szacowanie potencjału energetycznego biomasy.pdf

Inżynieria Rolnicza 6(104)/2008

KONCEPCJA SZACOWANIA POTENCJAŁU

ENERGETYCZNEGO BIOMASY NA PRZYKŁADZIE

WYBRANEJ GMINY WOJEWÓDZTWA OPOLSKIEGO

Katarzyna Siejka

Katedra Techniki Rolniczej i Leśnej, Politechnika Opolska

Mariusz Tańczuk

Katedra Inżynierii Środowiska, Politechnika Opolska

Krzysztof Trinczek

Betafence Sp. z o.o., Kotlarnia, woj. opolskie

Streszczenie. W pracy przedstawiono algorytm szacowania potencjału energetycznego bio-

masy pochodzenia roślinnego i zwierzęcego dla określonego obszaru geograficznego. Zapre-

zentowano zależności pomiędzy różnymi rodzajami potencjałów oraz koncepcję algorytmu

szacowania. Na podstawie przyjętych informacji o wielkości poszczególnych upraw, nieużyt-

ków, obszarów leśnych oraz ilości trzody chlewnej dokonano obliczeń wielkości potencjału

dla jednej z gmin województwa opolskiego. Dla wybranych rodzajów biomasy zielonej i po-

chodzenia zwierzęcego wyznaczono potencjał teoretyczny i techniczny energii możliwej do

uzyskania w wyniku jej odpowiedniego przetworzenia do nośnika energii w postaci ciepła.

Wielkość potencjału technicznego dla poszczególnych rodzajów biomasy odniesiono do cał-

kowitego zapotrzebowania na ciepło grzewcze analizowanej gminy.

Słowa kluczowe: biomasa zielona, potencjał energetyczny, szacowanie potencjału, algorytm,

zapotrzebowanie na ciepło

Wstęp

Z uwagi na duży potencjał energetyczny biomasy w Polsce, którego znaczna część jest

tracona w ogólnym bilansie przepływu energii przez dany obszar, celowe jest określenie

warunków do zdecentralizowanej produkcji ciepła i energii elektrycznej z własnych, lokal-

nych zasobów energetycznych [Trinczek 2005].

Wykorzystanie potencjału energetycznego biomasy zarówno w skali globalnej jak i lo-

kalnej uzależnione jest od wielu czynników. Najistotniejszym z nich jest czynnik ekono-

miczny warunkujący powstawanie przedsięwzięć energetycznego wykorzystania biomasy.

Stopień wykorzystania biomasy w skali lokalnej, np. gminy zależy w dużej mierze od pra-

widłowego rozpoznania lokalnych możliwości produkcyjnych biomasy. Wyznaczenie

ilości możliwej do pozyskania energii zwane jest szacowaniem potencjału energetycznego

biomasy.

167

Katarzyna Siejka, Mariusz Tańczuk, Krzysztof Trinczek

Szacowanie potencjału energetycznego biomasy – metodologia

Zgodnie z polskim prawem energetycznym, lokalne władze zobowiązane są do opra-

cowania planów zaopatrzenia w energię i ciepło, które powinny uwzględniać również wy-

korzystanie, lokalnie dostępnych, odnawialnych źródeł energii [Ustawa Prawo Energetyczne].

Niestety z praktyki wynika, iż samorządy gminne nie potrafią oszacować potencjału

energetycznego źródeł odnawialnych z powodu braku odpowiednich procedur i informacji

[Włodarski 2002].

Każdy rodzaj biomasy charakteryzuje się odmiennym sposobem szacowania z uwagi na

różne właściwości fizyczne, dostępność, a także sprawność wykorzystania produktu koń-

cowego dla danej technologii. Ze względu na różnorodność metod wykorzystania biomasy

oraz specyfikę poszczególnych technologii, dokonano oszacowania potencjału energetycz-

nego według dostępnych jej rodzajów. Przy obliczaniu potencjałów energetycznych bioma-

sy ujednolicono jednostkę energetyczną dla ciepła jak i energii elektrycznej jako GW·h/a

(w skali roku) - takie rozwiązanie znacznie ułatwia dokonywanie ilościowych zestawień

wybranych rodzajów biomasy jak i porównań potencjałów w przypadku gdy analiza obej-

muje więcej niż jedną jednostkę terytorialną (np. gminę).

Z punktu widzenia praktycznego wykorzystania uzyskanych wyników szacowania po-

tencjał energetyczny biomasy sklasyfikować można następująco:

– POTENCJAŁ TEORETYCZNY – ilość energii możliwa do wykorzystania z biomasy

pod warunkiem posiadania odpowiednich urządzeń o 100% sprawności (nie uwzględ-

nia się niedoskonałości procesu), a także przy założeniu, że całkowity dostępny poten-

cjał jest wykorzystany tylko na cele energetyczne.

