Przedrostek bio wywodzi się z języka greckiego i znaczy życie. Dlatego tłumaczenie słowa biologia to po prostu nauka o życiu. Warto wiedzieć co jest bio-masą i dlaczego, wykorzystywana zresztą w różnej formie, jest ona ważnym rodzajem paliwa wykorzystywanym dla celów energetycznych.
Co to biomasa?
Biomasą jest określony materiał pochodzenia roślinnego, czyli materiał organiczny; może on być pochodzenia naturalnego - jego utworzenie odbywa się bez udziału człowieka, ale może też być tworem człowieka, czyli produktem pochodzącym z upraw. Takim dostarczycielem biomasy mogą być uprawy różnych produktów rolnych, ale również mogą to być specjalne uprawy roślin, na tak zwanych uprawach energetycznych. Jedna jeszcze sprawa wymaga dopowiedzenia w wyjaśnianiu co jest biomasą – może nią być również odpad, oczywiście nie każdy. Na przykład, proces przetwórstwa drewna w przemyśle meblarskim wiąże się z wytwarzaniem odpadu drzewnego – tego rodzaju odpad, będący materiałem roślinnym, też spełnia warunki do traktowania go jako materiał biomasowy. Oprócz biomasy roślinnej (fitomasa) może nią być również biomasa zwierzęca (zoomasa).
W dalszej części tego tekstu zajmiemy się biomasą wykorzystywaną dla celów energetycznych.
Biomasa jako biopaliwo
Biomasa w zależności od jej składu chemicznego może być energetycznie wykorzystana albo poprzez jej bezpośrednie spalanie lub, po jej przetworzeniu, może być wykorzystana w formie biogazu lub w formie paliwa płynnego. Dzięki tak szerokim możliwościom wykorzystania jako medium energetyczne, biomasa jest najstarszym i najszerzej stosowanym rodzajem odnawialnych źródeł energii (OZE). Również w naszym kraju biomasa, jako paliwo alternatywne, jest podstawowym źródłem energii pierwotnej, zapewniając 7-dmio procentowy udział wśród odnawialnych źródeł energii.
Biomasą wykorzystywaną dla celów energetycznych, jest:
- drewno, jednak z zaznaczeniem, że wykorzystuje się w tym celu drewno odpadowe oraz drewno bardzo niskiej jakości;
- odpady produkcji rolniczej – trzeba tu zwłaszcza wymienić słomę, ale również wytłoki będące ubocznym produktem wytwarzania oleju z roślin oleistych; energetycznie użyteczną biomasą są również łodygi i kolby kukurydzy; cechy użytecznej energetycznie biomasy mają również odchody zwierząt hodowlanych.
- wśród pozostałych rodzajów biomasy są również niektóre odpady przemysłu spożywczego, takie, jak na przykład wysłodki buraczane z produkcji cukru, i inne pozostałości.
Co jest sprawą najważniejszą w energetycznym wykorzystaniu biomasy?
Biomasę charakteryzuje zerowy bilans emisji ditlenku węgla, co wynika z zamknięcia obiegu, lub jak kto woli, cyklu, dającego się zapisać poprzez następujące składowe (C - oznacza pierwiastek węgiel):
W sposób graficzny, istotę zerowej emisji ditlenku węgla przedstawiono na schemacie 1.
W wyniku spalania biomasy (na schemacie 1 przedstawionej jako pojedyncze drzewo) do atmosfery emitowany jest ditlenek węgla, który pobierany jest przez materiał biomasowy w procesie fotosyntezy. Źródłem energii zawartej w biomasie jest pobrana w tym procesie energia promieniowania słonecznego.
W wyniku spalania biomasy (na schemacie 1 przedstawionej jako pojedyncze drzewo) do atmosfery emitowany jest ditlenek węgla, który pobierany jest przez materiał biomasowy w procesie fotosyntezy. Źródłem energii zawartej w biomasie jest pobrana w tym procesie energia promieniowania słonecznego.
