Pozyskiwanie energii elektrycznej z biomasy(wybrane problemy)

Autorzy: Adam Guła1, Adam Hmpel2

1) 1. Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie2) 2. KISE - The Krakow Institute for Sustainable Energy

wykład na Studiach podyplomowychw ramach modułu:

Rozproszone źródła energii/efektywność konwencjonalnych źródeł energii

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie5 Marca 2010

WBREW TEMU, CO NIEKTÓRZY ZDAJĄ SIĘ ZAKŁADAĆ

BIOMASA jest

ZASOBEM OGRANICZONYMdostępność terenów uprawnych, jakość gleby, klimat ...

... lecz równieŜ środki finansowe na inwestycje

biomasę moŜna wykorzystywaćdo celów energetycznych

na róŜne sposoby:

• jako paliwa silnikowe (biopaliwa)• do produkcji energii elektrycznej• do celów grzewczych

jednakŜe, potrzebujemy jej równieŜ jako Ŝywności !!

• …………jako paszy

• …………do rekreacji

• …………do ochrony róŜnorodności biologicznej

dostępne zasoby biomasy

nie mogą

zaspokoić tych wszystkich potrzeb

jednocześnie

musimy wybierać !!

Zatem

mamy tu do czynienia z typowym zagadnieniem optymalizacyjnym

potrzebne jest odpowiednie narzędzie

(model matematyczny)

do wsparcia procesu decyzyjnego

(powinie być on dostatecznie uniwersalny i przyjazne dla uŜytkownika)

taki model nadal pozostaje do opracowania !!

w przeciwnym razie będziemy podejmować decyzje

NIEOPTYMALNE lub wręcz BŁĘDNE

(włączając w to te na szczeblu UE)

TECHNOLOGIA TECHNOLOGIA AGRALNAAGRALNA

BOTANIKABOTANIKA

KOGENERACJA

SILNIKI

ELEKTRYCZNOŚĆ

CIEPŁO

GENERACJA ROZPROSZONA

GAZOWAGAZOWA

ŚŚRODOWISKORODOWISKO

BIOTECHNOLOGIABIOTECHNOLOGIA

POZIOM 1

POZIOM 2

STASTAŁŁAA

CIEKCIEKŁŁAAKONWERSJAKONWERSJA

SPALANIE BEZPOŚREDNIE

CIEPŁO ELEKTRYCZNOŚĆ

KOGENERACJA

CIEPŁO

ELEKTRYCZNOŚĆ

TRANSPORT

DWA POZIOMY OPTYMALIZACJI

BADANIA I ROZWÓJ

• Maksimum:• redukcji emisji gazów cieplarnianych (problem globalny)

• substytucji ropy i gazu (problem krajowy)

• zysku (gotówka, zbywalne certyfikaty) (korzyści indywidualne)

• lub

• Minimum:

• kosztów osiągnięcia zamierzonych celów

• powierzchni wymaganych do zagospodarowania gruntów

FUNKCJA CELUposzukujemy np:

Taki model musi zostać opracowany !!

w przeciwnym razie nadal będziemy podejmowaćSUBOPTYMALNE, lub wręcz BŁĘDNE

decyzje

(włączając w to doraźne cele ustanowione przez UE)

INVERT

Investing in RES & RUE TechnologiesModel for Saving Public Money

Simulation tool to support the design of efficient promotion schemes

Developed under the EU ALTENER Programme by the consortium :

• TUWIEN (Haas) (AT)

• FHG (DE)

• AGH & FEWE (PL) RISOE (DK)

• CEEETA (PT)

• ACE (UK)

• DuTh (GR)

Projekt UE 4BIOMASS

Promowanie ZrównowaŜonego Wykorzystania Odnawialnych Źródeł Energii

w Europie Środkowej

WP 3: ZrównowaŜone Wykorzystanie Biomasy 3.1 Transnational Tool Development

Joint Management Tool (JMT)

www.4biomass.eu

Polska stanowi przykład niewłaściwego

(lub w znacznym stopniu sub-optymalnego)

wykorzystania zasobów biomasowych

(oraz środków publicznych wspierających jej wykorzystanie)

Przykładem tego jest:

wykorzystanie biomasy stałej do produkcji energii

elektrycznej (współspalanie z węglem w kotłach pyłowych)

PROBLEM

Biomasa do produkcji energii elektrycznej, czy ciepła ??

