Коришћење биомасе у енергетске сврхе у области термоенергетике са освртом на аспект ЗЖС Светлана Мирковић Јовичић Факултет техничких наука, Чачак Инже

Транскрипт

1 Коришћење биомасе у енергетске сврхе у области термоенергетике са освртом на аспект ЗЖС Светлана Мирковић Јовичић Факултет техничких наука, Чачак Инжењерски менаџмент, Мастер за инжењерски менаџмент, 2014 Др. Милан В. Плазинић Апстракт - Биомаса се дефинише као биоразградиви део производа, отпада или остатака из пољопривреде, шумског отпада и отпада сродних индустрија као и биоразградивих делова индустријског и градског отпада. Биомаса се јавља у природи или као нус производ човекових делатности у више појавних облика као отпад биљног порекла из пољопривреде и шумарства,отпад биљног порекла из прехрамбене индустрије за производњу топлотне енергије,влакнасти биљни отпад из производње целулозе и папира из целулозе за производњу топлотне енергије из процеда коинсинерације,отпад пореклом из дрвно прерађивачке индустрије осим дрвног отпада који може да садржи халогенована органска једињења или тешке метале пореклом из средстава за заштиту дрвета. Abstract - Biomass is defined as the biodegradable fraction of products, waste and residues from agriculture, forestry waste and waste related industries as well as the biodegradable part of industrial and municipal otpada.biomasa occurs naturally or as a by-product of human activities in several forms as a waste product of plant origin from agriculture and forestry, waste vegetable origin of the food industry for the production of thermal energy, fibrous vegetable waste from pulp and paper from pulp for the production of thermal energy from proceda co-incineration, waste originating from the wood processing industry in addition to wood waste which may contain halogenated organic compounds or heavy metals originating from the wood preservative. Кључне речи Обновљиви извори, енергетски потенцијал биомасе, косагоревање, технолошки потенцијали, животна средина. Keywords - Renewable sources of energy potential of biomass co-combustion, technological resources, environment. УВОД Основни задатак овог рада је сагледавање могућности енергетског коришћења биомасе са посебним нагласком на анализу косагоревања биомасе са угљем у термоенергетским постројењима за производњу електричне енергије.посебна анализа биће посвећена разматрању и дефинисању различитих метода и процеса косагоревања. Основни изазови коришћења биомасе као потенцијалног горива у

2 термоенергетским постројењима имали би позитиван утицај са аспекта смањења потрошње фосилног горива (угља) и заштите животне средине. Енергетске кризе седамдесетих година, као и сазнање да су резерве фосилних горива ограничене и коначне, а загађење околине при коришћењу фосилних горива значајне довеле су до истраживања и коришћења обновљивих извора енергије. Обновљиви извори енергије представљају изворе који се добијају у природи и имају способност обнављања; у целости, или делимично ефикасном и еколошки прихватљивом употребом природних или вештачки изазваних процеса.између сунчеве, геотермалне, хидро и енергије ветра, биомаса има највећи потенцијал и перспективу у садашњем развоју технологија за коришћење обновљивих извора енергије.потребно је дефинисати потенцијале обновљивих извора енергије, али највећа пажња биће посвећена биомаси коју је могуће искористити за добијање електричне енергије.у сировине за производњу биомасе спадају различите врсте отпада, биљног и животињског порекла, као што су: кукурузовина, коштице од воћа, стајско ђубриво али и разне врсте индустријског и градског отпада.биомаса има више карактеристика фосилних горива него обновљивих извора, са разумљивим разлогом јер су фосилна горива управо настала разградњом биљних остатака у веома дугом временском периоду. 1. КОРИШЋЕЊЕ БИОМАСЕ У Србији постоје многи примери коришћења биомасе у енергетске сврхе. То су углавном мала постројења на локацијама где се непосредно јављају остаци биомасе. Многа од тих постројења изграђена су крајем седамдесетих и током осамдесетих година. Разлог за градњу ових постројења била је енергетска криза са течним горивима, па су се на многим местима котлови и ложишта на теча горива замењивала новим на биомасу или угаљ.поред могућности коришћења биомасе на поменутим постројењима предпоставља се да у Србији постоје још многе локације на којима се налазе значајне количине биомасе које се не користе.све количине биомасе које се не користе требало би да уђу у нове билансе и да се посматрају као потенцијална горива која би сагоревала са угљем у постојећим котловима.поред свега наведеног видимо да биомаса може да се користи на много различитих начина, али је за Србију најперспективније коришћење биомасе за: загревање простора у домаћинствима и зградама коришћењем брикета и пелета од биомасе, производњу електричне енергије у северним деловима коришћењем пољопривредне биомасе, а у јужним деловима коришћењем остатака индустрије и отпада, даљинско грејање - посебно у јужним деловима Србије, где још увек није развијена мрежа за дистрибуцију природног гаса, и где се за потребе даљинског грејања користе мазут и угаљ; у овим случајевима би се уз коришћење фосилних горива могла користити и биомаса или би се могла извршити потпуна замена горива.највећа баријера за значајније коришћење биомасе у Србији је што је цена коришћења електричне енергије нижа у поређењу са другим алтернативама.поред тога, не постоји довољно искустава у коришћењу