– POTENCJAŁ TECHNICZNY – to ta część potencjału teoretycznego, która może

zostać wykorzystana, pomniejszona z powodu restrykcji technicznych, (sprawność

dostępnych obecnie na rynku urządzeń, czasami potrzeby własne procesu, położenie

geograficzne, magazynowanie energii). Określany zazwyczaj na podstawie szczegóło-

wych analiz technicznych.

– POTENCJAŁ EKONOMICZNY (gospodarczy, rynkowy) – zależny od cen paliw,

wielkości podatków, wskaźników ekonomicznych i wielkości dofinansowania. Jest to ta

część potencjału technicznego, która może zostać wykorzystana po uwzględnieniu kry-

teriów narzędzi ekonomicznych (szczegółowe analizy opłacalności).

– POTENCJAŁ DOSTĘPNY (użytkowany) – strumień energii z biomasy, może być

ostatecznie wykorzystywany na cele energetyczne (z reguły mniejsza od potencjału

ekonomicznego).

Na rysunku 1 pokazano proporcje pomiędzy poszczególnymi rodzajami potencjału.

Ocena potencjału zasobów energetycznych może być przeprowadzana na wiele sposo-

bów, przy czym wybór metody zależy głównie od rodzaju tego potencjału. Dla potrzeb

badań opracowano algorytm szacowania potencjału energetycznego biomasy uwzględnia-

jący stopniowe zmniejszanie się potencjału ze względu na ograniczenia techniczno-

ekonomiczne (rys. 2).

168

Koncepcja szacowania potencjału...

Rys. 1. Rodzaje potencjału energetycznego

Fig. 1.

Pozyskanie informacji

(np. z gminy)

Założenia do obliczeń

areał,

dostępność,

plonowanie,

wielkość zbiorów

pogłowie zwierząt

plon, pozyskanie, ilość

odchodów

(rocznie)

właściwości

fizyko-chemiczne

biomasy, np. zawartość

suchej masy

organicznej, wartość

opałowa

Ilość energii

POTERNCJAŁ

TEORETYCZNY P n

sprawność konwersji energii

chemicznej na ciepło (lub

ciepło i energię elektryczną),

w tym sprawności urządzeń,

wskaźnik potrzeb własnych

procesu

Ilość energii

POTERNCJAŁ

TECHNICZNY P t

założenia finansowe, narzędzia

ekonomiczne,

analiza opłacalności (np. metodą

dyskontową w celu wyznaczenia

wskaźników opłacalności SPB,

DPB, NPV, IRR

Ilość energii

POTERNCJAŁ

UZASADNIONY

EKONOMICZNIE P e

WERYFIKACJA ZAŁOŻEŃ oraz

WERYFIKACJA w TERENIE

Ilość energii

POTERNCJAŁ

UŻYTKOWANY P u

Rys. 2. Uproszczony algorytm wyznaczania wartości potencjału energetycznego

Fig. 2.

169

Energy potential types

Simplified algorithm for determination of energy potential value

Katarzyna Siejka, Mariusz Tańczuk, Krzysztof Trinczek

Wielkość określonego potencjału biomasy w gminie nie jest wystarczająca do podjęcia

decyzji o jego wykorzystaniu. Istotne są dodatkowe informacje o zapotrzebowaniu miesz-

kańców na poszczególne rodzaje energii:

– elektryczną,

– ciepło do ogrzewania mieszkań i do przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.),

– ciepło na przygotowanie posiłków,

– inne np.: na potrzeby sektora publicznego (urzędy publiczne, szpitale, ośrodki zdrowia,

szkoły, przedszkola, biblioteki, domy kultury i inne) czy do napędu pojazdów silniko-

wych, które zostały pominięte w poniższych rozważaniach.

Zbiór powyższych informacji o zapotrzebowaniu energetycznym mieszkańców wraz

z wynikami szacowania danego rodzaju potencjału pozwala na:

– określenie możliwości zbytu na energię w miejscu powstawania biomasy (lokalne

wykorzystanie biomasy pozwala na zmniejszenie kosztów jej transportu),

– wybór rodzaju wytwarzanej energii w sposób ilościowy i jakościowy w danej gminie,

– wykorzystanie informacji do przeprowadzenia analiz ekonomicznych przyszłych inwe-

stycji.

Obliczenia potencjału na poziomie teoretycznym i technicznym pozwalają na uzyskanie

w prosty i szybki sposób informacji o możliwościach zaspokojenia potrzeb energetycznych

dla danej gminy. Wadą prezentowanej metody jest konieczność stosowania dużych uogól-

nień i przybliżeń [Trinczek 2007].