Wykorzystanie biomasy stałej w Polsce

jest (nadal) motywowane głównie

Dyrektywą 2001/77/EC„ w sprawie promocji energii elektrycznej ze źródeł

odnawialnych na wewnętrznym rynku energii elektrycznej”

2,2% 2,6%3,2%

4,0%

5,3%

7,5% 7,5% 7,5% 7,5% 7,5%

9,0%9,0%9,0%9,0%9,0%

7,5%

6,0%

4,8%

3,6%3,1%

10,4%10,4%10,4%10,4%10,4%

8,7%

7,0%

5,1%

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

Gre

en e

lect

rici

ty f

ract

ion

Ordinance 2001 Ordinance 2005 Ordinance 2006

Polski cel indykatywny w dla „zielonej” energii elektrycznej

POLSKA:

• Kraj nizinny – niewielki potencjał energii wody

• Niewielki teŜ potencjał energetyki wiatrowej

• DuŜe (CHOĆ OGRANICZONE) zasoby biomasy

ZATEM:

Współspalanie biomasy z węglem

PROBLEMY

Przykłady problemów techniczych:

Dr Eng.

Z.Bębenek, AGH

Slagging of ash

at higher (red) and

cooler (blue)

temperature pipes

from left-to-right

hard coal (hc)

(hc)+10%WP,

brown coal (bc),

bc+10%WP

WP=wood pellets

dramatic

increase with

addition of WP

is observed

especially for

brown coal

40.0 39.2

5.4

12.6

46.6

13.0

57.0

37.5

0

10

20

30

40

50

60

węgiel kamienny węgiel kamienny -WP 10% wegiel brunatny węgiel brunatny - WP 10%

zdo

lno

ść d

o Ŝ

uŜl

ow

ania

[m

g/g

Ash

]

zdolność do ŜuŜlowania - rura I zdolność do ŜuŜlowania - rura IIWP -pelety z drewna

t (rura I) = 1055 - 1063 °Ct (rura II) = 1219 - 1226 °C

t (rura I) = 989 - 1007 °Ct (rura II) = 1138 - 1163 °C

fractional remainder of the ground material on the seaves

of the grinding mill for different pure coals

and coal+20% biomass (right-most green column)

0

2

4

6

8

10

12

14

BOGDANKA WESOŁA MYSŁOWICE

WIECZOREK PIAST Biokasa 20%, Węgiel 80%

[%]

remainder of pure coal (left) and

coal +biomass (right)

on the seaves of the grinding mill after grinding of100 t of the input mass

Producenci energii elektrycznej

NIGDY BY SIĘ NA TO NIE DECYDOWALI, GDYBY DZIAŁANIA TE NIE BYŁY

(SUTO?) KOMPENSOWANE

JAK?

ZA KAśDĄ MWh „ZIELONEJ” ENERGII PRODUCENCI OTRZYMUJĄ

ok. 3 RAZY WIĘCEJ NIśza MWh wyprodukowaną z węgla

(około 70-80 EUR / MWh więcej)

ten dodatkowy koszt jest ponoszonyprzez KAśDEGO konsumenta energii elektrycznej

ukryte subsydiowanie (hidden subsidy)

szereg ekspertów jest zdania, Ŝe współspalanie biomasy z węglem

do produkcji energii elektrycznej jest MARNOWANIEM

pieniędzy i dostępnych zasobów biomasy

PobieŜne szacunki wykazują,

Ŝe duŜo lepszym rozwiązaniem dla Polski

byłoby wykorzystanie biomasy

przede wszystkim

do produkcji ciepła na terenach wiejskich

Zajmijmy się tylko rzędem wielkości,

0

5

10

15

20

25

2005 2010 2015

Ele

ctri

city

pro

du

ctio

n

[TW

h]

Goal RES without biomass

According to the According to the aforementionedaforementioned targets,targets,The annual green electricity productionThe annual green electricity production shouldshould be be roughlyroughly:: 17 – 18 TWhOOf f thisthis amountamount windwind andand hydro hydro cancan covercover onlyonly aboutabout:: 6-7 TWh

zatem

około 10 TWh energii elektrycznej

musi być wyprodukowane z biomasy

„ukryte subsydia” na „zieloną” energię elektryczną

wynoszą

70 €/MWh • 10 TWh/rok =

700 mln €/rok !!

onacza to, Ŝe

700 mln €/rok x 20 lat =

14 bln €!!

Na przestrzeni około 20 lat

t.j. w czasie eksploatacji nowoczesnego kotła biomasowego,

te ukryte subsydia wyniosą

czy istnieje jakaś lepsza alternatywa

dla wykorzystania tych środków,

dla osiągnięcia tych samych celów końcowych

(redukcji emisji CO2)?

