Biomass

opracował Piotr Olszowiec 

Zagrożenia związane z ocieplaniem klimatu wywierają rosnący wpływ na politykę energetyczną wysokorozwiniętych krajów. W niektórych z nich, zwłaszcza w USA i Europie Zachodniej, wykorzystanie odnawialnych źródeł energii zaczyna odgrywać coraz istotniejszą rolę. Obok energetyki wiatrowej, która rozwija się najszybciej z wszystkich niekonwencjonalnych sposobów wytwarzania energii, wzrasta także znaczenie biomasy – odnawialnych paliw organicznych pod postacią odpadów drewna i innych organicznych odpadów przemysłowych, rolniczych oraz komunalnych. Chociaż te różnorodne odpady stanowią istotne źródło dla energetyki niekonwencjonalnej, to jednak przyszłości wykorzystania biomasy należy upatrywać w utylizacji roślin o szybkim przyroście masy; takich jak trzcina cukrowa, rzepak, tropikalne trawy, wierzby i inne produkty gospodarki leśnej.

Obecnie udział biomasy w zaspokajaniu potrzeb energetycznych świata sięga 13% i odpowiada zużyciu około 1,2 mld ton ropy naftowej. W krajach europejskich wykorzystanie biomasy przewyższa wszystkie pozostałe odnawialne źródła energii. Według założeń Unii Europejskiej, w 2010 r. poziom utylizacji biomasy w krajach członkowskich osiągnie wartość równoważną 135 mln ton ropy. Na razie jednak paliwa te pokrywają zaledwie 3% zapotrzebowania energetycznego najbardziej uprzemysłowionych państw świata. Natomiast tradycyjnie znacznie większą rolę odgrywa biomasa w krajach rozwijających się. Ostrożne prognozy dla świata zakładają wzrost mocy uzyskiwanej z biomasy do 207 GW w 2025 r. Realizacja tego celu nie będzie możliwa bez dalekowzrocznej strategii rozwoju energetyki, wspieranej odpowiednimi przepisami, bodźcami finansowymi i oczywiście badaniami naukowymi. 

Wykorzystanie biomasy do produkcji energii rozpoczęło się najwcześniej w zakładach przemysłu celulozowo-papierniczego, gdzie od dawna w kotłach rusztowych spalano mieszaniny biomasy i innych odpadów. W latach 60. i 70. konieczność poprawy spalania najmniej wartościowych paliw, w tym biomasy o niskiej kaloryczności i wysokiej zawartości wilgoci, wymusiła rozwój i wdrożenie technologii stacjonarnego złoża fluidalnego (BFB – bubbling fluidized bed) i cyrkulującego złoża fluidalnego (CFB – circulating fluidized bed).

Chociaż najnowsze kotły z cyrkulującym złożem fluidalnym osiągają już moc rzędu 400 MW, to zdecydowana większość instalacji na bazie biomasy nie przekracza poziomu 50 MW. Przyczyną tego jest konieczność lokalnego zaopatrywania kotła w biomasę, gdyż transport z dalszej odległości powodowałby jej utylizację nieopłacalną i/lub niedopuszczalną ze względów ekologicznych. W Europie kotły opalane biomasą zaopatrywane są ze źródeł położonych w promieniu 50 km.

W przemyśle celulozowo-papierniczym technologia BFB jest stosowana dla spalania odpadów drewna i kory w niewielkich elektrociepłowniach. W większych zakładach przeważają kotły CFB, które zapewniają niższą emisję zanieczyszczeń, wyższe moce oraz możliwość spalania różnych paliw. Światowym pionierem i zarazem liderem w rozwoju obydwu technologii jest firma Foster Wheeler. W wielu krajach pracuje ponad 300 kotłów tego wytwórcy, przy czym największy z dotychczas uruchomionych posiada moc 235 MW, zaś w budowie jest instalacja o mocy 300 MW. Wyższym mocom nowych jednostek towarzyszą coraz lepsze wskaźniki techniczno-ekonomiczne spełniające rygorystyczne wymagania ochrony środowiska.