Wyniki szacowania potencjału energetycznego dla wybranej gminy

Na podstawie danych wejściowych wyznaczono wartość potencjału energetycznego na

poziomie technicznym dla wybranych rodzajów biomasy w skali gminy. Obliczeń dokona-

no dla trzech rodzajów konwersji energii chemicznej biomasy:

– konwersja na drodze spalania (produktem jest ciepło w postaci gorącej wody),

– konwersja na drodze fermentacji alkoholowej (produktem jest bioetanol do wytwarza-

nia ciepła w postaci gorącej wody na drodze spalania),

– konwersja na drodze fermentacji beztlenowej (produktem jest paliwo gazowe do wy-

twarzania ciepła w postaci gorącej wody na drodze spalania).

Do wyznaczenia potencjału energetycznego wykorzystano dostępne dane statystyczne

(areał upraw i gruntów w gminie, wielkość hodowli zwierzęcej), informacje o plonowaniu

i dostępności poszczególnych rodzajów biomasy i jej własnościach fizyko-chemicznych

oraz sprawności urządzeń do konwersji energii chemicznej do ciepła (tabela 1, 2 i 3).

Dla każdego rodzaju biomasy wartość potencjału technicznego wyznaczono jako ilo-

czyn wielkości zawartych w tabelach 1, 2 i 3, odpowiednio do rodzaju biomasy. W przy-

padku wytwarzania biogazu z odpadów z produkcji zwierzęcej (odchody) uwzględniono

gęstość odchodów. Wyniki obliczeń zaprezentowano w tabeli 4 oraz na rysunku 2.

170

Koncepcja szacowania potencjału...

Tabela 1. Założenia przyjęte do wyznaczania potencjału energetycznego biomasy przetwarzanej na

drodze spalania w kotle

Table 1. Guidelines assumed for determining energy potential of biomass processed by burning in boiler

Rodzaj biomasy

Areał

A , [ha]

Dostępność

D , [%]

Plonowanie/

przyrost roczny

Pozyskanie

roczne

P , [%]

Wartość

opałowa

W d

Sprawność

konwersji

na ciepło

,[%]

Wierzba Salix -

odłogi i ugory

469

11 t s.m. · ha -1 · a -1

100

13,5 GJ · t -1

Wierzba Salix - łaki 1 537

11 t s.m. · ha -1 · a -1

100

13,5 GJ · t -1

Trawa Miskant -

łąki

1 537

10 t s.m. · ha -1 · a -1

100

14,2 GJ · t -1

Ziarna zbóż 9 596

4 t · ha -1 · a -1

100

14 GJ · t -1

Słoma zbóż 9 596

4 t · ha -1 · a -1

100

17,8 GJ · t -1

Drewno - lasy

7 690

7,73 m 3 · ha -1 · a -1 56 12,2 GJ · m -3 80

Źródło: Trinczek 2005, założenia własne autorów

Tabela 2. Założenia przyjęte do wyznaczania potencjału energetycznego biomasy przetwarzanej na

drodze fermentacji alkoholowej

Table 2. Guidelines assumed for determining energy potential of biomass processed by alcohol

fermentation

Rodzaj

biomasy

Areał

A , [ha]

Dostępność

D , [%]

Plonowanie

roczne

I, [ t · ha -1 ]

Produkcja

bioetanolu

S , [dm 3 · t -1 ]

Wartość

opałowa

W d , [gJ · dm -3 ]

Sprawność

konwersji na

ciepło

, [%]

Buraki

431

Ziemniaki

302

23,4

Ziarna zbóż 9 596

330

Źródło: Trinczek 2005, założenia własne autorów

Tabela 3. Założenia przyjęte do wyznaczania potencjału energetycznego biomasy przetwarzanej na

drodze fermentacji beztlenowej

Table 3. Guidelines assumed for determining energy potential of biomass processed by anaerobic

fermentation

Rodzaj biomasy

Po-

głowie

Z , [szt]

Dostęp-

ność

D , [%]

Ilość

odchodów

o ,

[dm 3 · szt -1

· doba -1 ]

Zawartość

s.m.o.

Z smo , [%]

Ilość

wytworzonego

biogazu b,

[m 3 · kg s.m.o. -1 ]

Wartość

opałowa

W d ,

[gJ · dm -3 ]

Sprawność

konwersji

na ciepło

, [%]

Odpady

z hodowli bydła

3 003

0,40

Odpady

z hodowli trzody

chlewnej

9 480

0,45

21,5

Odpady

z hodowli drobiu

47 449

0,066

0,46

Źródło: Trinczek 2005, założenia własne autorów

171

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: