Optymalizacja spalania biomasy w celu produkcji ciepła i energii elektrycznej
Blisko połowa zapotrzebowania na energię w Unii Europejskiej związana jest z ogrzewaniem i chłodzeniem, natomiast ciepło otrzymywane ze spalania biomasy stanowiło w 2017 roku prawie 90 % ciepła produkowanego ze źródeł odnawialnych. Wykorzystanie ciepła powstającego w wyniku spalania biomasy do wytwarzania energii elektrycznej i ogrzewania w elektrociepłowniach kogeneracyjnych sprawdza się w przypadku instalacji o średniej i dużej wielkości. W Europie, a w szczególności w Skandynawii, można znaleźć wiele takich elektrociepłowni. Celem, jaki przyświecał powstaniu unijnego projektu Biofficiency, było zoptymalizowanie produkcji bioenergii przy pomocy elektrociepłowni kogeneracyjnych opalanych biomasą. W efekcie ma powstać nowej generacji elektrociepłownia na biomasę, której komercjalizację planują firmy przemysłowe będące partnerami projektu.
Wytwarzanie biopaliw o wyższej jakości
Biomasa jest wyjątkowym materiałem wsadowym, wyraźnie różnym od tradycyjnych paliw kopalnych stosowanych w elektrowniach cieplnych. Zależnie od rodzaju, pochodzenia i pory roku biomasa może zawierać różne substancje, w tym pierwiastki takie jak chlor, sód czy potas, które mogą być szkodliwe podczas wytwarzania pary o wysokiej temperaturze. W efekcie może dochodzić na przykład do odkładania się izolacyjnej warstwy popiołu na powierzchniach wymiany ciepła, co oznacza zwiększone koszty związane z pracami konserwacyjnymi i koniecznością wyłączenia instalacji. Aby umożliwić wykorzystanie materiału, który dotychczas nie nadawał się do spalania, oraz usunąć szkodliwe pierwiastki, uczestnicy projektu Biofficiency przeanalizowali trzy różne techniki obróbki wstępnej: toryfikację z płukaniem i bez niego, hydrotermiczne uwęglanie oraz wybuch parowy biomasy przed jej spalaniem. W projekcie przeanalizowano też możliwości zastosowania dodatków mineralnych, które wychwytują niepożądane substancje w fazie gazowej spalania, zapobiegając tym samym zachodzeniu szkodliwych reakcji w kotle. Oba podejścia przetestowano w różnych skalach – od laboratoryjnej po pełnowymiarową – w dwóch różnych systemach spalania (z paliwem sproszkowanym oraz złożem fluidalnym). Dzięki tym testom uczeni zyskali pewność, że opracowane przez nich rozwiązania sprawdzą się w codziennej pracy elektrociepłowni. Modelowanie pozwoliło zespołowi na symulację parametrów spalania i tworzenia się popiołu oraz na dokładniejsze zrozumienie tych procesów. Wykazawszy, że nowe techniki faktycznie poprawiają sprawność spalania w kotłach na biomasę, zespół opracował projekt elektrociepłowni kogeneracyjnej odznaczającej się wyższymi temperaturami pary, do 600 °C, w skalach od średniej do dużej (zużycie paliwa wynoszące około 300 MWth). Technika ta jest nie tylko bardzo wydajna, ale może także znacząco przyczynić się do redukcji emisji w porównaniu z instalacjami opalanymi węglem i mniejszymi elektrociepłowniami na biomasę przy konkurencyjnych kosztach. Uczestnicy projektu przeanalizowali także i ocenili możliwości wykorzystania popiołu z biomasy, tak by nie trafiał on na składowiska odpadów. Ustalono na przykład, że można zastosować go jako składnik materiałów budowlanych, w tym w geopolimerach.
Zaspokojenie przyszłego zapotrzebowania
Zaletą bioenergii jest nie tylko wysoka sprawność w przypadku kogeneracji ciepła i energii elektrycznej, ale także znaczący potencjał w zakresie zmniejszenia emisji CO2 w porównaniu z paliwami kopalnymi. Dotyczy to w szczególności sektora ciepłowniczego, w którym może ona pozwolić na ograniczenie zależności od węgla w przypadku stosowania w średnich i dużych elektrociepłowniach, które są dużo bardziej efektywne niż małe systemy ciepłownicze. Mimo większego stopnia skomplikowania tej technologii, bioenergia stanowi atrakcyjną alternatywę dla odnawialnych źródeł energii takich jak wiatr czy słońce. Ponieważ bioenergia nie jest uzależniona od zmiennych warunków pogodowych, może efektywniej zaspokajać potrzeby prywatnych odbiorców przyłączonych do sieci ciepłowniczej. Według prognoz wykorzystanie średnich i dużych instalacji bioenergii zaopatrujących w ciepło i energię elektryczną zakłady przemysłowe i gospodarstwa domowe ma wzrosnąć do 2020 roku o 160 % w porównaniu z rokiem 2010, co jest szczególnie istotne w kontekście aktualnego zaostrzania limitów emisji. „Aby zaspokoić to zwiększone zapotrzebowanie, konieczne jest znalezienie nowych sposobów na efektywne wykorzystanie tanich i aktualnie nieużywanych materiałów wsadowych”, mówi koordynator projektu Sebastian Fendt.
Słowa kluczowe
Biofficiency, biomasa, ciepło, chłodzenie, energia, odnawialne źródła energii, surowce, bioenergia, energia elektryczna, emisja dwutlenku węgla, spalanie