3 биомасе у енергетске сврхе, нити развијено тржиште за продају опреме за коришћење биомасе или биомасе као горива.сагласно споразуму из Кјотоа, може се очекивати да ће Србија у догледно време бити приморана да знатно више користи обновљиве изворе енергије. Повећање коришћења биомасе у производњи енергије може се постићи једновременим активностима у више области. Неопходно је успоставити однос цена енергената који неће давати предност увозним енергентима и електричној енергији. Поражавајуће је да је последњих година у сеоским домаћинствима све значајнија употреба електричних термоакумулационих пећи јер цена електричне енергије и комфор то омогућавају. Заједничко ангажовање домаће привреде и истраживачких институција, кроз поједине демонстрационе пројекте, било би изузетно значајно за освајање појединих технологија и знања из области енергетског искоришћења биомасе.у пољопривреди треба створити услове да пољопривредна газдинства што више користе сопствене остатке биомасе за производњу енергије, односно стимулисати организовање што више енергетски независних фарми.у следећем примеру може се видети делимичмо искоришћење биомасе за загревање пластеника и побољшање производње другух производа. Пољопривредна корпорација Београд (ПКБ) је највеће пољопривредно предузеће у Србији и у власништву је града Београда. Основне делетности предузећа су ратарство и сточарство, са укупно ~ ha обрадиве површине. Производња у ПКБу се првенствено састоји од ратарских култура (кукуруз, пшеница, јечам, соја, уљана репица и шећарна рапа), млека и поврћа.у укупној производњи биомасе остаци ратарских култура: соја са ~5.760 t/год и кукуруз са ~ t/год предсатвљају значајан део у потенцијалу биомасе која може да се користи као гориво.сваке године после жетве, велике количине сојине сламе (~3.000 t/год) и кукурузовине ( t/год) остају на пољима. У исто време у изграђеном постројењу снаге 1,5 MW за загревање 1 ha пластеника, које ради три грејене сезоне успешно с користи сојина слама као основно гориво, док је пробано коришћење балиране кукурузовине и сламе од уљане репице.на основу дефинисаног представљен је преглед потенцијала за коришћење биомасе у Србији и то су: Пољопривредни остаци: слама, лишће, делови воћака итд. Енергетске житарице: житарице које брзо расту као што су репа, кромпир и дрвеће као што су врба или хибридни платан итд. Пољопривредне житарице као што су различите врсте шећерне репе, трска, кукуруз итд. Остаци животињског порекла: Биогас Шумски отпаци: неискоришћено дрво, отпаци клада и пањева, полудивље дрвеће итд. Индустријски отпад: индустрије које производе органски отпад, као што је случај са индустријом

