Energija biomase Korištenje energije biomase za proizvodnju el. energije (topline i goriva) P fd Prof.dr.sc. Zd Zdenko k Ši Šimić ić FER 2010. zdenko.simic@fer.hr Sadržaj • Uvod • Izvor • Upotreba U t b • Obrada • Energetske vrijednosti ijednosti i specifičnosti • Primjeri korištenja • Ukratko Zdenko Šimić - Energija biomase 2 Energijske tehnologije Uvod: Što je biomasa • Sve organsko. • Organski materijal s energetskom vrijednosti podložan pretvorbi u gorivo ili direktno u toplinu. p • Prvobitni izvor energije. • Danas se u svijetu još uvijek biomasa dominantno koristi na tradicionalan način (izravno izgaranje a ne prerada u tekuća ili plinovita goriva). • Toplina se može koristiti za proizvodnju el. el en. en • Gorivo može biti kruto, t k ć ili plinovito: tekuće li it – kruto gorivo: drvo i peleti, – tekuće gorivo: bioetanol, bioetanol biodizel i bioulja, – plinovito gorivo: bioplin i vodik. dik • Ostale primjene za industrijske materijale i kemikalije te druge praktične namjene. namjene Zdenko Šimić - Energija biomase Energijske tehnologije 3 Neto primarna proizvodnja biomase 2002 - ugljik pohranjen u biljkama po m2 (http://earthobservatory.nasa.gov/Newsroom/NPP/npp.html) Zdenko Šimić - Energija biomase 4 Energijske tehnologije Fotosinteza i prinos po ha • Samo svjetlost se koristi Prinos biogoriva po hektaru: • biodizela bi di l – 43% od ukupne • biljka troši 30% – iskor. maks. ef. 10% • Stvarno srednje iskorištenje ~0,15% • Uzgajane vrste dostižu d ž 1d do 3% (6%) – 1,5 t iz uljane repice • bioetanola – 3,0 t iz kukuruza (ili žitarica) – 5,0 t iz šećerne repice • Europa za 6 % goriva u biogorivu (12 Mt etanola i 6 Mt biodizela) bi di l ) uzgaja: j – – – – 40 Mt kukuruza ili žitarica 15 Mt uljane repice na 10 Mha obradiva tla od ukupno 75 Mha obradive zemlje u EU Zdenko Šimić - Energija biomase 5 Energijske tehnologije Godišnje Resursi stvaranje biomase Svjetska proizvodnja biomase i korištenje energije 1 EJ (Exa J) = 1e18 J 1 EJ 26,2e9 , L ili 45±10 EJ 45± -za 2002. uključ uključuju ujuć ći i tradicionalnu upotrebu -to je 14% ukupne potrošnje -samo ~3% u razvijenih -i do 90% kod nerazvijenih 223 Mb sirove nafte Svjetsko korištenje energije Korištenje biomase: Svijet 45±10 EJ SAD Svjetsko korištenje nafte ft Energijske tehnologije Udio biomase u potrošnji energije – primjeri za 2001. 2001 Relativni udio korištenja energije ij biomase bi Zemlja U primarnoj en en. U el. en. Austrija 10,0% 2,8% Danska 8,5% 4,7% E i ij Etiopija 93 0% 93,0% 0 0% 0,0% Finska 19,0% 11,2% Indija 35,0% 0,0% Kongo 8,3% 3,5% Švedska 16,0% 2,1% Sudjelovanje u ukupnoj proizvodnji energije biomase dijelova svijeta. Zdenko Šimić - Energija biomase 7 Energijske tehnologije Korištenje energije biomase i siromaštvo % stanovništva s prihodima ispod 2$/dan Zdenko Šimić - Energija biomase Energijske tehnologije 8 Korištenje energije biomase u svijetu Ugljen 26% P. plin 21% Nafta 34% Svjetska potrošnja primarne energije za 2006. godinu 11700 MToe Nuk. 6% Obnovljivi 13% Biomasa i gradski otpad 10% Hidro 2% Ostalo 1% Nuk. 14,7% Ugljen 41% Svjetska j p potrošnja j električne energije za 2006. godinu 18900 TWh P. plin 20 2% 20,2% Biomasa i otpad 1,3% Obnovljivi 18 3% 18,3% Hidro , 15,9% Nafta 5 8% 5,8% Ostalo 1 1% 1,1% 