Energetska efikasnost Biomasa iz šuma za proizvodnju toplotne električne energije

Biomasa iz šuma za proizvodnju toplotne električne energije

Biomasa u širem smislu predstavlja ukupnu masu organskih materija ekosistema nastala biohemijskom sintezom

Biomasa u širem smislu predstavlja ukupnu masu organskih materija ekosistema nastala biohemijskom sintezom. Ona je prirodni akumulator Sunčeve energije koja se fotosintezom pretvara u biohemijsku.

Sagorevanjem biomase oslobađa se upravo ona količina ugljen dioksida koja je fotosintezom potrošena iz atmosfere (za rast 1 m3 drveta potroši se iz atmosfere 750 kg CO2).

Sa energetskog stanovišta pod biomasom se podrazumevaju drvo (šumsko i ostaci iz drvoprerađivačke industrije) i ostaci iz poljoprivrede (slama, stabljike, koštice itd.).

Trećina kopnene površine Zemlje (oko 3,9 · 109 ha) pokrivena je šumom. To prirodno bogatstvo nije jednoliko raspoređeno. U severnim predelima se nalazi 33 %, u predelima sa umerenom klimom 11 %, a 56 % u suptropskom i tropskom pojasu. Isto tako, 60 % tog bogatstva nalazi se u sedam zemalja (Brazil, DR Kongo, Indonezija, Kanada, Kina, Rusija i SAD), a samo Rusija poseduje ¼ svetske površine pod šumama.

Procenjuje se da se zbog ilegalne seče bez pošumljavanja, pretvaranja velikih šumskih površina u plantaže (za palmino ulje, soju) i šumskih požara, površina pod šumama u svetskim razmerama smanjuje za 14 do 16 · 106 ha godišnje, dok statistika Organizacije za hranu i poljoprivredu (FAO) za period 2000 – 2007 godine navodi prosek od 7.2 · 106 ha godišnje.

Sa energetskog stanovišta pod biomasom se podrazumevaju drvo

Drugačije je stanje u zemljama EU koje poseduju svega 4 % svetske površine pod šumama, ali planskim upravljanjem i pošumljavanjem iz godine u godinu povećavaju svoju površinu pod šumama pa za period 2000 – 2005 taj porast iznosi 3 · 106 ha.

Godine 2008. zemlje EU su imale 8,5 · 104 ha zasađenih brzorastućim energetskim nasadima, od čega oko 4 · 104 ha otpada na vrbu i topolu, dok su ostalo rogoz, trska i nešto konoplje. U tome prednjače Velika Britanija, Finska, Švedska, Italija i Poljska.

Pri planiranju svakog projekta pa i kogeneracijskog postrojenja na biomasu, tri su ključna pitanja:

  • gorivo (svojstva, cena, isporučilac)
  • postrojenje i pogon (tehnički koncept, proizvođač i isporučilac opreme, investicioni troškovi i investitor)
  • proizvedena energija (mesto i način preuzimanja, ko preuzima, otkupna cena)

Drvo kao gorivo

Drvo se danas i u razvijenim zemljama sve više koristi u energetske svrhe. Potpuno automatizovana postrojenja moguća su sa loženjem na drvnu sečku i pelete. Pri tome za drvo vredi:

  • neutralno je u odnosu na emisiju gasova staklene bašte
  • domaći je izvor energije (otvara radna mesta za dobavu)
  • obnovljivi je izvor energije (planskim upravljanjem šumski fond se obnavlja)
  • može se skladištiti i uvek biti na raspolaganju
  • štedi na zalihama fosilnih goriva
  • smanjuje rizik transporta

Za energetske svrhe drvo se koristi u obliku:

  • cepanica i oblovine
  • peleta
  • briketa
  • drvne sečke
  • ostataka iz drvno prerađivačke industrije

Cepanice i oblovina (manjeg prečnika) izrezani na dužinu prema veličini ložišta su klasičan oblik ogrevnog drveta. Automatizacija loženja je teško ostvariva pa u obzir dolazi samo ručno loženje za male sisteme grejanja. Energetska vrednost najviše zavisi od sadržaja vode, a neznatno od vrste drveta.