4 пића, прехрамбена индустрија и сл. Градски отпад: и ако овај отпад садржи токсичне материје, као што су обрађивано дрво, батерије које садрже живу и друге опасне материје, има отпада као што су папир и биљни отпаци који се могу искористити као извор биомасе. 2. ПОТЕНЦИЈАЛИ ОБНОВЉИВИХ ГОРИВА ПРЕМА ВРСТИ И КОЛИЧИНИ У излагању и дефинисању потенцијала биомасе у Србији потребно је сагледати могућности сагоревања биомасе са угљем у постојећим котловима. Предности сагоревања чврстог обновљивог горива (SRF - Solid Recovery Fuel) у односу на угаљ су следеће: Дугорочна доступност, Већа и уједначена доња топлотна моћ (Hd) у односу на лигнит (Hd=18,7 MJ/kg za SRF, Hd=8 МЈ/kg за лигнит), Релативно ниска призводна цена, Дугорочност у предвиђењу цена и Сматра се једним делом CO 2 неутралним, великим делом је биолошког порекла (50-80%). Приликом дефинисања врста чврстог обновљивог горива, потребно је дефинисати и количине обновљивих горива у наредних неколико година да би се у потпуности познавао период сагоревања биомасе са угљем. У табели 2.2 дефинисане су количине отпада у периоду од до године. Са аспекта сагоревања биомасе у постојећим котловима и угља морају бити тачно дефинисане количине биомасе у датом временском периоду. У даљем тексту рада биће извршено поређење биомасе са угљем и дефинисане основне разлике између угља и биомасе. Табгла 2.2. Колжчжнг оежада ж жоегнцжјалнг колжчжнг SRF с РС [2]. Потенцијал Отпад (t/год) SRF (t/год) SRF (MWhe/год) Пажљиво планираним поступком управљања шумским потенцијалом, повећава се принос биомасе који се може остварити из области шумарства, односно остатак биомасе која се добија из дрвно - прерађивачке индустрије. Република Србија, која је претежно пољопривредна земља, поседује велики потенцијал коришћења биомасе пореклом од пољопривреде, шумарства и индустрије прераде дрвета.технички искористив годишњи енергетски потенцијал биомасе у Републици Србији износи око 2,7 Mtoe.Енергетски потенцијал биомасе од шумарства и дрвне индустрије (сеча дрвећа и остаци од дрвећа произведени у току примарне и/или индустријске прераде дрвета) се процењује на приближно 1,0 Mtoe, док би око 1,7 Mtoe потиче од пољопривредне биомасе (пољопривредног отпада и остатака из ратарства, укључујући и

5 течно стајско ђубриво). Биомаса се традиционално користи за производњу топлотне енергије и процењена је на 0,3 Mtoe, што је еквивалент енергији природног гаса у вредности од 637 милиона USD. У Акционом плану за биомасу, као најперспективније могућности за коришћење биомасе у Републици Србији наводе се: загревање стамбених јединица и индустријских погона коришћењем пелета или брикета пореклом од биомасе, ко-сагоревање или потпуна замена ложења мазута или угља у топланама, производња електричне струје коришћењем остатака из пољопривреде и дрвне индустрије и производња биогорива. Основне термоенергетске карактеристике дрвета су: топлотна моћ, садржај ВОЦова, ИР, количина и састав пепела, густина, влажност дрвета, итд. Употребна вредност дрвета као енергента може се адекватно проценити уколико је могуће израчунати његову горњу топлотна моћ. 3. ПРИМЕНА БИОМАСЕ У ПРОИЗВОДЊИ ЕЛЕКТРИЧНЕ ЕНЕРГИЈЕ У многим европским земљама биомаса се већ увелико користи за задовољавање дела енергетских потреба.у Европској Унији се сваке године за производњу енергије од биомасе прикупи биомаса чији је енергетски садржај PJ (1 PJ = J) енергије, од чега се око PJ директно користи за добијање топлотне енергије, а око 500 PJ се користи за производњу електричне енергије.према неким студијама биоенергетски потенцијал у Европској Унији до године процењен je на око PЈ, што износи 17-30% пројектованих укупних енергетских потреба. Циљ Европске Уније везан за производњу електричне енергије од обновљивих извора енергије је да се постигне учешће од 12% обновљивих извора енергије у производњи електричне енергије до године. При томе се очекује да биомаса у задовољавању укупних енергетских потреба Европске Уније учествује са 10% што представља енергетски еквивалент од око PJ. Неке европске земље су већ испуниле ове циљеве што се може види са слике доле 4.4. [6] Слжка 4.4 Учгшћг бжомарг с сксжној гнгпггеркој жпожеводњж [6] Слжка 4.5 Дпдавна доежпања еа жпожеводњс глгкепжчнг гнгпгжјг же бжомарг с ЕУ [6] Земље Европске Уније поставиле су себи за циљ да до године удвоструче коришћење енергије из обновљивих извора. Зато су за брже увођење и коришћење обновљивих извора енергије на тржишту јасно дефинисани и побољшани општи оквирни услови. То

