technologiczne i ekonomiczne aspekty zgazowywania biomasy

TECHNOLOGICZNE I EKONOMICZNE ASPEKTYZGAZOWYWANIA BIOMASY

WARSZTATY WYKORZYSTANIE BIOMASY W INWESTYCJACH MIEJSKICH

dr hab. in�. Brunon J. [email protected]

Instytut Maszyn Przepływowychim. Roberta SzewalskiegoPolskiej Akademii Nauk

80-231 Gda�sk, ul. Fiszera 14(www.imp.gda.pl)

CZTRIMAMI

CENRUM ZAAWANSOWANYCH TECHNOLOGII "Inteligentne �rodowiska dla kontroli ryzyka, sterowania i diagnostyki w przedsi�biorstwach przyszło�ci"

WARSZTATY WYKORZYSTANIE BIOMASY W INWESTYCJACH MIEJSKICH2

1. Wst�p

2. Technologiczne aspekty zgazowywania biomasy

3. Ekonomiczne aspekty zgazowywania biomasy

4. Przykłady instalacji

5. Podsumowanie

6. Literatura

Plan prezentacji

CZTRIMAMI

WARSZTATY WYKORZYSTANIE BIOMASY W INWESTYCJACH MIEJSKICHWARSZTATY WYKORZYSTANIE BIOMASY W INWESTYCJACH MIEJSKICH3

1. Wst�p

Biomasa jest powszechnie uwa�ana za najwi�kszy - po promieniowaniu słonecznym –zasób odnawialnej energii. Wielko�� tego zasobu mo�e by� regulowana w granicach dysponowanego areału rolnego, którego wi�ksza lub mniejsza cz�� mo�e by�przeznaczana na uprawy energetycznych ro�lin. W wielu krajach UE obszar upraw ro�lin energetycznych mo�e zosta� jeszcze znacznie zwi�kszony, a rozwa�a si� upraw� biomasy tak�e na morzu w strefach przybrze�nych.

Pozyskiwanie energii elektrycznej z biomasy wymaga posłu�enia si� jedn� ze znanych technologii energetycznych. W zale�no�ci od wyboru rodzaju silnika nap�dzaj�cego generator energii elektrycznej – turbina parowa, turbina gazowa, silnik wysokopr��ny, silnik ga�nikowy –konieczne jest odpowiednie przygotowanie b�d� nawet przetworzenie biomasy stosownie do wymaga� wybranej technologii energetycznej.

Procesem przetwarzania biomasy pozwalaj�cym korzysta� z wielu technologii energetycznych, w tym tak�e z bezpo�redniej konwersji energii chemicznej paliwa na energi� elektryczn�w ogniwach paliwowych, jest zgazowaniezgazowanie biomasy.

Produktem zgazowania biomasy mo�e by� gaz b�d� BIOw�giel® (inaczej - biocarbon), o warto�ci opałowej bliskiej warto�ci opałowej w�gla kamiennego [1].

CZTRIMAMI

Biomasa BIOw�giel®


CZTRIMAMI

Wykorzystanie BIOw�gla® nie ró�ni si� od wykorzystania w�gla kamiennego poza tym, i� radykalnie zmniejszona jest emisja zanieczyszcze� �rodowiska.W szczególno�ci BIOw�giel® mo�e by� bez �adnych ogranicze� dodawany do w�gla kamiennego, i współspalanie tych paliw nie wymaga �adnych absolutnie przeróbek instalacji kotłowej.

Głównym przedmiotem zainteresowania w niniejszej prezentacji jest otrzymywanie- oraz wykorzystanie - gazu ze zgazowania biomasy.

Otrzymywanie gazu na drodze zgazowania paliw – tak�e biomasy – jest znane od dawna, i w pewnych okresach było w przeszło�ci stosunkowo szeroko stosowane. Obecnie ponownie zwrócono na nie uwag�, ze wzgl�du na d��enie do zast�powania paliw kopalnych paliwami pochodzenia ro�linnego, zapewniaj�cych dzi�ki recyklingowi CO2zmniejszenie tempa wzrostu zawarto�ci CO2 w atmosferze oraz zmniejszenie emisji szkodliwych dla naturalnego �rodowiska.

Wymagania co do składu gazu uzyskiwanego ze zgazowania biomasy musz� uwzgl�dnia�z jednej strony warunki techniczne wynikaj�ce z zapewnienia mo�liwie długotrwałej bezawaryjnej pracy silników nap�dzanych tym gazem, z drugiej strony mo�liwie wysok�efektywno�� energetyczn� przy mo�liwie małym negatywnym wpływie na naturalne �rodowisko.

Technologie energetyczne oparte na wykorzystaniu gazu ze zgazowania biomasy musz�naturalnie by� konkurencyjne w stosunku do innych technologii energetycznych. Jak si�okazuje, o ich konkurencyjno�ci cz�sto decyduj� lokalne uwarunkowania rynku paliw i energii.

Biomasa jest uwa�ana przy tym za jedyny zasób odnawialnej energii, który mo�e by� �ródłem paliw i produktów opartych na w�glu (patrz poni�ej).


CZTRIMAMI

(http://www.supergen2005.inter-base.net/docs/14%20Overend%20-%20April1-rpo.pdf)

�ródło: [2]


CZTRIMAMI

Na wyj�tkowej pozycji w�ród innych zasobów energii odnawialnej stawia biomas� mo�liwo�� pozyskiwania

wył�cznie z biomasy, poprzez jej zgazowanie, paliw i produktów chemicznych opartych na w�glu.

�ródło:[3]


2. Technologiczne aspekty zgazowywania biomasy

CZTRIMAMI

Bardzo dobr� ilustracj� stanu bada� nad zgazowywaniem mo�e by� przytoczona poni�ej ilustracja, pokazuj�ca wysoko�� planowanych przez USA nakładów finansowych na poszczególne grupy zagadnie� zwi�zanych z wdra�aniem do praktyki technologii zgazowania.

�ródło:[4]


CZTRIMAMI

�ródło:[6]


Generalnie zgazowanie biomasy mo�e by� przeprowadzone przy u�yciu powietrza b�d�pary wodnej, z ewentualnym dodatkowym podawaniem tlenu. Ró�nice mi�dzy

otrzymanymi ze zgazowania (w warstwie fluidalnej - [5]) produktami ilustruje tab. 1 poni�ej.

CZTRIMAMI

< 145 ÷ 60%N2

9 ÷ 113 ÷ 6%CH4

20 ÷ 2512 ÷ 16%CO2

25 ÷ 3013 ÷ 18%CO

35 ÷ 4011 ÷ 16%H2

12 ÷ 144 ÷ 6MJ/m3Warto�� opałowa

para wodna z tlenempowietrze

Czynnik zgazowuj�cy

Tab.1. Skład gazu ze zgazowania biomasy w zale�no�ci od czynnika zgazowuj�cego, z [5].

W zale�no�ci parametrów prowadzenia procesu zgazowania otrzymuje si� przy tym ró�ne produkty. W polskim nazewnictwie rozró�nia si� – w�ród ró�nych rodzajów gazu – gaz powietrzny i gaz wodny (ang. – „producer gas” i „syngas”). U�ywana jest te� w j�zyku polskim ogólniejsza nazwa gaz generatorowy (który mo�e by� mieszanin� obydwu wy�ej wymienionych) – gaz powietrzno-wodny).


CZTRIMAMI

W procesie zgazowania wyró�nia si� na ogół 4 etapy, w których kolejno nast�puj�, w coraz to wy�szej temperaturze, procesy fizyczno-chemiczne:

suszenie piroliza oksydacja redukcja

200 < T (oC) < 800 (950)

�ródło: (http://www.fh-flensburg.de/cat/VERGAS_1/PRINZI_1/prinzi_1.HTM)

> 850 K

700 K – 850 K

H2, CO,CH4, Wärme oderPyrolyseöle, organische Säuren

� � 0Pyrolyse

> 750 KH2, CO, CO2,CH4, N2, Wärme 0 < � < 0,9Vergasung

> 750 KCO2, H2O, N2, Wärme� > 0,9Verbrennung

TemperaturenWichtige ProdukteLuftzahlbereichProzessklasse

Zgazowanie przebiega przy niedomiarze powietrza, to znaczy - w odró�nieniu od spalania – przy braku tlenu w stosunku do stechiometrycznego zapotrzebowania tlenu (λλλλ = 1) niezb�dnego do całkowitego spalenia (utlenienia) paliwa - tab. poni�ej.