Energetska vrednost najviše zavisi od sadržaja vode, a neznatno od vrste drveta

Peleti se dobivaju presovanjem piljevine i strugotine suvog drveta (sa manje od 10% vode) kroz odgovarajuće matrice bez dodavanja hemijskih vezivnih sredstava. U primeni su od 1999. godine. Toplota koja nastaje trenjem pri presovanju aktivira prirodna vezivna svojstva lignina i uzrokuje spajanje drvenih vlakana.

Lignin je vidljiv kao sjajna površina peleta. Peleti su standardizovani otpresci cilindričnog oblika prečnika 4 – 10 mm i dužine do četvorostrukog prečnika (DIN 51731 i DIN plus, ONORM M 7135). Zbog povećane gustine (> 1120 kg/m3) i male vlažnosti (< 10 %) peleti imaju veliku ogrevnu vrednost (18000 kJ/kg) ili (5 kWh/kg). Prema EN 14961 koja je u probnoj fazi primene od 2006. godine, prečnik peleta može biti do 25 mm, dužina do 100 mm, a sadržaj vode do 20 %.

Zbog oblika i veličine peleta punjenje ložišta se može automatizovati. Primenjuju se za manje sisteme grejanja (za porodične kuće i poslovne prostore).

Briketi se dobijaju presovanjem suvog usitnjenog drveta bez dodavanja vezivnih sredstava kao i peleti, ali su većih dimenzija (uobičajen prečnik do 100 mm, a dužine do 150 mm i više). Primenjuju se za male sisteme grejanja stambenih i poslovnih prostora, punjenje ložišta je ručno. Takođe se koriste kao zamena za ugalj (za isti toplotni učin dobija se manje pepela).

Drvena sečka se sastoji od mašinski usitnjenih komada šumskog drveta i/ili ostataka od industrijske prerade drveta. Prikladna je kao gorivo za velike sisteme (toplane i kogeneracijska postrojenja) zbog mogućnosti automatskog punjenja ložišta.

Ogrevna vrednost sečke od šumskog drveta zavisi od vlažnosti (sveže posečeno drvo ili odležalo preko leta na sunčanom i provetrenom mestu) i sastavu (udeo granja, lišća i kore). Drvna sečka za energetsku namenu je standardizovana. Veličina sečke može biti:

  • G 30 sečka srednje veličine (dužina do 50 cm, pojedinačni komadi dužine do 25 cm i površine poprečnog preseka do 10 cm2)

Vlažnost sečke je sledeća:

  • W 20 osušena na vazduhu
  • W 30 koja se može držati u skladištu
  • W 35 koja se ograničeno može držati na skladištu
  • W 40 vlažna (nije za uskladištenje)
  • W 50 od sveže poprečnog drveta (nije za uskladištenje)

Sečka vlažnosti 20 – 29,9 % smatra se dobro suvom, a vlažnosti od 30 – 34,9 % suvom. Sečka koja ima vlažnost 35 – 39,9 % je vlažna, a 40 – 49,9 % jako vlažna (odgovara vlažnosti sveže posečenog drveta). Važnost primene drveta za energetske svrhe radi zamene fosilnih goriva (ulja za loženje i prirodnog gasa) vidljiva je iz poređenja potrebnih količina energenata za proizvodnju iste količine energije (npr. 15000 kWh), tabela 1.

Budući da u kogenerativnim postrojenjima loženje mora biti automatizovano, kao gorivo praktično u obzir dolazi samo drvena sečka. Loženje peletima se takođe može automatizovati, ali je cena peleta viša od cene sečke.

Tabela 1

Osnovni pojmovi za šumsku biomasu

Kubni metar (nem. Festmeter, engl. Solid cubic meter) je prostor 1 m3 popunjen drvetom bez ikakvih međuprostora (jednak je drvenoj kocki zapremine 1 m3). Prostorni metar (nem. Raummeter, engl. Piled/stacked cubic meter) je takođe 1 m3 popunjen naslaganim cepanicama ili oblovinom (uključujući međuprostore).