Powszechnym trendem w wykorzystaniu biomasy stało się jednoczesne jej spalanie wraz z innymi paliwami w wielkich kotłach zarówno rusztowych jak i pyłowych. W kotłach pyłowych stosowane są dwie odmienne metody. Pierwsza polega na spalaniu zmielonej mieszaniny węgla i biomasy, której udział nie przekracza jednak 5%. Inny sposób to wprowadzenie do komory paleniskowej oddzielnych strumieni pyłu węglowego i odpowiednio przygotowanej biomasy, przy czym jej zawartość może przekraczać 10%.

Znaczny wzrost cen ropy na początku lat 80. przyspieszył rozwój technologii CFB w kierunku wykorzystania zgazowania biomasy, co umożliwiło zastąpienie drogich paliw naftowych tanimi odpadami. W 1983 r. Foster Wheeler dostarczył do fińskiej fabryki celulozy pierwszy kocioł z cyrkulującym złożem fluidalnym, zasilany gorącym, niskokalorycznym gazem z biomasy. Następne kotły, oparte na tym rozwiązaniu uruchomiono w podobnych zakładach w Szwecji i Portugalii.

Mimo niewątpliwego sukcesu technicznego, dalszy rozwój tych urządzeń uległ zahamowaniu wskutek spadku cen ropy i gazu. Dopiero w połowie lat 90. odżyło zainteresowanie tą nieco zapomnianą już technologią, gdy Foster Wheeler Energia przystąpił, w ramach programu finansowanego przez Unię Europejską, do realizacji kotła opalanego biomasą w elektrociepłowni w pobliżu Lahti (Finlandia). Uruchomiony w 1998 r. kocioł CFB z układem zgazowania składa się z reaktora i cyklonu, który powoduje zawrócenie cyrkulujących cząstek na dno reaktora. Gorący gaz z cyklonu uchodzi do kotła węglowego przepływając po drodze przez podgrzewacz powietrza, które wlatuje z dużą prędkością przez układ rozdzielczy do podstawy reaktora. Strumień ten powoduje porwanie wspomnianych cząstek do cyklonu. Dolna część reaktora zasilana jest strumieniem paliwa zawierającego pył drzewny wraz z korą oraz posortowane odpady komunalne i przemysłowe zawierające 39-78% części palnych, 20-60% wilgoci, lecz nie więcej niż 2% popiołu. Takie rozwiązanie zapewnia uzyskanie temperatury zgazowania w granicach 800-1000 stopni C. Cząstki paliwa zostają w reaktorze wysuszone, a następnie - w drodze pirolizy - ulegają zamianie na gazy, substancje zwęglone i smoliste. W trakcie złożonych reakcji powstaje palny gaz, zaś cząstki stałe zostają ze strumienia gazowego wydzielone w cyklonie i zawrócone do złoża fluidalnego. W powyższej instalacji reaktor o mocy 70 MW zasila gazem kocioł węglowy o łącznej mocy 360 MW. Omawiany układ wykorzystano do ogrzewania Lahti o szczytowym poborze mocy cieplnej 240 MW.  

Chociaż ekologicznie „czyste” instalacje ze zgazowaniem biomasy przeszły pomyślnie próby w skali przemysłowej, to jednak - wskutek braku odpowiedniej polityki energetycznej i pomocy finansowej - nadal pozostają niekonkurencyjne ekonomicznie dla obecnie stosowanej zintegrowanej technologii turbiny gazowej i parowej ze zgazowaniem (IGCC). Jednak twórcy nowej technologii uważają, że zgazowanie biomasy stało się atrakcyjną alternatywą przy modernizacji istniejących kotłów umożliwiając wyeliminowanie kosztownego gazu ziemnego.