4. BIOMASA4.1. Vrste i svojstva biomase 4.2. Primarne tehnologije pretvorbe 4.3. Male kogeneracijske elektrane 4.4. Potencijali biomase u svijetu i HR

257

4.1. Vrste i svojstva biomase

258

Definicija: Biomasa su sve biorazgradive tvari biljnog i ivotinjskog porijekla, dobivene od otpada i ostataka poljoprivredne i umarske industrije. Biomasa dolazi u: vrstom, tekuem (biodizel, biodizel, bioetanol, biometanol) i plinovitom stanju (npr. bioplin, plin iz rasplinjavanja biomase, deponijski plin)

259

Vrste biomase: 1. umska biomasa: Ostaci i otpad iz drvne industrije, nastali redovitim gospodarenjem umama, prostorno i ogrjevno drvo. Odrivo koritenje meunarodni koncenzus Hrvatska 44% povrine pod umama, godinji prirast 9.6 milijuna m3 2. Biomasa iz drvne industrije Ostaci i otpad pri piljenju, bruenju, blanjanju. Gorivo u vlastitim kotlovnicama, sirovina za proizvode, brikete... esto otpad koji optereuje poslovanje drvne industrije. Jeftinije i kvalitetnije gorivo od umske biomase.260

3. Poljoprivredna biomasa Ostaci godinjih kultura: slama, kukuruzovina, oklasak, stabljike, ljuske, kotice... Svojstva: heterogenost, niska ogrijevna mo, visok udio vlage, razliite primjese (npr. Na, Cl)Primjer: Nakon berbe kukuruza na obraenom zemljitu ostaje kukuruzovina, stabljika s liem, oklasak i komuina. Budui da je prosjeni odnos zrna i mase (tzv. etveni omjer) 53% : 47%, proizlazi kako biomase priblino ima koliko i zrna. Ako se razlue kuruzovina i oklasak, tada je njihov odnos prosjeno 82% :18%, odnosno na proizvedenu 1 t zrna kukuruza dobiva se i 0,89 t biomase kukuruza to ine 0,71 t kukuruzovine i 0,18 t oklaska. Iako je neosporno kako se nastala biomasa mora prvenstveno vraati u zemlju, preporuuje se zaoravanje izmeu 30 i 50% te mase, to znai da za energetsku primjenu ostaje najmanje 30%.261

4. Energetski nasadi Biljke bogate uljem ili eerom, s velikom koliinom suhe tvari (ugljik C), kao to su: - brzorastue drvee i kineske trske s godinjim prinosom od 17 tona po hektaru, - eukaliptus: 35 t suhe tvari, - zelene alge s prinosom od 50 tona po hektaru, - biljke bogate uljem ili eerom, - u Hrvatskoj se najvei prinosi postiu s topolama,vrbama i jablanima Svojstva: Kratka ophodnja, veliki prinosi. Koritenje otpadnih voda, gnojiva i taloga (vegetacijski filtri). Izbjegavanje vikova u poljoprivrednoj proizvodnji.262

5. Biomasa sa farmi ivotinja Izmet ivotinja (anaerobna razgradnja u digestoru), spaljivanje leina (npr. peradarske farme). Bioplin: mijeavina - metana CH4 (40-75 %), - ugljinog dioksida CO2 (25-60 %) i - otprilike 2 % ostalih plinova (vodika H2, sumporovodika H2S, ugljikovog monoksida CO). Bioplin je otprilike 20 % laki od zraka i bez mirisa je i boje. Temperatura zapaljenja mu je izmeu 650 i 750 oC, a gori isto plavim plamenom. Njegova kalorijska vrijednost je oko 20 MJ/Nm3 i gori sa oko 60 %-om uinkovitou u konvenc. bioplinskoj pei.263

6. Biogoriva Etanol (alkoholno gorivo) nastaje hidrolizom molekula kroba enzimima u eer koji fermentira u alkohol (eerna trska, melasa, kukuruz, drvo, poljoprivredni ostaci). Za proizvodnju metanola mogu se koristiti sirovine s visokim udjelom celuloze kao to je drvo i neki ostaci iz poljoprivrede. Sirovina se najprije konvertira u plinoviti meuproizvod iz kojeg se sintetizira metanol. Biodizel nastaje esterifikacijom biljnih ulja s alkoholom (uljana repica, suncokret soja, otpadno jestivo ulje, loj) Svojstva slina motornim gorivima (mijeanje ili uporaba u istom obliku)

264

7. Gradski otpad Zeleni dio recikliranog kunog otpada, biomasa iz parkova i vrtova, mulj iz kolektora otpadnih voda. Veliki investicijski trokovi (4000$/kW), ali uz zbrinjavanje otpada ekoloki prihvatljivo!

265

Svojstva biomase 1. Obnovljivost Sve vrste biomase su obnovljive (dotok se ne smanjuje za ljudsko poimanje vremena), s tim da je za ogrjevno drvo uvjet obnovljivosti neprekidno poumljavanje prostora barem toliko da godinji prinos bude jednak godinjem iskoritenju drvne mase. 2. Ogrjevna mo biomase Osnovna karaktreristika: nehomogenost, kao posljedica razliitih udjela vlage i pepela Drvo: 8,2 do 18,7 MJ/kg Biljni ostaci: 5,8 16,7 MJ/kg Biodizel: 37,2 MJ/l Etanol: 26,8 MJ/l Bioplin: 26 MJ/Nm3Usporedbe radi: ogrjevna mo nafte oko 42 MJ/l, prirodnog plina 34-38 MJ/Nm3, kamenog ugljena 24-37,7 MJ/kg, mrkog 12,7-23,9 MJ/kg, lignita do 12,6 MJ/kg266

3. Utroak energije za pridobivanje Izravno kod umske biomase: npr. za sjeu drvne mase, za poumljavanje i uzgoj ume, za transport od mjesta sjee do mjesta koritenja te za pripremu drveta za koritenje. Mogua neracionalnost uporabe (utroak energije > proizvedene energije). Poljoprivredna, ivotinjska i biomasa iz drvne industrije, te otpad: mogue izostaviti utroak pridobivanja jer se odvija neovisno od energetskog koritenja: npr. slama kao rezultat poljoprivredne proizvodnje penice (ili e istrunuti ili energetski iskoristiti). 4. Emisije tetnih plinova pri sagorijevanju Emisija plinova eventualno manje tetnih od konvencionalnih goriva jer praktiki nema sumpora. Ipak emisija je neto vea nego li iz konvencionalnih postrojenja (manji stupanj djelovanja, manje jedinice). Emisija kod koritenja otpadaka moe biti i opasna ako se prethodno iz otpadaka (smea) ne izdvoje tetni sastojci.267

5. Kumulativna CO2 neutralnost Kumulativna neutralnost: u ukupnom lancu od pridobivanja energije, izrade i montae pog. ureaja, do koritenja i zbrinjavanja. Ipak, misli se na neutralnost prilikom pretvorbe u iskoristljiviji oblik (tada je ispunjeno!). Za biomasu: ispunjeno samo ukoliko je godinje iskoritavanje mase jednako ili manje od godinjeg prirasta nove mase. Tada e emisija CO2 pri koritenju te biomase biti jednaka imisiji CO2 prilikom fotosinteze te biomase.268

6. Povrinska raspodjela i energetska gustoa Relativno ravnomjerno raspodijeljena, no vrlo male (energetske) povrinske gustoe: npr. na 1 km2 slama ima energetski sadraj oko 2 kWh/god. Usporedba: na 1 km2 oko 1.000 kWh/god Suneva zraenja (geog. irina HR) ili naftna buotina s godinjim iscrpkom od npr. 100 tisua tona iji je energetski sadraj otprilike 1 milijarda kWh/god, a zauzima povrinu od par stotina m2! 7. Mogunost transportiranja i skladitenja Biomasa se da transportirati na razumno veliku udaljenost (jer bi pretjerana udaljenost traila vie energije za transport od energetskog sadraja tvari koja se prevozi) te se da uskladititi i koristiti prema potrebi. Bitna prednost npr. pred energijom Suneva zraenja ili vjetra.

269

Biomasa i zapoljavanje Koritenje biomase omoguava i zapoljavanje, poveanje lokalne i regionalne gospodarske aktivnosti, ostvarivanje dodatnog prihoda u poljoprivredi, umarstvu i drvnoj industriji kroz prodaju biomase-goriva (procjena u 2005. godini na poslovima proizvodnje i koritenja biomase na podruju EU bilo zaposleno preko pola milijuna ljudi).

1- ukupno zaposleni,

2-proizvodnja biomase, 3-posluivanje postrojenja 4-proizvodnja postrojenja 5-pratee djelatnosti

Koritenje biomase i oekivani porast zaposlenosti u RH270

4.2. Primarne tehnologije pretvorbe biomase

271

Primarne tehnologije prerade biomase Osnovni problem je velika vlaga i mala energet. vrijednost po jedinici mase: prerada u pogodniji oblik za transport, skladitenje i uporabu 1. Zgunjavanje (briketiranje i peletiranje): smanjivanje volumena (radi transporta, automatizacije loenja). Faze: usitnjavanje materijala, suenje, presanje (peletiranje i briketiranje) i hlaenje Godinje potronja peleta u porastu, npr. u srednjoj Europi: 2001. 120.000 t, 2002. 200.000 t, 2010. oekivano 1.000.000 t Trenutna cijena: sirovine 18,3 /t, peleta170 /t (trokovi obrade, transporta, skladitenja...)272

2. Biokemijske pretvorbe: 2.1. Anaerobna digestija (truljenje, razgradnja) Postoje dva osnovna tipa organske digestije (razgradnje): aerobna (uz prisustvo kisika) i anaerobna (bez prisustva kisika). Svi organski materijali, i ivotinjski i biljni, mogu biti razgraeni u ova dva procesa, ali produkti e biti vrlo razliiti. Aerobna digestija proizvodi ugljini dioksid, amonijak i ostale plinove u malim koliinama, veliku koliinu topline i konani proizvod koji se moe upotrijebiti kao gnojivo. Anaerobna digestija proizvodi bioplin: metan, ugljini dioksid, neto vodika i ostalih plinova u tragovima, vrlo malo topline i konani proizvod (gnojivo) sa veom koliinom duika nego to se proizvodi pri aerobnoj fermentaciji. Takvo gnojivo sadri duik u mineraliziranom obliku (amonijak) koje biljke mogu bre preuzeti nego organski duik (posebno pogodno za oplemenjiv. obradivih povrina).273

Anaerobna digestija Anaerobna digestija se odvija samo u specifinim uvjetima meu kojima su ulazna pH vrijednost ulazne mjeavine izmeu 6 i 7, potrebna temperatura od 25-35 oC te odreeno vrijeme zadravanja mjeavine u digestoru (bioreaktoru).

274

Digestor Postrojenje za proizvodnju bioplina naziva se digestor. Budui da se u njemu dogaaju razliite kemijske i mikrobioloke reakcije, poznat je i kao fermentator, bioreaktor ili anaerobni reaktor. Glavna mu je funkcija da prui anaerobne uvjete (nepropustan za zrak i vodu). Najea izvedba sa stalnim mijeanjem (agitator).

275

Digestorski sustav Kompletan digestorski sustav se sastoji od talonika, cijevi za odvoenje, digestora, spremnika plina, cisterne za pohranu stajskog gnojiva i sustava za iskoritavanje plina (ovisno o veliini postrojenja radi se o plinskom motoru ili plinskom turbini).

276

Koliina bioplina i energije Ovisi o vrsti ivotinje. Npr. koritenjem izmeta od 120 krava moe proizvesti dovoljno bioplina za pogon motora snage 50 kW, to je dovoljno za pokrivanje potreba za elektrinom energijom manjeg sela.Vrsta otpada Koliina (kg/dan) Suho (kg/dan) En. po ivotinji Bioplin po ivotinji (m3/dan) (kWh/god)

ivotinja

Goveda Goveda Svinje Svinje Perad

Tekui Suhi Tekui Suhi Suhi

51 32 16,7 9,9 0,66

5,4 5,6 1,3 2,9 0,047

1,6 1,6 0,46 0,46 0,017

3400 3400 970 970 36277

Deponijski (bio)plin U industrijskim zemljama nastaje 300-400 kg smea godinje po osobi. Deponijski plin nastaje anaerobnom razgradnjom organskih supstanci pod utjecajem mikroorganizama. U sreditu deponije nastaje nadtlak, pa plin prelazi u plinske sonde sabirnog sustava. Prosjean sastav deponijskog plina je 35-60 % metana, 37-50 % ugljen-dioksida i u manjim koliinama se mogu nai ugljen-monoksid, duik, vodik-sulfid, fluor, klor, aromatini ugljikovodici i drugi plinovi u tragovima. Ovaj koncept podrazumijeva postavljanje vertikalnih perforiranih cijevi u tijelo deponije (bunari, trnovi, sonde) i njihovo horizontalno povezivanje. U kompresoru deponijski plin se isisava, sui i usmjerava ka plinskom motoru. Iz sigurnosnih razloga preporuuje se ugradnja visokotemperaturne baklje koja preuzima vikove plina.278

Deponijski (bio)plin

279

2.2. Fermentacija Proizvodnja bioetanola zamjena za benzin (do 20% udjela u mjeavini bez preinaka motora) Sirovine: eer (eerna trska), krob (kukuruz), celuloza (drvo, poljoprivredni ostaci)

280

Osnovne faze u procesu proizvodnje etanola su: - priprema sirovine, - fermentacija, - destilacija etanola. Priprema sirovine je zapravo hidroliza molekula kroba enzimima u eer koji moe fermentirati. Uobiajena tehnologija za proizvodnju etanola je fermentacija u pei s obinim kvascem za proizvodnju 8 do 10%-tnog alkohola nakon 24 do 72 h fermentacije. Nakon toga slijedi destilacija tog alkohola u nekoliko faza ime se dobiva 95%-tni etanol. Za proizvodnju posve istog etanola, kakav se koristi za mijeanje s benzinom, dodaje se benzen i nastavlja destilacija te se dobiva 99,8%-tni etanol.

281

Prinos etanola iz raznih sirovina

Etanol (i metanol) se moe koristiti u motorima s unutarnjim izgaranjem uz dodavanje benzinu ili kao njegova potpuna zamjena. Za dodavanje do 20% etanola u benzin nisu potrebne nikakve preinake ni zahvati na motoru, dok za dodavanje veeg udjela ili za pogon samo na etanol treba djelomino modificirati motor to poskupljuje cijenu takvih vozila za oko 5 do 10%.

282

Usporedba svojstava alkoholnih goriva i benzina

Vodea zemlja u proizvodnji i primjeni etanola za vozila je Brazil, u kojem se svake godine proizvede vie od 15 milijardi l. Oko 15% brazilskih vozila se kree na isti etanol, a oko 40% koriste 20%-tnu smjesu s benzinom. Smanjena ovisnost o inozemnoj nafti i otvorilo dodatno trite domaim proizvoaima eera (trokovi proizvodnje: 0,16 US$/l, 1.000.000 l etanola-38 radnih mjesta, a 1.000.000 l benzina-0,6 radnih mjesta). U SAD-u etanol ini oko 9% ukupne godinje prodaje benzina.283

2.3. Esterifikacija Biodizel je komercijalni naziv pod kojim se Metil-ester (ME), bez dodanog mineralnog dizelskog goriva, nalazi na tritu tekuih goriva i prodaje krajnim korisnicima. Standardizirano je tekue nemineralno gorivo, neotrovan, biorazgradivi nadomjestak za mineralno gorivo, a moe se proizvoditi iz biljnih ulja, recikliranog otpadnog jestivog ulja ili ivotinjske masti procesom esterifikacije, pri emu kao sporedni proizvod nastaje glicerol.

