (przede wszystkim w biomasie) sposobu na obniżenie ilości dwutlenku węgla emitowanego do atmosfery wskutek spalania paliw kopalnych przez zastępowanie tych paliw biopaliwami.
Wśród biopaliw nadających się do zasilania silników spalinowych wymienić trzeba:
· olej roślinny surowy i przetworzony (biodiesel),
· biogaz, który można wykorzystać do zastąpienia gazu ziemnego,
· alkohole - etanol i metanol.
Niekiedy również torf (suszony i ewentualnie brykietowany) uważa się za biopaliwo. Nie spełnia on warunków bycia odnawialnym źródłem energii, ale jest znacznie młodszy (biorąc pod uwagę czas powstania) niż ropa naftowa czy węgiel.
Biogaz jest gazem powstającym w wyniku fermentacji beztlenowej materii organicznej, np. biomasy, odchodów zwierzęcych, osadów ściekowych, biodegradowalnych stałych odpadów komunalnych. Ponieważ powstaje samoczynnie między innymi na wysypiskach, znany jest również jako gaz wysypiskowy.
Podstawowym składnikiem biogazu jest metan, w ilości najczęściej ok. 50%. Resztę stanowi dwutlenek węgla i azot. Zawartości metanu wyższe niż 70% są zazwyczaj jedynie chwilowe (sam widziałem instalację do odgazowania wysypiska, która dawała biogaz o zawartości metanu 78%). W beztlenowym procesie produkcji biogazu niszczone są chorobotwórcze czynniki znajdujące się w materiale wsadowym. Niestety powstający samoczynnie gaz wysypiskowy jest bardzo groźnym gazem cieplarnianym. Z tego względu a także ze względu na możliwość samoczynnego wybuchu gazu na składowiskach odpadów komunalnych instaluje się niekiedy instalacje odgazowujące. Służą one do zbierania gazu, gromadzenia go w jednym miejscu a następnie spalania. Może on być spalany w pochodni lub służyć do zasilania silnika spalinowego lub turbiny gazowej, co pozwala na jego wykorzystanie do produkcji energii elektrycznej i ciepła.
Skład biogazu powstającego na wysypiskach
Składnik
Zakres występowania [%]
Wartość średnia [%]
Metan
30-65
45
Dwutlenek węgla
20-40
35
Azot
5-40
15
Wodór
1-3
1
Tlen
0-5
Tabela ta nie wyczerpuje całego składu biogazu, bo zawiera on również kwaśne składniki, których usunięcie może być konieczne do zastosowania go do jakichkolwiek celów.
Biogaz można produkować sztucznie, poprzez doprowadzanie do fermentacji biodegradowalnego wsadu w środowisku beztlenowym (bez dostępu powietrza), w tzw. komorze fermentacyjnej. Jest ona przygotowana tak, by wytrzymała wzrost ciśnienia spowodowany produkcją biogazu i zapewniał właściwe warunki dla rozwoju bakterii. Biogazownie zazwyczaj buduje się w pobliżu miejsc, w których produkowany jest wsad, np. w gospodarstwach rolnych produkujących duże ilości biomasy (np. słomy) lub odchodów zwierzęcych. Celem ich budowy jest produkcja biogazu albo...utylizacja odpadów.
Przy wilgotności wsadu poniżej 15% albo przy dostępie powietrza produkcja biogazu zostaje zatrzymana. Na szczęście w naszych warunkach klimatycznych wilgotność rzadko spada poniżej 15%. Im większa wilgotność, tym lepiej. Tlen wstrzymuje proces fermentacji metanowej, więc nie wolno dopuszczać powietrza do reagującego materiału.
Ilość i jakość biogazu zależy w dużej mierze od wsadu, tzn. od składu materiału wsadowego do procesu. Jego wartość opałowa jest około dwukrotnie niższa niż gazu ziemnego, co wynika z dwukrotnie niższej zawartości metanu.
Spaliny ze spalania biogazu są znacznie bardziej czyste niż spaliny z węgla czy oleju opałowego i mniej uciążliwe dla klimatu, bo zawierają mniej dwutlenku węgla a więcej pary wodnej. Inna sprawa, że biogaz produkowany z biomasy roślinnej emituje tylko tyle CO2 ile wcześniej rośliny wyciągnęły z atmosfery.
Sprężony i oczyszczony biogaz może zastąpić CNG (sprężony gaz ziemny) jako paliwo dla pojazdów, wykorzystywany w silnikach spalinowych lub ogniwach paliwowych. Może też być wprowadzany do sieci jako zastępczy gaz ziemny -- Substitute Natural Gas.
Wierzba energetyczna jest jednym z gatunków zwykłej wierzby, rosnącym w formie krzewiastej, osiągająca nawet 8 metrów wysokości, z czego w pierwszym roku od posadzenia może przyrosnąć do 3 metrów. Średnią produkcję tej rośliny w polskich warunkach klimatycznych ocenia się na kilkanaście ton suchej masy z hektara plantacji.
Sadzonki wierzby energetycznej.
Rozmnażanie rośliny odbywa się poprzez pocięcie pędów na 20-cm kawałki, które następnie są wsadzane do ziemi, w której następnie się ukorzeniają tworząc nowe rośliny. Na hektar wysadza się średnio 40 000 sadzonek.