9 Energijske tehnologije Proizvodnja biogoriva - prije Proizvodnja bioetanola, 1975-2003 (ML/god.) Proizvodnja j biodizela,, 1991 – 2003 (ML/god.) Potrošnja P t š j nafte ft za 2003 2003. •~30000 Mb (b=barrel)/god – proizvodnja nafte (3500000 ML/god) • 80 Mb/dan b/da – p proizvodnja o od ja nafte a (9400 (9 00 ML/dan) /da ) •~1000x proizvodnje biogoriva! • Brazil svojim uzgojem šećerne trske i proizvodnje bioetanola osigurava energetsku k neovisnost i i zaposlenost. l • Europa biodizel proizvodi iz uljane repice Zdenko Šimić - Energija biomase Energijske tehnologije Proizvodnja biogoriva – sada i ubuduće Mtoe % ukupnog goriva za transport biodizel etanol World Energy Outlook 2008, IEA Zdenko Šimić - Energija biomase Energijske 11 tehnologije Najvažnije vrste izvora biomase Uzgoj • Brzorastuće ć drveće ć – vrba – topola – Eukaliptus • Šećerne vrste – šećerna repica, trska i proso – slatki sirak • Škrobne vrste – kukuruz – žitarice (pšenica, ječam) • Uljne Ulj vrste t – uljana repica – suncokret Ostatci i otpad • Drvni D i otpad t d – održavanje šuma – obrada drvnih proizvoda – građevinski i drugi ostatci • Poljoprivredni ostatci i otpad – slama – gnoj • Organski dio javnog krutog otpada • Kanalizacijski talog • Industrijski ostatci – p prerada hrane – prerada papira i sl. Zdenko Šimić - Energija biomase 12 Energijske tehnologije Porijeklo biomase korištene kao izvor energiju MSW – Municipal Solid Waste (čvrsti komunalni otpad) Black Liquor – by-product from paper pulp production (lignin, hemicelluloses, inorganic chemicals) Izvor: IEA Bioenergy, Annual Report 2010, EXCO:2010:01 (podaci IPCC, 2007.) 13 Energijske tehnologije Pojednostavljeni ciklus biomase. Za razliku od fosilnih goriva biomasa uklanja znatan dio CO2 emitiranog u atmosferu kod upotrebe (obrada i izgaranje). Ali… Zdenko Šimić - Energija biomase 14 Energijske tehnologije Stanje i perspektive korištenja biomase PREDNOSTI • nerazvijeni – značajan izvor energije – potencijal za unapređivanje k lit t ži kvalitete života t • razvoj, okoliš i održivost • razvijeni j – prikupljanje i korištenje • mali kapaciteti – ovisnost o izvoru biomase • skupo korištenje – energetska sigurnost – globalno zagrijavanje • • • • • NEDOSTATCI • mala energetska vrijednost i gustoća decentraliziran izvor dodatna društvena korist lokalni okoliš (otpad) mala cijena goriva stalniji obnovljivi izvor – zahtjeva poticaje – poremećaji proizvodnje hrane • održivost – upitna bez organizacije i tehnologije Zdenko Šimić - Energija biomase Energijske tehnologije Energija iz biomase – putovi i mogućnosti GORIVA MEĐUPRODUKTI/SEKUNDARNI NOSIOCI ENERGIJE Sintetski plin (CO + H2) rasplinjavanje l biomasa & organski otpad & energ‐ etske kulture sinteza Vodik (H2) biološki procesi metanol stroj stroj/turbina fermentacija nadomještaj prirodnom plinu etanol piroliza ulje stroj biodizel stroj ekstrakcija stroj/turbina reformiranje stroj Fisher Tropsch Tropschtekućine hidrogasif. ili probava FINALNI PRODUKTI mehanički rad stroj izgaranje iz r nj + Rankine R nkin ili Stirling kružni proces Zdenko Šimić - Energija biomase gorivna ćelija generator električna energija Energijske tehnologije Pretvorbe biomase • Pretvorba biomase se dijeli na primarnu i sekundarnu • Primarna