Sikorski: Różne oblicza biomasy (ANALIZA)

11 kwietnia 2022, 13:00 Energetyka
OZE, biomasa, słoma
fot. pixabay

Biomasa od wielu lat stosowana jest jako paliwo w zakładach energetycznych. Co więcej, jest to prawdopodobnie pierwsze źródło energii, które zostało wykorzystane przez człowieka. Choć wspiera ona ludzkość od dawna, należy zastanowić się, czy jej konwersja na inne formy energii ma podstawy nie tylko ideologiczne. Spalanie biomasy oraz jej współspalanie praktykowane jest w wielu elektrowniach i elektrociepłowniach na całym świecie. Procesy te rozpatrywane są najczęściej w kontekście neutralnego (zerowego) bilansu węglowego. Mało kto zwraca jednak uwagę na problemy pojawiające się podczas spalania lub sprowadzania biomasy na teren naszego kraju – pisze mgr inż. Wojciech Sikorski w magazynie Energia i Recykling z marca 2022 roku.

Zielone paliwo, gdyż tak bardzo często określa się biomasę, wykorzystywane jest w różnych formach. Mogą to być wióry, zrębki, trociny, ale także brykiet, pellet czy drewno kawałkowe. Jednak nie tylko biomasa leśna stosowana jest do spalania z węglem. Bardzo duży udział, szczególnie w przypadku małych jednostek kotłowych, ma słoma. Jest ona łatwo dostępna na terenach wiejskich, wśród rolników, jednak jej użytkowanie niesie za sobą pewne problemy, o których mowa będzie w dalszej części. Innymi opcjami są osady ściekowe, odpady pochodzenia zwierzęcego czy choćby ziarna zbóż. Nie można również zapominać o materiale wytworzonym w ramach upraw roślin energetycznych. Wszystkie te surowce posiadają swoje charakterystyczne cechy, które powodują, iż są bardziej lub mniej przyjazne dla przebiegu spalania w kotle oraz późniejszego stanu powierzchni ogrzewalnych. Wpływają na to zawartości
poszczególnych pierwiastków (w tym też metali ciężkich), ale w dużej mierze także zawilgocenie paliwa.

Niebezpieczne zjawiska

Kotły w zakładach energetycznych bardzo często wymagają pewnych modernizacji, aby można było, bez większych obaw, przeprowadzać współspalanie biomasy z węglem. Zależy to oczywiście też od tego, jak bardzo obfita w „zielone” paliwo będzie mieszanka. Podczas prowadzenia procesu spalania bardzo często dochodzi do objawiania się pewnych zjawisk, z których główne, a zarazem najbardziej niebezpieczne, to nadmierne generowanie spalin, zwiększenie ilości powstającego popiołu, intensyfikacja żużlowania oraz powstawanie obszarów atmosfery redukcyjnej.

Znaczna ilość spalin jest konsekwencją zasobności biomasy w części lotne oraz dużej zawartości wilgoci. Często spotykaną konsekwencją takich sytuacji jest uszkadzanie elementów urządzeń znajdujących się na trasie przepływu spalin, zarówno poprzez oddziaływanie chemiczne (korozję), jak i poprzez degradację mechaniczną (erozję). Atmosfera redukcyjna determinuje tworzenie się wysokotemperaturowej korozji chlorowej, która jest zjawiskiem wielce niepożądanym. Istnieje jednak pewien sposób walki z powstającymi obszarami o charakterze redukcyjnym, a mianowicie tworzenie dodatkowych punktów zasilania w paliwo oraz powietrze. Dość istotne może okazać się także pokrywanie rusztów specjalnymi warstwami ochronnymi – zabezpieczają one przed metalami o niskiej temperaturze topnienia. Nie jest to jednak konieczne – o ile dane elementy, w tym także powierzchnie ogrzewalne, które są narażone na korozję chlorową, wytworzone zostaną ze stali wysokostopowej. Oczywiście, na rynku dostępne są rozwiązania, które mogą skutecznie pomóc w wykluczeniu wymienionych problemów, jednak najczęściej ich zastosowanie związane jest z bardzo wysokimi nakładami finansowymi, co niejednokrotnie mija się z celem, o ile nie budujemy zakładu energetycznego od podstaw.