284

Metil-ester (ME) je kemijski spoj dobiven reakcijom (esterifikacija) biljnog ulja (uljana repica, suncokret, soja, palma, ricinus itd.) ili ivotinjske masti s metanolom u prisutnosti katalizatora. Svojstva: visoka viskoznost - postie se esterifikacijom metanolom, bolja mazivost - odstranjivanje sumpora i aromata (za razliku od mineralnog dizela), bioragradivost Prilagodbe automobila: cijevi za gorivo, povrat goriva iz pumpe, brtve koje dolaze u dodir s gorivom

285

Izbor osnovne sirovine za dobijanje biodizela ovisi o specifinim uvjetima i prilikama u konkretnim zemljama, u Europi se za proizvodnju biodizela najvie koristi ulje uljane repice (82,8%) i ulje suncokreta (12,5%), dok se u Americi najvie koristi ulje soje, a u azijskim zemljama se koristi i palmino ulje.

286

Prednosti biodizela Osim to je po svojim energetskim sposobnostima jednak obinom dizelu, ima puno bolju mazivost, pa znaajno produava radno trajanje motora, Smanjenje oneienja okolia (prilikom rada motora, na ispunoj cijevi se oslobaa ak 10% kisika, eliminira CO2 emisiju), Biodizelska goriva ne sadre sumpor ni teke metale, koji su glavni oneiivai zraka prilikom uporabe dizela dobivenog iz nafte, Pretvara NOx u bezopasni nitrogen. Mogua proizvodnja u kunoj radinosti. Vii cetanski broj laka zapaljivost, Transport biodizela gotovo je potpuno neopasan za okoli, jer se dospjevi u tlo razgradi nakon 28 dana, Ako nafta tijekom manipulacije ili transporta dospije u vodu, jedna litra zagadi gotovo milijun litara vode, dok kod biodizela takvo zagaenje ne postoji, jer se on u vodi potpuno razgradi ve nakon nekoliko dana.287

Emisije tetnih plinova biodizela u usporedbi s obinim dizelom

Ugljini monoksid Ugljikohidrati

- 42,7 % - 56,3 % - 55,3 % - 60 90 % - 100 %288

Emisije CO2 Ostalo

estice materije Toksini Sulfati

Duini monoksid + 13,2 %

3. Termokemijske pretvorbe: 3.1. Sagorijevanje 1. Zagrijavanje i suenje, 2. destilacija (isparavanje) hlapljivih sastojaka piroliza, 3. izgaranje hlapljivih sastojaka, 4. izgaranje vrstog ugljika Proizvodi se pregrijana vodena para za grijanje u industriji i kuanstvima ili za dobivanje elektrine energije u malim TE. Takva postrojenja kao gorivo koriste najee: - drvni otpad iz umarstva i drvne industrije, - slama i drugi poljoprivredni ostaci te - komunalni i industrijski otpad

289

Primjer grijanja kuanstva pomou biomase

290

Drvna biomasa: velik i promjenjiv udio vlage (50-55 % za svjee drvo), velik udio hlapljivih sastojaka (do 80 %), potrebne posebne vrste pei (u odnosu na one za ugljen) Smanjenjem vlanosti biomase ogrjevna vrijednost se uvelike poveava. Iz tog je razloga, za to bolje iskoritenje energije, korisno suiti biomasu.