Piroliza, w odró�nieniu od zgazowania, prowadzona jest przy braku powietrza (tlenu)w ogóle i przy doprowadzaniu ciepła w ilo�ci zapewniaj�cej utrzymanie odpowiednio wysokiej temperatury powoduj�cej termiczny rozkład substancji.

Piroliza mo�e by� prowadzona jako proces docelowy, w celu otrzymania ciekłych produktów chemicznych (tab. poni�ej).


CZTRIMAMI

�ródło:

�ródło: (1_summer_school_guessing.pdf)

Otrzymywany gaz zawiera jednak z reguły szereg składników, które trzeba usun��.


CZTRIMAMI

Składniki zawarte w gazie otrzymywanym w wyniku procesu gazyfikacji s� gro�ne dla urz�dze�, w których gaz jest wykorzystywany. W pierwszym rz�dzie odnosi si� to do silników wewn�trznego spalania i turbin gazowych, ale tak�e – cho� w mniejszym stopniu – kotłów.

W szczególno�ci gro�nym składnikiem gazu s� smoły (ang. – „tar”), których ilo�� zale�y od rodzaju zgazowywanej substancji oraz od sposobu prowadzenia procesu zgazowania (rys. powy�ej).

�ródło: [ 7 ]


CZTRIMAMI

Nic wi�c dziwnego, �e oczyszczanie gazu uzyskiwanego w wyniku procesu zgazowania jest jednym z najwa�niejszych problemów do rozwi�zania, i wi��e si� to �ci�le z dogł�bnym poznaniem zjawisk zachodz�cych podczas procesu gazyfikacji.

Wag� tych dwóch „barier technicznych” ilustruje dobrze udział nakładów przeznaczonych na ich pokonanie w cało�ci �rodków na rozwój zgazowania w USA.

�ródło: [4]


CZTRIMAMI

Za D. Wiliamsem*) mo�na przytoczy� wskazania, wynikaj�ce z praktyki wykorzystywania gazu powietrznego jako paliwa do silników wewn�trznego spalania (poni�ej - �ółty kolor tła mo�na traktowa� jako swego rodzaju ostrze�enie).

Here are a few less known facts about producer gas and engines.

"Clean" Producer Gas:

High 110+ octane anti knock properties. Spontaneously combust at about 571 degrees C. Can be compressed up to 16:1 ratio Is a slow burning high torque fuel (like steam) Stoichiometric ratio 0.9/1.2:1, impossible to ignite outside of these limits,

so cannot burn lean or rich mixtures. Steam addition or moisture content does not enhance combustion. Humidity or moisture in gas will carry carbon blacks through most filtration systems,

last chance separation of both is after gas/air mixer. Wet gas is dirty gas. Producer gases separate into laminar flows in pipelines, and after turbulence

(passing through fan) will separate again within one metre. Quantity of dust of carbon (<10mg/Nm3) in gas is only a yardstick. Particle size

is also important as they create impact sites on their way into the engine. Engine wear particles are anything over 2 microns. (Talcum powder is about 10 micron). Engine life is determined by acid oil erosion not wear. By-pass cellulose filters needed on engine oil system.

*) Doug Williams, Fluidyne Gasification Ltd.http://www.fluidynenz.250x.com/


CZTRIMAMI

�ródło: [13]


CZTRIMAMI

Tabele powy�ej podaj� dopuszczalne zawarto�ci niepo��danych składników gazu ze wzgl�du na wykorzystanie w turbinie gazowej, wg jednego z raportów.

Kolejnym co do wa�no�ci problemem do rozwi�zania jest dostarczanie materiału do zgazowania – biomasy (por. udziałnakładów na rys. powy�ej). Tytułem przykładu mo�na poda� przedstawion� w [8] analiz� cech podajników.

Odr�bn� – bardzo wa�n� spraw� – jest logistyka dostaw biomasy.