Prostorni metar neposečenog drveta koji služi za izračunavanje drvenog potencijala nekog područja (nem. Vorratsfestmeter, Vfm) obuhvata stabla i grane s korom minimalnog prečnika 7 cm na slabijoj strani.

Prostorni metar sveže posečenog drveta (nem. Erntefesmeter, Efm) odgovara prostornom metru neposečenog drveta umanjenom do 20 % (gubitak kore pri seči).

Nasipni metar (nem. Schüttraummeter, engl. Poured/tipped cubic meter, loose cubic meter) je 1 m3 popunjen sečkom ili nasutim cepanicama ili oblovinom dužine oko 30 cm. Drugim rečina, 1 m3 odgovara 1,4 prostorna metra, odnosno 2,5 – 3 nasipna metra.

Vlažnost biomase

Vlažnost drvne biomase određuje se kao udeo mase vode u celokupnoj masi vlažne biomase:

Vlažnost biomase

gde je:
W – vlažnost [ – ]
m – masa vlažne biomase [kg]
mv – masa vode (vlage) u biomasi [kg]
ms – masa suve biomase [kg]

Često se u pojedinim slučajevima vlažnost iskazuje u odnosu na masu suve biomase i naziva se mokrim udelom. Veza između vlažnosti i mokrog udela je kako sledi:

Veza između vlažnosti i mokrog dela

pri čemu je U mokri deo.

Vrlo često se veličine W i U iskazuju i u procentima. U tabeli 2 data je zavisnost mokrih udela i vlažnosti u procentima.

216-Tabela-Zavisnost-mokrog-udela-i-vlaznosti

Kao što se može videti iz prethodnih podataka, vlažnost drvne biomase može biti veoma različita, a ako se tome doda da i toplotna masa ove biomase zavisi od vlažnosti, onda je to veoma važan faktor koji se mora pažljivo analizirati pri izboru goriva, ali i pri proveravanju tehničkih karakteristika ložišta ili pri ekonomskoj analizi primene odabranog ili raspoloživog goriva.

U nedostaku tačne vrednosti toplotne moći za određene vlažnosti drvne bimase, mogu da se koriste sledeće empirijske formule:

216-Odredjivanje-vlaznosti-drvene-biomase

Elementarni sastav suve drvne mase gotovo da i ne zavisi od vrste drveta. Pošto su azot i tragovi alkalnih metala i fosfora zanemarljivi, za drvo se računa sa sledećim prosečnim sastavom drvne mase (maseni udeli)

49,6 % ugljenik (C)
6,3 % vodonik (H2)
44,1 % kiseonik (O2)

Poznavajući maseni udeo pojedinih elemenata na osnovu sledeće formule može da se izračuna donja toplotna moć goriva:

216-Donja-toplotna-moc-drvene-mase

gde je:
Hd – donja toplotna moć drvne mase, MJ/kg
c, h, o, s, w – maseni udeli pojedinih elemenata (ugljenik, vodonik, kiseonik,
sumpor i voda) kg/kg

U tabeli 3 data je ogrevna vrednost (donja toplotna moć) drveta po jedinici mase u zavisnosti od mokrog udela.

216-Tabele

U tabeli 6 su dati glavni sastojci drveta

216-Tabela-6

U tabeli 7 su date gustine različitih vrsta mekog drveta

216-Tabela7

U tabeli 8 su date gustine različitih vrsta tvrdog drveta

216-Tabela8

Budući da udeo vlage ima odlučujući uticaj na toplotnu moć drveta, mogućnost uskladištenja i cenu, određivanje što tačnijeg sadržaja vlage (udeo vlage) u praksi je od velike važnosti, a najraširenija metoda je sušenje uzorka u ispitnoj komori.