Modul skladitenja i suenja biomase291

Modul osigurava volumen skladita biomase od 50 m3 ime je osigurana zaliha u skladitu za 30 - 35 sati rada postrojenja sa maksimalnim kapacitetom - to omoguava dopunjavanje skladita biomase jedan puta dnevno. Kompletan sustav manipulacije sa biomasom u okviru modula je voen mikroprocesorski. Za rad postrojenja - predviena je usitnjena drvna biomasa do veliine od 50 mm (kora, sjeka pilanskog i finalnog drvnog otpada, te usitnjena umska biomasa) ili usitnjena poljoprivredna biomasa (oklasak i usitnjene stabljike kukuruza i suncokreta). Suenje se provodi sa toplim zrakom temperature cca 100oC - iz toplovodnog izmjenjivaa. Topla voda koja zagrijava zrak za suenje dovodi se iz vodom hlaenog loita zagrijaa zraka za turbinu. Navedeni sistem suenja omoguava skidanje vlage biomase za cca 20 %.

292

U sluaju rada sa izrazito vlanom biomasom - mogue je izvriti dogradnju kanala za dovoenje dimnih plinova za suenje (oko 220oC) ime se moe dodatno poveati suenje uz poveanje energetske vrijednosti biomase do cca 20 %. Poljoprivredna biomasa: briketi, peleti - mala energetska gustoa, slama vei udio Na, Cl, K (korozija), manja temperatura taljenja pepela (taloenje) Gradski otpad: veliki investicijski trokovi (4000 US$/kW), negativna percepcija javnosti, primarni cilj nije proizvodnja energije ve zbrinjavanje otpada.

293

3.2. Rasplinjavanje Termokemijska pretvorba na visokoj temperaturi (i do 1400C) uz ogranien dotok kisika. Poveava se efikasnost proizvodnje elektrine energije (plinske turbine = 35-45%, parne turbine na drva oko 20%). Sastav plina: CO, CH4, H2, ovisno o dizajnu ureaja za rasplinjavanje (protustrujno - odozgo,istostrujno - odozdo , u sloju), temp.,vlanosti i sastavu biomase, sredstvu rasplinjavanja (zrak/kisik) Problem: neistoe u plinu (osjetljive plinske turbine), skupo proiavanje

294

295

3.3. Piroliza Termokemijski proces s ogranienim dotokom kisika (dio procesa sagorijevanja), pri emu dolazi do isparavanja hlapljivih sastojaka i proizvodnje tekueg goriva (bioulja), pogodnije za transport i skladitenje Znatan potencijal (npr. piroliza otpada), potrebna daljnja ulaganja u istraivanja i razvoj, za sada malo primjene.

296

297

4.3. Male kogeneracijske elektrane

298

Proizvodnja elektrine energije iz biomase Za proizvodnju elektrine energije isto kao kod fosilnih goriva, u termoelektranama; najprije pretvaranje u toplinsku energiju nosilaca (vodena para kod parnih turbina, plin kod plinskih turbina), pretvaranje u mehaniku, a potom u elektrinu energiju. Zbog trokova transporta za biomasu pogodna postrojenja manje snage, ali imaju nii stupanj djelovanja (npr. za TE na biomasu tipine snage 5 MW = 15 do 20%), za plinske turbine vei stupanj djelovanja ( = 45 do 50%). Poveanje stupnja djelovanja: kogeneracija (CHP) istovremena proizvodnja toplinske i elektrine energije. Potreban potroa topline (npr. umarska industrija). Trigeneracija: grijanje, hlaenje, elektrina energija (npr. prehrambena industrija). Motori s unutarnjim izgaranjem (bioetanol, biodizel).299

Kondenzacijske parne turbine proizvodnja elektrine energije Da se postigne to vei pad entalpije izmeu stanja na ulazu u turbinu i stanja na kraju ekspanzije, para se dovodi u kondenzator, u kojem se kondenzira djelovanjem rashladne vode. Zbog toga u kondenzatoru vlada vrlo mali tlak (i do 0,02 bara), koji ovisi o temperaturi rashladne vode, a koja djeluje kao i hladni spremnik, odnosno kao okolina. U takvoj turbini iskoritava se najvei mogui pad entalpije polazei od zadanog stanja pare na ulazu u turbinu. Shema kondenzacijske parne turbine

300

Stupanj djelovanja kondenzacijske TE Proces u TE moze se prikazati kao Carnot-ov kruni proces h-s dijagramom u kojem se kao ordinata nanosi entalpija (h), a kao apscisa entropija (s).