�ródło: http://www.dep.state.pa.us/dep/deputate/pollprev/Wood%20Gasification%20Decision%20Making%20Guide.pdf


CZTRIMAMI

Nale�y zwróci� uwag� na bardzo istotny fakt, i� d��enie do uzyskania „ bardzo czystego” gazu z gazyfikacji biomasy wynika nie tylko z konieczno�ci zapewnienia długotrwałej bezawaryjnej pracy silników gazowych, tłokowych b�d� turbin.

Wykorzystanie biomasy do celów produkcji energii elektrycznej to wykorzystanie tylko cz��ci – i to zdecydowanie mniejszej cz��ci – mo�liwo�ci.Badania procesów zgazowania biomasy s� prowadzone w ramach tzw. Platform Termochemicznych – i chyba wa�niejszym celem tych prac (ni� produkcja energii) jest opanowanie metod pozyskiwania surowców, półproduktów i produktów chemicznych.

Naturalnie małe kogeneracyjne �ródła energii wykorzystuj�ce biomas� mog�i powinny korzysta� z wyników bada� prowadzonych na potrzeby technologii chemicznych. Nieuchronnie jednak skala inwestycji – mała, �rednia, du�a – jest przyczyn� odmiennego rozło�enia priorytetów i wyboru okre�lonej technologii.

Na potrzeby zaopatrzenia jednego budynku raczej mało prawdopodobne jest instalowanie reaktora zgazowuj�cego z cyrkulacyjnym zło�em fluidalnym, wraz z całym wyposa�eniem stosowanym w bardzo du�ych instalacjach.

Ilustruje ten problem – wyboru technologii wraz z urz�dzeniami – kolejna strona prezentacji (poni�ej).

Jak wynika z przytoczonych wyników analiz, dla małych mocy – poni�ej 500 kWe –najbardziej zasadne jest wykorzystanie reaktora z ci�giem dolnym („ downdraft” ) współpracuj�cego z silnikiem gazowym.


CZTRIMAMI

�ródło: [9]


CZTRIMAMI

�ródło: [9]

Techniczne warunki sukcesu wdro�enia instalacji z reaktorem zgazowuj�cym– podane w [9] – wydaj� si� trudne do spełnienia w �wietle przedstawionych

uprzednio informacji co do konieczno�ci dalszych bada� zgazowania biomasy.

Jednak – jak oka�e si� dalej w niniejszej prezentacji – powstało ju� sporo dojrzałych rynkowo konstrukcji w zakresie małych mocy, pracuj� pomy�lnie – i s� oferowane – tak�e instalacje wi�kszej czy wr�cz wielkiej mocy.


CZTRIMAMI

Bardzo dobr� analiz� uwarunkowa�wyboru technologii zgazowania zawiera niedawno opublikowane opracowanie [11], szczególnie przydatne dla polskich potencjalnych inwestorów.

Jak stwierdzaj� autorzy [11], w zasadzie ka�dy projekt instalacji ze zgazowaniem biomasy jest projektem indywidualnym, w ramach którego nale�y przeprowadzi�badania lokalnych warunków jego realizacji i eksploatacji.

[11]

Przyst�pny opis procesu zgazowania zawarty jest w prezentacji [12].


3. Ekonomiczne aspekty zgazowywania biomasy

Z punktu widzenia opłacalno�ci produkcji energii elektrycznej pierwszorz�dne znaczenie ma porównanie kosztów produkcji tej energii przez ró�ne �ródła wykorzystuj�ce odnawialne zasoby energii. Porównanie takie przedstawia ilustracja poni�ej, zaczerpni�ta z [10].

CZTRIMAMI

�ródło: [10]

(jasnoniebieski kolor słupka przedstawia zakres waha� kosztów)


CZTRIMAMI

�ródło: [9]

Podj�te w mi�dzynarodowej współpracy prace badawcze i rozwojowe maj� na celu wydatne obni�enie kosztów inwestycyjnych oraz podniesienie sprawno�ci elektrycznej �ródełenergii wykorzystuj�cych zgazowanie biomasy, jak ilustruje to tabela powy�ej.


CZTRIMAMI

Bardzo interesuj�ce wyniki analizy porównawczej przedstawione zostały w [13], gdzie zbadano relacje mi�dzy kosztami instalacji opartych na turbinie parowej, silniku gazowym i turbinie gazowej (przyj�to koszt paliwa 45 €/t 2,4 €/GJ)

�ródło: [13]


CZTRIMAMI

�ródło: [13]

Z przedstawionych danych wynika, i� dla małej mocy atrakcyjniejsze od turbiny parowej s� silnik gazowy i turbina gazowa, odwrotna sytuacja wyst�puje dla wi�kszej mocy.