Različite vrste drveta neznatno se razlikuju po hemijskom sastavu. Zbog toga nema značajne razlike u donjoj toplotnoj moći listopadnog i četinarskog drveta vezano za srednju gustinu (atro). Nešto veću toplotnu moć imaju četinari zbog većeg sadržaja smole i lignina (to je visokomolekularni polimer isprepleten s celulozom i hemicelulozom od koje se ne može razdvojiti mehaničkim postupkom)

S obzirom na gustinu drveta u potpuno suvom stanju (atro) razlikuju se meke (do 550 kg/m3) i tvrde vrste drva (više od 550 kg/m3). Listopadno drvo uopšteno ima veću gustinu od četinara, pa listopadno drvo ima uopšteno i veću energetsku vrednost po jedinici zapremine.

Iznimke su vrba i toplota koje su bogate celulozom, a imaju srazmerno malu toplotnu moć. Stvarne vrednosti zavise od starosti drveta i mesta na kojem je drvo raslo i delu stabla od kojeg je dobijena sečka.

Povećanjem udela vlage zapremina drveta raste (drvo bubri) dok se ne postigne zasićenje vlaknaste strukture (19 – 25 % udeo vlage), što ima uticaja na gustinu vlažnog drveta. Obratno vredi za smanjenje zapremine (skupljanje) pri sušenju drveta na udeo vlage manji od 25 %. Ta promena zapremine iznosi, npr. za bukvu 17,9 %, za hrast 12,2 %, za smreku 11,9 %, a za bor 12,1 %.

Trulo drvo, osim gubitka mase, gubi i deo svoje energetske vrednosti. Ispitivanja jelovih i bukovih trupaca koji su bili uskladišteni dve godine pokazali su prosečni gubitak mase od 8 % u odnosu na suvu supstancu sveže posečenog drveta.

216-Biomasa-4

Toplotna moć donja (ogrevna vrednost) po naspinom metru smanjila se u tom periodu prosečno za 6 %. Zato je pravilno uskladištenje drveta od velike važnosti za toplotnu moć sa stanovišta smanjenja vlažnosti i sprečavanja stvaranja truleži.

Idealno mesto za odlaganje drvne sečke radi predsušenja mora biti provetreno, izloženo suncu, imati suvu podlogu, biti u blizini šume i pristupačno za kamione cele godine.

Sušenje prirodnom konvekcijom zasniva se na razlici temperature nasipne sečke i temperature okoline. Topli vazduh koji se diže iz nasipne sečke sa sobom nosi vlagu. Preduslov za sušenje prirodnom konvekcijom je gruba sečka (ivice dužine oko 5 cm) i dobro provetravanje skladišta. Negativno na sušenje deluje veliki udeo sitne sečke i lišće. Sečke ne bi trebalo držati na skladištu duže od tri meseca.

Ispitivanja su pokazala da se pravilno uskladištenoj gruboj sečki u toku dva meseca udeo vlage smanji za oko 20 % i padne na manje od 25 %. U principu bi pre iveriranja trebalo drvu smanjiti udeo vlage na 30 %, što se može postići držanjem trupaca i granja na prikladnom odlagalištu i nekoliko meseci.

Čista energija kao isplativo ulaganje

Čista energija može biti isplativo ulaganje ako se to uistinu želi. EU je postavila obavezujuće ciljeve do 2020., prema kojim bi 20 % energetskog miksa do te godine trebalo biti pokriveno iz obnovljivih izvora, dok bi emisije gasova staklene bašte trebalo smanjiti za 20 %. S obzirom na to da EU istovremeno želi biti predvodnik u borbi protiv klimatskih promena, mogli bi se očekivati strožiji zahtevi.

Ostvarivanje tih postavljenih ciljeva znači brojna ulaganja u obnovljive izvore. Kao što je poznato, trenutno ne vidiku nije nijedno rešenje za proizvodnju energije koje bi to moglo omogućiti.

216-Biomasa-5

Kako ostvariti ciljeve EU do 2020.?