Prikaz procesa bez gubitaka u kondenzacijskoj parnoj termoelektrani (h-s dijagram)Elektrotehniki fakultet Osijek 301

Toka A: odgovara stanju vode na izlazu iz pojne pumpe; s tim stanjem voda ulazi u kotao, U kotlu: se para pregrijava (A-B), isparava (B-C) i pregrijava (C-D). U turbini: para ekspandira (D-E) - uz pretpostavku adijabatske ekspanzije (bez promjene topline) do tlaka kondenzatora (tocka E), U kondenzatoru: se para kondenzira (E-A) i sa stanjem koje odgovara toki A izlazi iz kondenzatora. U pojnim pumpama: promjena stanja od A - A posljedica je povienja tlaka vode. Termiki stupanj djelovanja Teorijska korisna energija jednaka je hD - hE (hD - entalpija pare na ulazu u turbinu, hE - entalpija na izlazu iz turbine). Ako se uvai energija za pumpanje pojne vode, moe se teorijska korisna energija odrediti iz izraza hD hE (hA hA),

Elektrotehniki fakultet Osijek

302

Dovedena je energija jednaka hD hA (hA - entalpija vode na ulazu u kotao). Ovaj izraz moe se proiriti sa hA pa se dobiva izraz hD hA (hA hA). Omjer izmeu teorijske korisne i dovedene energije naziva se termiki stupanj djelovanja:

er =

hD hE ( h A ' h A ) hD h A ( h A ' h A )

Iz razmatranja moe se ispustiti lan (hA hA) u brojniku jer se potroak energije za pojnu pumpu moe ukljuiti u ostali vlastiti potroak elektrane. Za ova razmatranja moe se zanemariti taj lan i u nazivniku, ime se ini neto vea greka kad je tlak visok. Pretpostavljeno je, dakle, da se toka A na slici 5.1 poklapa s tokom A. Izraz za termiki stupanj djelovanja tada glasi:

ter =

hD hE hD h A303

Elektrotehniki fakultet Osijek

Carnotov idealni proces - maksimalni stupanj djelovanja kod pretvorbi unutarnje topline u mehaniki rad

Carnot p-v dijagramp Qd W Qo Izoterma Td i To Adijabata V40 20

t =100 80 60

Td To T = 1 o Td Td

(%)

Izvreni mehaniki rad (J/kg): Izvr mehani

Td(K) 0 200 400 600 800 1000

W = Qd QoElektrotehniki fakultet Osijek

304

Protutlane parne turbine kogeneracija (npr. industrija) Para ekspandira do tlaka znatno viega od onoga u kondenzatoru. Tada se para koja je smao djelomino ekspandirala u turbini iskoritava za tehnoloke procese (grijanje, isparavanje, kuhanje, suenje i sl.) ili za grijanje prostorija. Upotreba je opravdana samo ako ima potroaa koji mogu iskoristiti djelomino ekspandiranu paru. Najee se takva para dovodi u izmjenjivae topline kod potroaa ili toplani, koji djeluju kao kondenzatori, ali s tim da se entalpija isparivanja iskoritava ili za tehnoloke procese ili za grijanje prostorija. Nasuprot tome, u kondenzacijskoj se turbini entalpija isparavanja odvodi beskorisno u okolinu.

Shema protutlane parne turbine305

Parne turbine s reguliranim oduzimanjem pare kogeneracija (npr. TE-TO) Grade se da se ukloni vrsta ovisnost mehanike energije na osovini turbine o unutarnjoj top. energiji pare na izlazu iz turbine. Sastoji se od visokotlanog (VT) i niskotlanog (NT) dijela, smjetenih u odvojena kuita, na zajednikoj osovini. U VT dijelu ekspandira sva para koja se dovodi iz kotla, a nakon ekspanzije dio nje se odvodi potroaima, a dio u NT dio turbine. Pred ulazom u NT dio nalazi se protoni ventil, kojim se regulira koliina pare za ekspanziju do kondenzatorskog tlaka. Budui da tlak pare na izlazu iz VT dijela ovisi o koliini pare koja struji kroz taj dio turbine, promijeni li se koliina pare kroz NT dio, mijenjat e se i koliina kroz VT dio, a time i tlak pare za potroae.Tako se moe odrati konstantni tlak pare oduzimanja.