CZTRIMAMI

Przewaga silnika i turbiny gazowej nad turbin� parow� zaczyna wyst�powa� tak�e przy wi�kszych mocach, je�li poza energi� elektryczn� jest wykorzystywane ciepło, lecz zale�y ona wyra�nie od liczby godzin wykorzystywania ciepła w ci�gu roku.

Przedstawione wyniki analizy – z 2001 r. – poza wnioskami „ merytorycznymi”(dotycz�cymi konkretnych cen i kosztów) ujawniaj�, i� ró�nice mi�dzy poszczególnymi opcjami instalacji z ekonomicznego punktu widzenia s� małe.Dlatego warto pokusi� si� przy wyborze wariantu – jak uczynili to autorzy [13] –tak�e o analiz� wra�liwo�ci wska�ników ekonomicznych na zmiany warto�ci głównych składników kosztu.


CZTRIMAMI

Nale�y tak�e uwzgl�dni� ró�ne w ró�nych krajach wspieranie przechodzenia do „ zielonej energetyki” (poni�ej - stan na 2001 r., z [13])

�ródło: [13]


CZTRIMAMI

Orientacyjne dane – dla rynku ameryka�skiego – zawiera doskonałe opracowanie [8], w którym tak�e zwraca si�uwag� na konieczno�� odr�bnej analizy dla ka�dego obiektu.


CZTRIMAMI

�ródło: [8]

Jako swego rodzaju przewodnik do analizowania inwestycji �ródła energii wykorzystuj�cego biomas� mo�na wskaza� algorytm przedstawiony w [8], gdzie zawarte s� tak�e cenne informacje dotycz�ce dost�pnych rozwi�za� technicznych.

Przy korzystaniu ze �ródełinformacji dotycz�cych kosztów instalacji trzeba zachowa� daleko posuni�t� ostro�no��, z uwagi na zło�ono�� uwarunkowa� w ró�nych krajach – wystarczy wskaza� cho�by zasadnicze ró�nice w kosztach biomasy.


4. Przykłady instalacji CZTRIMAMI

Wybrane przykłady instalacji pochodz� z całego �wiata.

Intensywne prace nad rozwojem i wprowadzeniem na rynek małych instalacji wykorzystuj�cych zgazowanie biomasy prowadzone s� w USA, w tym mobilnych - BioMax.

Pojawiła si� oferta takich instalacji tak�e w Europie – w Irlandii (InnovationTechnologies Ireland Ltd.) - pochodz�ca z Nowej Zelandii.

Oferowane małe instalacje s� sprawdzone w działaniu.

Pracuj� du�e instalacje, budowane s� kolejne przez mi�dzynarodowe zespoły zainteresowane badaniami i gromadzeniem danych eksploatacyjnych.

Głównym celem budowy i bada� du�ych instalacji pozostaje wykorzystanie biomasy do pozyskiwania półproduktów i produktów chemicznych.


CZTRIMAMI


To slide 34-y

CZTRIMAMI


CZTRIMAMI


CZTRIMAMI

1100 550 Mega Class

140 70 Atlantic Class

70 35 Pacific Class

30 15 Laboratory Class

Heat Output in kWthElectricity Output in kWeGasifier Class

Laboratory Class

Atlantic Class

Pacific Class

Mega Class

http://www.innovation-tech.co.uk


CZTRIMAMI


5. Podsumowanie CZTRIMAMI

W ci�gu ostatnich lat mo�na obserwowa� rosn�ce ci�gle zainteresowanie �ródłami energii wykorzystuj�cymi zgazowanie biomasy.Wzrasta liczba instalacji, cho� ci�gle jeszcze nie nast�piłradykalny przełom.

Wielcy inwestorzy czekaj� ...(pilnie obserwuj�c rozwój techniczny i ceny paliw).

technologiczne i ekonomiczne aspekty zgazowywania biomasy

Documents

Transcript of technologiczne i ekonomiczne aspekty zgazowywania biomasy