Kako bi se mogli ostvariti postavljeni ciljevi EU do 2020. godine potreban je niz energetskih postrojenja na biomasu raznih veličina od malih, za snabdevanja lokalnih zajednica, preko kogeneracionih postrojenja srednje veličine, do velikih elektrana koje istvoremeno mogu koristiti i biomasu i fosilna goriva.

Koncept lokalne elektrane podrazumeva proizvodnju toplotne i električne energije, koje se u takvom postrojenju proizvode, troše upravo za lokalnu privredu, a gorivo je uobičajeno lokalno. Uz to, lokalno znači i mogućnost usluga servisa na lokalnom nivou i usku saradnju sa korisnicima opreme i lokalnim partnerima celi vek trajanja postrojenja.

Uzimajući u obzir trenutno stanje svetske privrede, važno je naglasiti da se takvim postrojenjima može dati zamah lokalnoj privredi.

Modularna postrojenja su direktan odgovor rastućim zahtevima za visokoefikasnom i istovremeno ekološkom proizvodnjom električne i toplotne energije iz malih, lokalnih energetskih postrojenja na biomasu. Pri tome se fleksibilnom potrošnjom goriva, smanjuju uticaji na životnu sredinu.

Proračunima je utvrđeno da su emisije ugljen dioksida iz postrojenja instalisane snage 5 MWe tokom celog veka trajanja za čak 700000 tona manje od onih iz istog takvog kogeneracijskog postrojenja na prirodni gas.

Sve više raste interesovanje za postrojenja manjih snaga, odnosno za postrojenjima snage 2 MWe i 3 MWe.

216-Biomasa-6

Novi način razmišljanja i tehnologije kao pretpostavke za ostvarivanje energetskih ciljeva

Ostvarivanje ciljeva EU u vezi sa obnovljivim izvorima zahteva nove načine razmišljanja i primenu novih tehnologija. U skladu s tim, celo se vreme provode opsežna istraživanja na području primene raznih vrsta biomase, a posebno goriva koja se dobijaju iz otpada i upotrebe.

Takva istraživanja nisu ograničena ni na jednu firmu ni na jednu zemlju, već na njima usko sarađuju različite interesne grupe. Najveći izazov u budućnosti, s obzirom na stalan porast cena goriva, predstavlja omogućavanje iskorišćavanja goriva vrlo niskog kvaliteta. Postoji dovoljno prostora za nove tehnologije koje mogu dovesti do novih, važnih otkrića.

U skladu s tim, prema budućnosti se mora gledati zajedno sa korisnicima i razmišljati o rešenjima koja su ekonomski isplativa i istovremeno prihvatljiva za životnu sredinu. Kada se govori o energetskim strategijama, ciklusi traju generacijama. Odluke i aktivnosti koje se čine brzo i dovoljno rano garantuju uspeh i konkurentnost.

Zbog toga je upravo sada, više nego ikada ranije, pravo vreme za one koji rade. Najvažnije je pronaći rešenje za snižavanje troškova ulaganja uz istovremeno omogućavanje goriva koja su lošijeg kvaliteta, ali stoga i jeftinija.

Korišćenje biomase u energetske svrhe

Na slici 1 prikazani su načini konverzije biomase. Svaka od tih konverzija je komercijalna, ali je ipak vrlo teško dati prednost bilo kojoj od njih. Svaka primena zahteva analizu uvažavajući posebnosti u primeni i potrebe u energiji korisnika biomase.

Postoji nekoliko razloga za povećanje interesovanja za proizvodnju gasovitih goriva iz biomase. Najznačajniji je u boljem prilagođavanju goriva koje odgovara ne samo za sagorevanje, nego i za motore sa unutrašnjim sagorevanjem ili gasne turbine. Osnovni problem kod biomase jeste mala energetska vrednost po jedinici mase, pa se biomasa prerađuje kako bi se dobio pogodniji oblik za transport i skladištenje.

Tako prerađena biomasa je jednostavnija za transport i nepoželjni polutanti i inertne supstance su uklonejne u procesima da bi gorivo bilo čistije.

216-slika1-Konverzija-biomase

 

Piše: Dr Dragan Škobalj