Pi transformira t f i početnu č t bi biomasu u biogorivo bi i (dijagram dolje) • Sekundarna služi pridobivanju korisne energije: – peć, turbine plinske i parne, motori s unutrašnjim izgaranjem, mikroturbine i gorivne ćelije Termičke Uz puno zraka Izgaranje malo zraka rasplinjavanje Biološke bez zraka Priprema Fizikalne/kem. A/D Hidroliza (Toplina & tlak) + Fermentacija Piroliza Fermentacija Toplina Plin (CO H2 ...) (CO, Tekućine H2 Etanol CH4 Tekuće gorivo A/D – anaeorobna digest. Energijske tehnologije Drvna biomasa za ogrjev g j • Drvna industrija • Uzgoj biomase za energiju – ostatci kod obrade (piljenje, blanjanje i brušenje) – otpadci iz drvne industrije jeftiniji i kvalitetniji • Gospodarenje šumama – održivo – međunarodni konsenzus – HR ima 44% površine pod šumama sa 9,6 9 6 Mm3 god. god prirasta • Poljoprivredni ostatci – heterogeno i različitih svojstava (slama, kukurozovina, oklasak, stabljike, koštice, ljuske, …) – niska ogrjevna vrijednost (vlažno) – Prinos suhe tvari p po ha • vrbe i topole 10 do 12 t/god. • brzorastuće trave ~16 t/god. • eukaliptus 35 t/god. – Dodatne prednosti • korištenje otpadnih voda, gnojiva i taloga (vegetacijski filtri) • bioraznolikost bi lik t i • rješavanje problema viškova poljoprivredne proizvodnje • Korištenje j kao – gorivo za direktno spaljivanje ili obradu • Kompaktiranje: • b baliranjem, li j prešanjem š j i peletiranjem za automatsko loženje – Potrošnja u srednjoj Europi • 2001. 0,12 Mt; 2002. 0,20 Mt • 2010. 1,00 Mt Zdenko Šimić - Energija biomase 18 Energijske tehnologije Izgaranje drvne biomase • Karakteristika goriva – promjenjiva i velika vlažnost (svježe drvo preko 50%) • veće emisije zbog lošijeg izgaranja g j – vrlo velik udio hlapljivih sastojaka (80%) • Posebna konstrukcija peći • Manji sustavi – nepomična i pomična rešetka – pouzdana i poznata tehnologija • Veći e sustavi sus a – cirkulirajući i mjehurićasti fluidizirani sloj • Manja efikasnost Zdenko Šimić - Energija biomase Potrošnja drva prema snazi Snaga (kW) (kg / hr) (m3 / sezoni) 18 4 10 19 Energijske tehnologije Biokemijske pretvorbe - biogoriva Bioetanol oeta o Biodizel od e (C2H5O OH)) • Biomasa - sirovina • Esterifikacija – šećerna trska – šećer – kukuruz – škrob – drvo – celuloza – biljnih j ulja j s metanolom (uljana repica, suncokret, soja, otpadno jestivo ulje, loj) • Fermentacija (vrenje) – biokemijsko razlaganje složenih organskih molekula u jednostavnije molekule (npr. (npr raspad šećera u alkohol i CO2) - enzimi kataliziraju • Zamjena za benzin – mješavina - udio do 20% etanola bez potrebe za preinakama motora • Svojstva slična dizelu – miješana ili čista potrošnja – gustoća i energetska vrijednost – bolja mazivost – manje ili nema sumpora – novi automobili prilagođeni (cijevi i brtve za gorivo) Zdenko Šimić - Energija biomase 20 Energijske tehnologije Životinjski ostatci i otpad • Lešine i stelja • Porijeklo otpada – Spaljivanje • Izmet i zelena masa – anaerobna fermentacija za bioplin • 60% metan, 35% CO2 i 5% ostalo (vodik, (vodik dušik, dušik amonijak, sumporovodik, CO, kisik i vodena para) • krava ili dvije j svinje j 1,5 m3 plina na dan (26 MJ/Nm3) – biljni ostatci i drugo iz gradskog otpada – održavanje parkova i vrtova – mulj iz otpadnih voda • Primarno je zbrinjavanje otpada – Velike investicije (4000 US$/kW) Zdenko Šimić - Energija biomase 21 Energijske tehnologije Energijske tehnologije Rasplinjavanje – nepotpuno izgaranje • Termokemijski proces – na visokim temperaturama (i do 1400°C) – uz ograničen dovod kisika • Proizvodnja el. en. je efikasnija u plinskoj turbini – termički stupanj 45% – p parni kotao na drva oko 20% • Problem – osjetljivost plinskih turbina na č ti i paru čestice – pročišćavanje skupo • Svojstva plina određuje: – izvedba postrojenja • protustrujno, istostrujno, s fluidiziranim slojem – biomasa • temperatura, vlažnost i sastav – sredstvo rasplinjavanja • zrak – energetska g vrijednost j plina p od 4 do 6 MJ/Nm3 • kisik – energetska vrijednost plina od 15 do 20 MJ/Nm3 • Glavni sastojci plina: – CH4, CO2, H2O Zdenko Šimić - Energija biomase 23 Energijske tehnologije Energetska vrijednost goriva iz biomase GORIVO Hrast Bor Slama Sjemenje Repičino ulje Kameni ugljen Smeđi ugljen Lož ulje Bioetanol Gorivo MJ/ Nm3 MJ/kg g Deponijski plin 16 0 16,0 14,1 13,8 , 14,0 14,2 Plin iz drva 7,0 Bioplin iz živ. živ ostataka 22 0 22,0 Prirodni plin 31,7 - 37,1 Vodik 10,8 4 30 35 30-35 Sadržaj vode ode % 20 20 15 15 20 10-20 - 42,7 25,5 , Gorivo En vrijednost En. Biljni ostatci 6 ÷ 17 MJ/kg Drvo 8 ÷ 19 MJ/kg Etanol 26,8 MJ/L Biodizel , MJ/L 37,2 Nafta 42 MJ/L Zdenko Šimić - Energija biomase 24 Energijske tehnologije Proizvodnja el. en. iz biogoriva • Velika sličnost fosilnim gorivima • Parna turbina – Pouzdana i poznata t h l ij tehnologija – Pregrijana para na 5 do 10 MPa – Rasponi snaga od 500 kW do 500 MWel – Manje snage pogodnije za biomasu • Troškovi transporta – Niža efikasnost: • 5 MWel do 20%, a 500 MWe do 40% • Plinska turbina – Pouzdana i p poznata rješenja j j – Efikasnost oko 45% – Kombinirani proces s parnom i do 55% • Stirling motor – Zatvoreni ciklus (zrak, H, He) – Efikasniji proces od parnog – Još se razvija • Budućnost u gorivnim ćelijama(!?) 25 Energijske tehnologije Elektrane na biomasu 20 MW, Švedska 50 MW MW, SAD 3x30 kW, SAD 49 MW, Finska (mikroturbina – samostalno 3,5 , MW,, Brazil i na mreži) (samostalani rad) Zdenko Šimić - Energija biomase Energijske tehnologije Konverzija energije Tablica navodi nekoliko primjera korištenja biomase u elektranama/toplanama različitih primarnih procesa. Vrsta Samo toplina Parni kombinirani ciklus ikl rasplinjavanje/ piroliza rasplinjavanje/ piroliza Efikasnost Ulaz % (MW) 75 1,3 80 75 80 53 1,3 49 Izlaz Drvo Toplina (MWt) El. en. (MWe) 1 0 1 4056 30 12 42 170333 1 4056 39 158167 0,7 29 0,3 10 Ukupno (MW) odt/y odt: Oven odt O Dried D i d Ton T . Tona T d drva sa 0 % vlažnosti. l ž ti Za 10 t suhog drveta treba 1 ha zemljišta. Zdenko Šimić - Energija biomase Energijske tehnologije Potrebe biomase za energiju Potreban brojj kamiona volumena 120 m3 svaki dan u elektranama za primjer: Elektrana Drvena sječka Bale sijena Bale trske Izgaranje (30MWe) 21 28 17 Rasplinjavanje (30MWe) 17 23 13 Korištene gustoće: - 0.15 m3/t za drvne sječke (Suurs, 2002), - 0.11 m3/t za slamu i - 0.19 m3/t za trsku (Bullard, 1999). Zdenko Šimić - Energija biomase Energijske tehnologije Kogeneracija • Kombinirana proizvodnja – Električne č i toplinske energije • Veća efikasnost i