6 нарочито важи за производњу електричне и топлотне енергије из биомасе. До године биомаса се углавном користила за производњу топлотне а врло мало за производњу електричне енергије. Прописи о електричној енергији од биомасе који се обављају у земљама Европске Уније од јула године, па у побољшаним верзијама и 2004 и године дају подстицај коришћењу биомасе за производњу електричне енергије. изазвати минимални негативан утицај на укупну енергетску ефикасност постројења (зависно од предузетих мера за припрему горива-биомасе). У свету постоје три основна типа косагоревања: Директно косагоревање, Индиректно косагоревање и Паралелно косагоревање. 4. ПРОЦЕС КОСАГОРЕВАЊА Електране на биомасу саме по себи дају низ предности пре свега везане за заштиту животне средине али истовремено захевају знатна инвестициона улагања и проблематичније су у погледу сигурности снабдевања горивом због сезонске природе сировине и чињенице да су у многим земљама ресурси биомасе просторно распоређени, а инфраструктура за прикупљање исте недовољно развијена. Косагоревање, које се дефинише као истовремено сагоревање различитих горива у истом котлу, је алтернатива која омогућава смањење емисије гасова који утичу на ефекат стаклене баште. Ово смањење гасова са ефектом стаклене баште се не постиже само парцијалном заменом фосилних горива биомасом већ и услед међусобне хемијске интеракције горива различитог порекла и састава.при косагоревању биомасе може се користити већ постојећа инфраструктура за сагоревање фосилних горива, стварна цена горива је веома ниска или је гориво бесплатно уколико произвођач жели само да се реши отпада у производњи. Додавање биомасе у котао на угаљ вероватно неће, или ће у најгорем случју Слжка 5.1 Шгмаеркж жпжкае джпгкеног ж жнджпгкеног корагопгвања бжомарг ра сгљгм [1] Директно косагоревање (слика 5.1), [1] је најједноставнија и најчешће примењивана опција. Подразумева истовремено косагоревање више од једне врсте горива у ложишту/котлу, уз примену заједничког или одвојеног система за дозирање и припрему горива (млинова, дробилица) и заједничких или посебних горионика, зависно од карактеристика горива. Потребна су минималана улагања, али се и чешће јављају проблеми за дозирање горива. У индиректном начину косагоревања биомасе у процесу гасификације, биомаса се гасификује у гасификатору и тако добијени гас се уводи кроз горионике у ложиште на угаљ. Код овог типа косагоревања не меша се пепео две врсте

7 горива и могуће је постићи већи удео биомасе у укупној количини мешавине. Већи су инвестициони трошкови изградње постројења у односу на директни начин сагоревања. Код паралелног начина косагоревања постројењу се додаје посебан котао на биомасу ради повећања продукције паре постојећег котла на угаљ. Системи за припрему и дозирање за биомасу и угаљ су одвојени. Ограничавајући фактор при реконструкцији постојећег постројења за сагоревање угља је капацитет парне инфраструктуре па количина биомасе за сагоревање зависи од расположивог капацитета постојеће парне турбине. Пепео биомасе и угља је потпуно одвојен. Како су котлови за сагоревање биомасе и угља потпуно одвојени могућ је оптималан избор технологија сагоревања за сваку јединицу (нпр. котао са циркулационим флуидизованим слојем за биомасу и котао са сагоревањем угља у лету). ЗАКЉУЧАК Расположивост биомасе и развијених технологија за њено директно коришћење у енергетске сврхе или путем конверзије у друга горива пружа могућности да се њоме замењују фосилна горива. Коришћењем биомасе уместо течних горива и уља смањује се загађење животне средине и потрошња фосилних горива. Главни разлог знатно мањег учешћа биомасе у производњи енергије од оног који је могућ на основу расположивих количина биомасе, не само у Србији него и у свету, је релативно висока цена произведене енергије из постројења на биомасу. Висока цена произведене енергије из биомасе највише је последица велике вредности инвестиција у постројење за искоришћење биомасе и цена биомасе као горива. Тренутно у Србији биомаса се користи као гориво само у застарелим котловима, индустрији и неадекватним котловима. Основна разматрања како у Србији тако и у свету спроводе се ради што већег искоришћења различитих врста биомасе. У Србији искоришћење биомасе је недовољно док је у свету сама слика искоришћења биомасе доста боља. У свету постоји мноштво постројења за прераду биомасе и њену трансформацију у неку врсту горива.