Podatność na uszkodzenia

Instalacje pomocnicze, takie jak odazotowanie, odsiarczanie czy odpylanie, a także młyny kulowe bardzo często ulegają mniej lub bardziej znaczącym uszkodzeniom. Instalacje odsiarczania spalin są bardzo podatne na wszelkie zmiany zapylenia, w związku z czym podawanie mieszanki paliwowej wzbogaconej o biomasę jest wstępem do pogarszania pracy tego układu – o ile nie był on wcześniej przygotowywany pod taki rozwój wydarzeń. Jest to swego rodzaju paradoks, gdyż dodatki biomasowe pozwalają obniżyć ogólną zawartość siarki w mieszance paliwowej, a co za tym idzie, generować oszczędności między innymi na sorbencie. Jednak znaczne zapylenie jest niezwykle istotne w przypadku pracy hydrocyklonów gipsu. Instalacja może w związku z tym wymagać zagwarantowania dodatkowych elektrofiltrów. W przeciwnym razie dojdzie do pogarszania się jakości zawiesiny gipsowej, a w dalszej kolejności do niszczenia poszczególnych urządzeń układu instalacji odsiarczania spalin. W przypadku młynów dochodzić może do utrudnienia przygotowania mieszanki paliwowej o właściwym rozdrobnieniu. Biomasa, jako materiał odznaczający się względnie dużą wilgotnością oraz specyficzną strukturą w aspekcie budowy wewnętrznej, jest w młynach kulowych miażdżona, a nie kruszona. Doprowadza to do konieczności wzmożenia pracy tejże instalacji i wykonywania dodatkowych cyklów. Istotniejsze jest jednak tworzenie się złogów, które są przyczyną późniejszych oporów ruchu oraz blokowania możliwości wykonywania obrotów. Bardziej wytężona praca wpływa również na wzrost temperatury otoczenia oraz samego czynnika, a co
za tym idzie – na ewentualny samozapłon mieszanki paliwowej. Współspalanie biomasy z węglem wykazuje również znaczny wpływ na parametry użytkowe oraz powierzchnie ogrzewalne instalacji kotłowej. Można wprawdzie twierdzić, iż zachwianie dynamiki spalania równoważone jest poprzez obniżenie emisji szkodliwych tlenków siarki oraz azotu, jednak w jaki sposób wyczuć, do kiedy proces współspalania przynosi jeszcze korzyści? Niezwykle ważnymi czynnikami, na które wpływa jakość podawanej biomasy, są temperatura spalin oraz ich ilość. Jak wiadomo, wartość opałowa zielonego paliwa jest niższa aniżeli węgla. Powoduje to zaniżenie wielkości tego parametru dla utworzonej z połączenia tych dwóch paliw mieszanki. Konsekwencjami tego są pogorszenie procesu spalania, a także obniżenie wspomnianej temperatury spalania oraz spalin opuszczających komorę paleniskową. Idąc dalej – mniej ciepła przekazywane jest w komorze paleniskowej oraz przewodzone do przegrzewacza grodziowego. Również zwiększona emisja CO jest jednym z argumentów sugerujących istotność utrzymania temperatury płomienia na odpowiednio wysokim poziomie. Znaczna ilość wilgoci zawarta w biomasie powoduje zwiększenie objętości generowanych spalin. Poza pogłębiającym się w takim przypadku problemem strat wylotowych oraz pogorszeniem procesu przegrzewu pary należy także pamiętać o nasileniu obciążenia wentylatorów ciągu, których pobór energii elektrycznej z uwagi na intensyfikację obrotów znacznie wzrasta.

