Tani prąd i ciepło z biomasy i drewna

Tani prąd i ciepło z biomasy i drewna

Wytwarzanie w jednym procesie technologicznym energii cieplnej i elektrycznej nazywane jest kogeneracją.

W zakładach drzewnych rośnie zainteresowanie przetwarzaniem poprodukcyjnego materiału drzewnego na energię cieplną dla potrzeb ogrzewczo-produkcyjnych, ale często pojawiają się pytania o możliwość jednoczesnej produkcji energii elektrycznej. Wytwarzanie w jednym procesie technologicznym energii cieplnej i elektrycznej nazywane jest KOGENERACJĄ.  

– Proces ten odbywa się na tej samej linii technologicznej i wytwórczej, przy wykorzystaniu jednego, wspólnego paliwa pierwotnego – tłumaczy Robert Cichewicz, właściciel firmy Cichewicz, produkującej kotły do przetwarzania biomasy. – Takim paliwem do wytwarzaniu energii skojarzonej może być paliwo stałe, ciekłe, gazowe lub odnawialne. Układ skojarzony wytwarzania takiej energii polega na tym, że produkcja ciepła wymusza produkcję energii elektrycznej, a dzięki zużyciu jednego paliwa pierwotnego do wytwarzania ciepła i prądu uzyskuje się spore oszczędności w zużyciu paliwa.

Nasuwa się pytanie, jakie są główne korzyści wynikające z zastosowania systemu kogeneracji z drewna i biomasy drzewnej?

– Główne korzyści to przede wszystkim oszczędności zużycia paliwa pierwotnego – wyjaśnia rozmówca – a także obniżenie jego kosztów, redukcja importu paliwa, redukcja emisji, czyli wzrost ochrony środowiska, obniżenie strat sieciowych do 10 proc., zwiększenie niezależności energetycznej oraz wykorzystanie lokalnych źródeł paliw i energii. W literaturze branżowej uważa się, że mikroukłady kogeneracyjne są zaliczane i traktowane jako układy skojarzone o wysokiej sprawności. Za wysokosprawną kogenerację uważa się proces produkcji energii skojarzonej, czyli elektrycznej i ciepła, w którym następuje oszczędność w zużyciu paliwa pierwotnego w stosunku do procesów rozdzielonych. System kogeneracyjny o wysokiej sprawności to taki, w którym oszczędności w zużyciu paliw pierwotnych osiągają nie mniej niż 10 proc. w stosunku do porównywalnych procesów rozdzielonych, a także taki, który uzyskuje moc do 1 MWe.

Dwa systemy kogeneracji

Dostępne są różne rozwiązania systemów kogeneracji, wykorzystujące urządzenia energetyczne do produkcji energii skojarzonej. Mogą to być turbiny gazowe, turbiny przeciwprężne parowe, układy ORC, turbiny parowe upustowo-kondensacyjne, silniki spalinowe czy mikroturbiny. W praktyce do sprawnego wytwarzania energii skojarzonej z drewna i jego odpadów stosuje się dwa rodzaje systemów:

– turbiny ORC połączone z kotłem grzewczym i paleniskiem,

– zgazowarki połączone z silnikiem spalinowym tłokowym.

Oba systemy działają już u wielu użytkowników i mają swoje zalety i ograniczenia. 

System ORC do wytwarzania taniego prądu z drewna i jego pozostałości polega na połączeniu turbiny ORC z systemem wytwarzania energii cieplnej w kotle przemysłowym grzewczym. Ma to swoje zalety, bowiem w takim urządzeniu można spalać dość szeroki zakres paliw. Nie muszą być one dokładnie kalibrowane, gdyż do turbiny ORC trzeba podać jedynie czynnik o określonym parametrze. Do jego wytworzenia można użyć dość szerokiego zakresu paliw, np.: zrębki, trociny czy nawet odpady z płyt drewnopochodnych. Ograniczeniem jest duże zapotrzebowanie na ciepło, aby wytwarzać energię elektryczną, np.: w systemie 1,5 MW ciepła osiągniemy produkcję ok. 220 kWel prądu.