Plon zbiera się w cyklu jednorocznym lub dwu-, trzyletnim, po opadnięciu liści z pędów. Najlepsze plony osiąga się ponoć w cyklu trzyletnim, dochodzić mogą one do 22 ton z hektara rocznie. Jedna plantacja może być eksploatowana przez 20-30 lat.
Wartość opałowa zrębków wierzby o 30% wilgotności wynosi ok. 12 MJ/kg. Z tego względu z jednego hektara otrzymać można mniej więcej tyle energii, co z kilku ton węgla kamiennego.
Zrębki wierzby można w prosty sposób otrzymać za pomocą rozdrabniarki do gałęzi. Mogą być one spalane jako paliwo w piecu / kotle, zgazowane, albo przerobione na brykiety / pelety (po dalszym rozdrobnieniu).
Tak rośnie wierzba energetyczna.
Jako paliwo do produkcji gazu generatorowego, wierzba energetyczna jest szczególnie warta uwagi ze względu na jej formę. Ścinane corocznie pędy mają grubość rzędu 10-15 mm, co umożliwia jej rozdrobnienie w taniej ogrodowej rębarce do gałęzi. Zbiór plonu z małej plantacji z powodzeniem może być dokonywany za pomocą piły spalinowej.
Podstawowym składnikiem gazu ziemnego jest metan, najkrótszy i najlżejszy węglowodór (CH4). W jego skład wchodzą również cięższe węglowodory: etan (C2H6), propan (C3H8) i butan (C4H10), azot a także różne związki siarki, na przykład H2S.
Gaz ziemny jest paliwem bardzo wygodnym w użyciu, jednak trudnym w transporcie i przechowywaniu. Przesyła się go głównie gazociągami, można również przewozić go tankowcami w skroplonej postaci (LNG). Gaz ziemny wydobywany razem z ropą naftową często jest po prostu spalany w miejscu wydobycia, bo nie opłaca się jego sprzedaż. W niektórych krajach jest to zakazane, z racji produkowania gazów cieplarniacych, w związku z tym gaz jest niekiedy wtłaczany z powrotem do złoża celem późniejszego wykorzystania.
Metan (CH4), znany także jako gaz błotny i gaz kopalniany to najprostszy węglowodór nasycony (alkan). W temperaturze pokojowej jest bezwonnym i bezbarwnym gazem.
Metan powstaje w przyrodzie w wyniku beztlenowego rozkładu szczątek roślinnych (np. na bagnach). Jako podstawowy składnik gazu ziemniego jest bardzo ważnym paliwem. Spalenie jednej cząsteczki metanu w obecności tlenu powoduje powstanie dwóch cząsteczek wody i jednej dwutlenku węgla. Jest on stosowany jako gaz opałowy i surowiec do syntezy wielu innych związków organicznych.
Do kuchenek gazowych z sieci dostarczany jest gaz ziemny, którego podstawowym składnikiem jest metan.
Właściwości metanu:
· temperatura topnienia -182,6°C
· temperatura wrzenia -161,7°C
· temperatura krytyczna -82,5°C
· ciśnienie krytyczne 46,3 bar
· gęstość 0,717 kg/m3n
· wartość opałowa 50049 kJ/kg = 35897 kJ/m3n
Mieszanina metanu z powietrzem w stosunku objętościowym 1:10 ma własności wybuchowe. Tworzenie się tej mieszaniny w kopalniach węgla kamiennego bywa częstą przyczyną groźnych w skutkach eksplozji.
Metan jest gazem cieplarnianym, którego wpływ jest 22 razy większy niż dwutlenku węgla, a średnia zawartość w atmosferze wynosi 1,7 ppm (w ciągu minionych dwustu lat wzrosła ponad dwukrotnie).
Metan można otrzymywać w procesach Sabatier (z wodoru i CO2) i Fischera-Tropscha. Metan jest również klasyfikowany jako biogaz, ponieważ można go otrzymać przez beztlenowy rozkład materii organicznej. Jego źródłem jest również rolnictwo. Jedna krowa produkuje dziennie ok. 0,6 m3 tego gazu.
LNG (Liquefied Natural Gas) jest produkowany z gazu ziemnego poprzez usunięcie zanieczyszczeń i cięższych węglowodorów a następnie skroplenie go w ciśnieniu atmosferycznym poprzez odpowiednie schłodzenie do temperatury -160°C. LNG zajmuje objętość w przybliżeniu równą 1/600 objętości gazu ziemnego w warunkach normalnych, co pozwala na tani transport na duże odległości. W sytuacji, gdy przesył gazu za pomocą np. rurociągów jest niemożliwy lub nieopłacalny, można go przewozić tankowcami.
Wartość opałowa LNG w przeliczeniu na jednostkę objętości jest podobna do benzyny czy oleju napędowego, jednakże konieczność przechowywania go w drogich zbiornikach kriogenicznych ogranicza zakres komercyjnego stosowania tego paliwa.
Warunki potrzebne aby skroplić gaz ziemny zależą od jego dokładnego składu, późniejszego wykorzystania oraz procesu, który będzie zastosowany podczas skraplania. Najczęściej wykonuje się to w temperaturz...
chomikkoper