Surowiec z importu

Biomasa w dużej mierze sprowadzana jest do Polski z zagranicy. Czołowymi eksporterami na nasz rynek są Ukraina, Białoruś i Rosja, ale także Togo, Indonezja, Ghana, Tunezja czy Liberia. Już na pierwszy rzut oka jest to sytuacja zaskakująca, jednak analizy ekonomiczne jasno pokazują,
iż to cena rządzi wyborem dostarczyciela paliwa. Z uwagi na coraz silniej dostrzegalną powagę sytuacji głos w tej sprawie zabiera często Unia Europejska, która stara się zrównoważyć wykorzystanie biomasy leśnej, aby nie doprowadzić do intensyfikacji emisji gazów cieplarnianych.
Czy krajowi producenci nie są w stanie sprostać zapewnieniu paliwa zakładom energetycznym? Oczywiste jest, iż postępujące zainteresowanie technologiami biomasowymi doprowadza do sytuacji, w której polscy rolnicy nie są w stanie podołać zapewnieniu odpowiedniej ilości paliwa dla wytwórców energii. Jednak przy odpowiednich programach wsparcia ze strony państwa można by zwiększyć krajową produkcję biomasy, jednocześnie obniżając stopień importu tego surowca. Jak to zwykle bywa, najważniejszym czynnikiem jest cena. Wartość rynkowa biomasy skorelowana jest bezpośrednio i wynika z ceny produktu importowanego. Niestety, polski plantator (mowa tutaj o uprawie roślin energetycznych) musi odjąć od kwoty sugerowanej przez rynek koszty założenia plantacji oraz jej pielęgnacji, przez co cała operacja staje się coraz mniej opłacalna. Doprowadza to coraz intensywniej do likwidowania kolejnych upraw. Problem mógłby w pewnym stopniu zostać załagodzony, gdyby z budżetu państwa przeznaczone zostały fundusze na wsparcie dla plantatorów przy zakładaniu upraw. Z typowo rolniczego punktu widzenia bardzo istotne jest właściwe dobranie gruntu pod sadzenie roślin energetycznych. Często są to mało wymagające rośliny, jednak żyzna i bogata w minerały ziemia, właściwy poziom wód gruntowych, nawożenie oraz stosowanie środków ochronnych doprowadzi bezapelacyjnie do zwiększenia zbiorów.

Uprawy do likwidacji

Z uwagi na silną konkurencję, brak wsparcia ze strony państwa oraz śrubowanie cen coraz częściej dochodzi na terenie Polski do likwidowania plantacji roślin energetycznych. Częstokroć są to wielkoobszarowe uprawy, które jednak nie wytrzymały presji rynku i stały się nierentowne. Innym faktorem jest kwestia związana z galopującym wykorzystaniem biomasy oraz sytuacją dotyczącą polskich lasów. Ilość drewna przeznaczanego corocznie do wycinki jest, oczywiście, ograniczona. Na wzrastającym przeznaczaniu tego surowca na cele energetyczne tracą jednak przemysły meblarski oraz papierniczy. Mniejsza ilość determinuje wzrost cen, co ostatecznie doprowadza do zwyżki wartości gotowych dóbr materialnych, na czym tracą konsumenci w całym kraju. Jednym z kluczowych argumentów, przemawiających za ograniczeniem procederu importu biomasy, jest jednak kwestia dotycząca transportu. Po pierwsze, wielkie bloki energetyczne opalane tym paliwem wymagają jego znacznych ilości, czego nie są w stanie zapewnić lokalni wytwórcy. Doprowadza to do konieczności przewożenia biomasy na wielkie odległości, a jak zostało wykazane – optymalna rentowność zanika w przypadku sprowadzania zielonego paliwa z odległości większych niż ok. 60 km (choć niektóre źródła podają nawet 100 km). Jest to jednak niczym w porównaniu ze sprowadzaniem surowców z krajów afrykańskich czy też np. z Indonezji. Kolejnym aspektem jest swego rodzaju paradoks związany z ideą spalania oraz współspalania biomasy. Kluczowym punktem, dla którego dochodzi do wykorzystywania biomasy jako paliwa, jest pojęcie równoważenia bilansu dwutlenku węgla. Jakie ma to jednak przełożenie, biorąc pod uwagę samochody ciężarowe, kolej czy też statki, które przyczyniają się do znacznych emisji tego gazu cieplarnianego bądź bezpośrednio, bądź też biernie, zużywając energię potrzebną na sam transport? Interesującym pomysłem, zaproponowanym już przez licznych polskich naukowców, jest przekazanie z budżetu państwa dotacji dla rolników na rzecz rozwoju lokalnego spalania biomasy. Na rynku dostępnych jest już wiele rozwiązań technologicznych, z których bez przeszkód mogliby skorzystać rolnicy. Jednak jedynym utrudnieniem jest wysoka cena tychże instalacji. Wzrost popytu na kotły, podbudowany dotacjami, nie tylko pozwoliłby na stopniowe rozwiązywanie problemu importu biomasy z zagranicy na tak dużą skalę, ale także umożliwiłby zwiększenie stopnia dywersyfikacji źródeł energii na terenie kraju, a co za tym idzie – poprawę bezpieczeństwa energetycznego państwa.