Małe kotły grzewczedo wykorzystania na terenach

wiejskich

10 10 TWhTWh energii energii elektryczelektrycznnejej

stanowistanowi

3636 PPJJ energii cieplnejenergii cieplnej

Gospodarstwo rolne w Polsce wymaga przeciGospodarstwo rolne w Polsce wymaga przecięętnietnie 30 kW30 kWna cele grzewczena cele grzewcze,,co w polskich warunkach oznacza okoco w polskich warunkach oznacza okołłoo 240 GJ /rok

Oznacza to, Oznacza to, ŜŜe e 10 10 TWhTWh energii cieplnej energii cieplnej zaspokaja zapotrzebowanie na ciepzaspokaja zapotrzebowanie na ciepłło przezo przez

150 000 150 000 gospodarstgospodarstww

Przy czym

OSIĄGAMY TAKI SAM EFEKT REDUKCJI EMISJI CO2

faktycznie ZNACZNIE WIĘKSZY!gdyŜ omijamy

STRATY ENERGI ZWIĄZANE Z TRANSPORTEMI PRZYGOTOWANIEM PALIWA W KOŃCOWEJ FORMIE

Bariera:Bariera:

rolnicy zazwyczajrolnicy zazwyczaj nie dysponujnie dysponująąddostatecznymi ostatecznymi śśrodkamirodkami na zakup na zakup

i instalacji instalacjęę nowoczesnego kotnowoczesnego kotłła na biomasa na biomasęę

niezbniezbęędne jest wsparcie finansowedne jest wsparcie finansowe

SKSKĄĄDD??

Jakiej wysokości subsydia do zielonego ciepłabyłyby potrzebne aby osiągnąć taki sam efekt

ekologiczny redukcji emisji CO2?

Rachunki wykonane przy uŜyciu

wspomnianego juŜ modelu INVERT pokazały Ŝe

subsydia w wysokości 40%

do typowej inwestycji biomasowej o mocy 20-40 kW

znacząco pobudziłyby rynek

(i obniżyły koszty pojedynczej inwestycji poprzez efekt skali)

INVERT

Investing in RES & RUE TechnologiesModel for Saving Public Money

Simulation tool to support the design of efficient promotion schemes

Developed under the EU ALTENER Programme by the consortium :

• TUWIEN (Haas) (AT)

• FHG (DE)

• AGH & FEWE (PL) RISOE (DK)

• CEEETA (PT)

• ACE (UK)

• DuTh (GR)

Coal boilers

Straw boilers Coal stoves

Takie subsydia w wysokości 40%

do typowej inwestycji instalacji kotła o mocy 20-40 kW

wyniosłyby około 2000 EUR/gospodarstwo

co daje

(gdyby wykorzystać biomasę potrzebną dla tych 10 TWh „zielonej energii):

2000 EUR x 150 000 sztuk = 300 mln EUR

TYLKO !!

Jest to mniej niŜ 700 mln, które w ramach „ukrytych subsydiów”

poniosą konsumenci energii elektrycznej

w jednym zaledwie roku

W czasie 20 lat eksploatacji kotła, subsydia te wyniosłyby

20 x 700mln = 14 bln EUR(!) co jest odpowiednią liczbą do porównania

tzn.

za około 2% !!!sumy tych „ukrytych subsydiów”

odniesiemy taki sam efekt

(w rzeczywistości większy)

redukcji emisji gazów cieplarnianych

dodatkowo działania te spowodują:utworzenie miejsc pracy w regionie

pobudzenie lokalnej gospodarki

poprawę jakości Ŝycia ludności

poprawę jakości lokalnego środowiska naturalnego

High investment costsHigh investment costs –– howhow toto remedyremedy::

eeffectffect of scale +of scale + financialfinancial ssupportupport

First project in Trzcianne commune in Northeast Poland

- 41 small individual boilers (25-50 kW)

- 3 larger ones (100-300 kW)

In a single project (decreased transaction costs)

(could be scaled-up to ca. 200+ units)

Location: Chrzelice ( southern Poland )Boiler type: EKOPAL RM 30 (100 kW)Application: heating of two single-family houses

Przykłady instalacjiChrzelice 100 kW

AGH, 180 kW

prosty i efektywny kocioł grzewczy na biomasę

stanowi szansę dla Polski

oraz innych krajów

w Europie środkowo-wschodniejtakich jak np. Słowacja, Ukraina, Litwa, ...

równieŜ w północnej części Chin

słoma

wiatr

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

dCO2 (MtCO2)

0

5

10

15

20

25

30

gradient (kgCO2/€)

DziDzięękujemy za uwagkujemy za uwagęę