Zdecydowanie bardziej korzystne proporcje w wytwarzaniu ciepła i prądu z drewna zapewnia jego zgazowanie w systemie kogeneracji w układzie pirolizy. Proces zgazowania drewna polega na jego konwersji do paliwa gazowego poprzez ogrzewanie w obecności tlenu. Wygląda to tak, że spala się gaz drzewny, który zapewnia niskoemisyjne i wysokosprawne spalanie drewna. W procesie zgazowania energia chemiczna węgla uwalniana jest w postaci energii palnego gazu składającego się głównie z tlenku węgla, dwutlenku węgla, wodoru, metanu, wody i azotu. Ten gaz palny spalany jest w ceramicznej komorze w wysokiej temperaturze. Wytworzony gaz podlega procesowi osuszenia i oczyszczenia, a potem zostaje dostarczony do silnika gazowego tłokowego połączonego z prądnicą. Dzięki takiemu działaniu systemu uzyskuje się większy udział energii elektrycznej w bilansie wytwarzanej energii skojarzonej.

Całodobowy odbiór ciepła

– Niezależnie od tego, który system kogeneracji zostanie wybrany, konieczny jest stały odbiór ciepła przez 24 godziny na dobę – podkreśla rozmówca. – Przy generowaniu prądu w przypadku układu kogeneracji zawsze wytwarzane jest ciepło, które należy zagos-

podarować. O ile duże ciepłownie mają cieki wodne i stawy, gdzie mogą odprowadzać

ciepło na okrągło, to w przypadku mikrokogeneracji oraz małych systemów odprowadzenie ciepła nie jest już tak proste. Jeśli inwestor ma duże całoroczne zapotrzebowanie na ciepło procesowe, np. suszarnię, to sytuacja jest dość komfortowa. Niestety, firm z całorocznym zapotrzebowaniem na ciepło przez całą dobę jest niewiele. Ten czynnik, poza kosztami inwestycji, mocno ogranicza zastosowanie kogeneracji z biomasy i drewna nie tylko w Polsce, ale i na całym świecie.

W przypadku technologii ORC, gdzie uzyskuje się dużo większy udział ciepła w bilansie energetycznym, stawia on technologię kogeneracji jako alternatywę wyłącznie dla wyspecjalizowanych przedsiębiorstw, które muszą wykonać gruntowny biznesplan, jak optymalnie wykorzystać ciepło z energii skojarzonej.

Jak wygląda opłacalność kogeneracji z drewna?

W systemie energii skojarzonej ze zgazowarką, który wytwarza 100 kW ciepła i 40 kW prądu, zużycie paliwa jest na poziomie około 4,5 m3/24 h pracy. W zależności od wartości nasypowej zrębków i ich wilgotności, może to być około 2 ton paliwa na 24 godziny pracy, aby osiągnąć 40 kWel prądu i 100 kW ciepła.

W praktyce rentowność inwestycji w kogenerację zależy od trzech czynników: ceny surowca – czy to nasz odpad albo pozostałość po produkcji; jakości surowca – im bardziej suchy i kaloryczny, tym większa wydajność i sprawność systemu oraz dotacji na zakup systemu kogeneracji, bo jej wysokość wpływa kluczowo na stopę zwrotu z inwestycji.

– Czyli dla wytwarzania energii skojarzonej u klienta, który wytwarza 240 kW ciepła i 100 kWel prądu, zużycie paliwa wynosi już 10 m3/24 h pracy – wylicza rozmówca. – Ile to kg? W dużym stopniu zależy to od kaloryczności paliwa i jego wilgotności, co jest często pomijane przez inwestorów i klientów. Warto zauważyć, że zrębki o wilgotności 12 proc. ważą 450 kg, a już o wilgotności 20 proc. – ponad 100 kg więcej, czyli 550 kg. Dlatego zawsze należy zadać pytanie: czy dobieramy urządzenie według mocy urządzenia czy parametrów paliwa? W systemie kogeneracji jest to bardzo ważne. Bo rachunek jest prosty. Jeśli na 100 kWel prądu trzeba zużyć albo

4,5 t, albo 5,5 t, to tak duża różnica ma wpływ na rentowność całej inwestycji.

Moc według paliwa

czy urządzenia To kluczowa kwestia przy doborze układu kogeneracji. Jeśli dobiera się rozwiązanie według urządzenia, to inwestor naraża się na dobór urządzenia z dużym zapasem błędu. A tylko dobór na podstawie mocy w paliwie ma sens. Dlatego trzeba jasno określić poziom wilgotności zrębków, ich gęstość i wartość opałową. Jeśli chce się mieć kogenerację z peletu czy brykietu – czyli paliw kwalifikowanych, przetworzonych, to zapewniona jest stabilna wartość opałowa wsadu. W przypadku paliw odpadowych, jak zrębki, trociny czy zrzyny, paliwo nie jest kalibrowane, jednorodne i może mieć różne wartości opałowe w stosunku do swoich parametrów.  

~artykuł promocyjny