Drewno jako biomasa wykorzystywana energetycznie
Wśród materiału biomasowego wykorzystywanego dla celów energetycznych wyróżnia się drewno. Wielką zaletą masy drzewnej wśród innych rodzajów biomasy oraz pozostałych OZE jest fakt, że ten rodzaj biomasy jest źródłem energii stosunkowo łatwym do pozyskania i magazynowania, dostępny przez cały rok. Źródłem tego rodzaju biomasy są oczywiście przede wszystkim drzewa i krzewy oraz niektóre gatunki roślin, zwłaszcza wieloletnich, zawierające w swej budowie fragmenty które uległy zdrewnieniu. W takich roślinach ich ściana komórkowa, nawet po obumarciu, uzyskuje sztywność dzięki tworzeniu się warstwy ligniny.
Drewno dla celów energetycznych pozyskuje się z lasów oraz plantacji drzew szybko rosnących, czyli takich, które w skróconym cyklu produkcyjnym pozwalają uzyskać dużą ilość surowca drzewnego. W Polsce, rocznie pozyskuje się około 37 milionów metrów sześciennych drewna, z czego na cele energetyczne, w okresie jednego roku, przeznacza się około 6 milionów metrów sześciennych.
Drewno było pierwszym nośnikiem energii od początków cywilizacji. Znacznie, znacznie później ten nośnik energii zaczął być wypierany przez paliwa o wyższej gęstości energii, takich jak węgiel, olej z ropy naftowej czy gaz ziemny. Pojawia się więc pytanie: co dało początkowy, główny impuls prowadzący do współczesnego rozwoju produkcji „zielonej energii”, czyli energii bazującej na spalaniu biopaliw, w tym drewna? Czy ważniejszy był tu światowy kryzys paliwowy, który zaistniał na początku lat 70. poprzedniego stulecia? A może zdecydowały o tym ruchy ekologiczne, wskazujące na konieczność odchodzenia od paliw kopalnych z powodu problemów z klimatem? Niewątpliwie obie te przyczyny dały początek, między innymi, wdrażania tzw. technologii współspalania, polegającej na częściowym zastępowaniu węgla paliwem biomasowym.
Co do czynnika ekologicznego, mającego być powodem wdrażania biopaliw, sprawa nie była jeszcze całkiem jednoznaczna aż do końca lat 80. ubiegłego wieku. Obecnie jednak, po upływie kilkudziesięciu lat od historycznego kryzysu paliwowego lat 70., oczywista jest odpowiedź na pytanie:
Wracając do drewna jako przedstawiciela omawianej tu biomasy. Udział pierwiastka węgiel w drewnie wynosi przeciętnie 50 procent. Pozostały skład drewna tworzy: 43 procent tlenu, 6 procent wodoru i niecały jeden procent azotu oraz ślady siarki; jeden procent związków mineralnych zawartych w drewnie tworzy po spaleniu stałą pozostałość, czyli popiół. Ważną, praktyczną zaletą energetycznego wykorzystania biomasy jest również to, że pozostałość stała, pochodząca z procesu spalania biomasy (czyli popiół) może być w całości zużyta przez rośliny w procesie ich rozwoju - tworzący się popiół można zawracać do gleby. Oczywiście robić tego nie można w przypadku paliw kopalnych, z uwagi na zawartość w popiele, pozostałym z procesu spalania węgla, różnych składników szkodliwych, w tym, metali ciężkich.
Proces wzrostu drzewa, a tym samym proces fotosyntezy zależy m.in. od warunków glebowych i klimatycznych. Zespół badaczy w Finlandii zmierzył ile CO2 pochłania jedno drzewo. Okazało się, że rocznie jedno drzewo lasu sosnowego pochłania około 6-7 kg tego gazu. Oszacowano, że w lesie tym, drzewa, roślinność i gleba na jednym hektarze wiążą łącznie około 43 tony CO2.
Wyniki innych badań wskazują, że 100-letni buk w okresie swojego rozwoju pobiera około 12 milionów metrów sześciennych ditlenku węgla, z czego jednak większa część, po wytworzeniu składników tworzących masę drzewną, powraca z powrotem do atmosfery. Masa drzewna jest jednak trwałym rezerwuarem pierwiastka węgiel w ekosystemie.
Kończąc sprawę bilansu obiegu CO2 w przyrodzie należy dodać, że głównymi, obok lasu, naturalnymi pochłaniaczami tego gazu jest jeszcze gleba i oceany.