manji investicijski troškovi u odnosu d na odvojeni d j i rad d – Uz kontinuiranu potrebu za toplinom – Vezano V za izvor i biomase bi i potrošača t š č • Trigeneracija (i hlađenje) – Prehrambena P h b industrija i d t ij i topliji t liji krajevi k j i Zdenko Šimić - Energija biomase 29 Energijske tehnologije Usporedba energetske učinkovitosti Odvojena proizvodnja: kondenzacijska j TE + toplana p ((TO)) Kogeneracija: termoelektrana – toplana p ((TE-TO)) Gubici TE i distribucije η = 50 % η = 80 % 70 Gorivo za TE 100 E – električna energija T – toplinska energija Termoelektrana E 30 E Gorivo za kogeneraciju Potrošač Gorivo za TO 80 Toplana Gubici TO Gorivo: 180 T 60 Gubici kogeneracije 23 20 Gubici: 90 113 T 90 Gorivo: 113 Gubici: 23 Energijske tehnologije Održivost korištenja biomase • Korištenje < prirasta • Energetski nasadi i šume • Važnost povratka tvari u tlo – organske tvari – minerali – ostavljanje lišća i vraćanje pepela • Planiranje rasta šuma • Potrebna voda za uzgoj g j – staništa za ptice i manje sisavce • Otklon od monokulturne poljoprivrede • Smanjenje korištenja š herbicida, pesticida i umjetnih gnojiva • Očuvanje tla i sprečavanje erozije Zdenko Šimić - Energija biomase Energijske tehnologije Isplativost korištenja biomase • Investicijski troškovi • Vanjski troškovi nejasni • Jeftina sirovina – niska ili zanemariva otkupnina p – veliki utjecaj pripreme (skupljanje i transport) • Konkurentnost – drvna ekonomična – etanol blizu konkurentnosti – biodizel je najskuplji • Vlastiti izvor energije • Socijalno-ekonomski učinci – direktno zapošljavanje • procjene za EU25 do 2010 oko 200000 radnih mjesta • Makroekonomske dimenzije – – – – Više proizvoda i usluga (BNP) Velika l k zaposlenost l Stabilnost cijena (energije) Smanjenje uvoza • Izvori energije iz biomase imaju znatno veći potencijal uvažavanjem j ukupnog p g utjecaja j j Utjecaj udaljenosti biomase na cijenu. 32 Energijske tehnologije Međunarodna trgovina biomasom za energiju tehnologije Izvor: IEA Bioenergy, Annual Report 2010, EXCO:2010:01 (podaci: Junginger andEnergijske Faaij, 2008.) Ukratko • Opisani su izvori biomase za energetsko korištenje • Opisani su primarni i sekundarni procesi transformacije j biomase i goriva • Prednosti – povećavanje energetske neovisnosti – smanjivanje j j ispuštanja p j stakleničkih plinova – brojni ekonomskoekonomskodruštveni pozitivni učinci • Navedene su osnovne vrste biogoriva • Izneseni su primjeri korištenja biomase u elektranama za proizvodnju p j električne energije i topline ili kombinirano • Nedostatci – mala gustoća energije – zahtjev za održivim načinom korištenja – ekonomičnost – održivost d ži t Zdenko Šimić - Energija biomase Energijske 34 tehnologije Korištenje bioenergije u HR 1965 1965-1997 1997 O t l Ostalo Drvni otpaci Ogjevno drvo Udio u ukupnoj potrošnji energije Energijske tehnologije Postrojenje na bioplin, bioplin, farma Ivankovo Ivankovo,, investitor P.Z. P Z Osatina Kogeneracija na bioplin Fermenter 36 Energijske tehnologije Izvor: Marko Vukobratović, ETF - Osijek Energijske tehnologije Pisani materijali: http://www.ieabioenergy.com/ MediaItem.aspx?id=6360 http://suma-ss.hr/assets/files/brosure/Biomasa.pdf Energijske 38 tehnologije
© Copyright 2024 Paperzz