Wykorzystanie drewna jako biopaliwa
Proces obiegu ditlenku węgla w przyrodzie, taki jak przedstawiono to na schemacie 1, można przyrównać do zamkniętego obiegu wody w przyrodzie. O ile jednak obieg wody pomiędzy różnymi komponentami środowiska całkowicie się bilansuje, to w praktyce pełne zbilansowanie się obiegu ditlenku węgla zakłóca niestety suma procesów związanych z przygotowaniem biomasy do roli pełnowartościowego biopaliwa – taki proces przygotowania wymaga energii, co wiąże się niestety z emisją CO2 do atmosfery.
W praktyce drewnem energetycznym jest (a przynajmniej, powinien być) surowiec najgorszej jakości, nienadający się do zastosowań przemysłowych. Takim jest drewno pochodzące z cięć sanitarnych - czyli drzew zamierających lub zamarłych na skutek suszy, chorób, działalności szkodników owadzich czy patogenów grzybowych.
Samo drewno, jako paliwo, wykorzystywane jest zwłaszcza w urządzeniach wytwarzania energii którymi są małe jednostki lub obiekty wytwórcze, czyli zwłaszcza w tak zwanej energetyce rozproszonej. Zanim biomasa drzewna przetworzona zostanie do postaci możliwej do wykorzystania jako paliwo w kotłach grzewczych, zostaje rozdrobniona do formy zrębków, czyli takich kawałków jakie pokazano na ostatnim zdjęciu.
Dotychczasowa praktyka wskazuje, że najkorzystniej spalają się zrębki drewna, zaś wióry i trociny powinny być spalane w formie brykietów lub peletów.
Aby palenie drewnem, jako sposób ogrzewania, było procesem energetycznie efektywnym, bezpiecznym, a przy tym wygodnym w obsłudze, wymyślono różne rozwiązania konstrukcji kotłów, pieców i kominków. Nie wchodząc w szczegóły techniczne, wszystkie te urządzenia grzewcze muszą uwzględniać fakt, że mimo iż drewno jest paliwem stałym, to około 80 procent jego wagi spala się jako gaz drzewny. Wymaga to zapewnienia możliwości prowadzenia procesu spalania innego niż w przypadku spalania węgla. Konieczne jest doprowadzenie powietrza powyżej złoża paliwa, czyli w tą przestrzeń kotła gdzie ilość uwolnionych części lotnych jest największa. Niedopełnienie tego warunku to istotna strata będącej rezultatem niezupełnego spalania gazów palnych.
Odgazowanie biomasy drzewnej rozpoczyna się w temperaturze około 220 stopni Celsjusza, zaś ostatnią fazą procesu spalania, kończącą się w temperaturze około 500 stopni, jest termiczny rozkład pozostałości koksowej. Wilgotność ma istotny wpływ na sprawność urządzeń energetycznych stosujących to paliwo. Najniższy poziom emisji pyłów czy tlenku węgla zapewnia drewno o wilgotności około 15 procent. Wysoka wilgotność drewna może obniżyć sprawność pieca nawet o 30-50 procent.
Niestety biomasę drzewną uważa się jako paliwo trudniejsze technologicznie do energetycznego wykorzystania w porównaniu z węglem. Częstym problemem, gdy proces spalania drewna prowadzony jest nieprawidłowo, jest wysoki stopień niecałkowitego i niezupełnego spalenia składników organicznych tego paliwa. Niska jest, w porównaniu z innymi rodzajami paliw kopalnych, gęstość energetyczna drewna; również wyższe jest zagrożenie samozapłonem na etapie magazynowania.
Uwzględniając jednak całkiem spory, naturalny zasób ilościowy biomasy w naszym kraju oraz profity środowiskowe wynikające z jej energetycznego wykorzystania, rola biomasy w energetyce, zwłaszcza pod postacią różnych form jej przetworzenia, będzie się zwiększać. O tych i innych możliwościach energetycznego wykorzystania biomasy warto jednak opowiedzieć oddzielnie, przy innej okazji.
Tekst i zdjęcia: Stanisław Hławiczka
PODOBNE WPISY
0 Komentarze