Shema parne turbine s reguliranim oduzimanjem

Elektrotehniki fakultet Osijek

306

Usporedba energetske uinkovitostiOdvojena proizvodnja: kondenzacijska TE + toplana (TO) Kogeneracija: termoelektrana toplana (TE-TO)

= 50 %

Gubici TE i distribucije 70

= 80 %E elektrina energija T toplinska energija

Gorivo za TE 100

Termoelektrana E 30 Potroa E Gorivo za kogeneraciju T 113

Gorivo za TO 80

Toplana

T

60

Gubici TO Gorivo: 180

20 Gubici: 90 90

Gubici kogeneracije

23

Gorivo: 113

Gubici: 23

307

Male kogeneracijske elektrane Male kogeneracijske elektrane su vienamjenski objekti, koji iz (fosilnih goriva i) biomase postupkom kogeneracije proizvode elektrinu i toplinsku energiju, a u odreenim sluajevima proizvodi se i hladna voda za potrebe hlaenja. Odgovarajue toplinske snage ovise o vrsti energetskog agregata i kreu se u rasponu od 20-20.000 kWe. Osnovna prednost malih kogeneracijskih elektrana u odnosu na odvojenu proizvodnju elektrine i toplinske energije je smanjenje trokova goriva (poveanjem uinkovitosti), a time i smanjenje zagaenja okolia. Osnovi nedostatak: otpada prijenos energije na vee udaljenosti, jer se toplina i struja proizvode okolino prihvatljivo u teitima potronje. Toplina se predaje izravno u objektu ili u oblinju toplinsku mreu. Elektrina energija se takoer koristi u objektu, a viak se isporuuje u postojeu lokalnu NN ili SN distribucijsku mreu.308

Prednost malih kogeneracijskih elektrana je i u modularnoj izvedbi, pa se veliina malih kogeneracijskih objekata moe prilagoditi porastu potronje elektrine i toplinske energije stupnjevitom izgradnjom odnosno dodatnim modulima. Postojee toplane i rezervni elektrini agregati mogu se dograditi, odnosno rekonstruirati u male kogeneracijske elektrane. U prednosti malih kogeneracijskih elektrana mogu se jo ubrojiti relativno mala dodatna ulaganja isplativa za nekoliko godina, lokacija je redovito u okviru industrijskog ili javnog objekta to olakava ishoenje dozvola, kao i kratak rok izgradnje (i zbog modularne izvedbe).

309

Kogeneracija nije isplativa u svim uvjetima! ve samo za odgovarajuu kombinaciju potronje elektrine i toplinske energije. Kako je viak elektrine energije u svakom trenutku mogue prodati elektroenergetskom sustavu do snage 5 MWe, zapravo je toplinsko optereenje determinirajue za isplativost malih kogeneracijskih elektrana. Ako toplinsko optereenje traje vie od 3000-5000 sati godinje za oekivati je isplativost kogeneracije. Najzanimljiviji objekti za primjenu kogeneracije su oni kod kojih se toplinska energija troi to stalnije i to due tijekom dana, tjedna i godine. Isto tako zanimljivi su sluajevi gdje postoje otpadna goriva, kao to su razliite vrste bioplina (deponijski, muljni, destilacijski i sl.), te drvni otpad.

310

Parnoturbinska kogeneracija Ima opravdanja za koritenje krutog goriva: ugljena, drvnih otpadaka i biomase, ali kao lokalnih izvora.Para Ispuh Elektrina energija Gorivo Parna turbina

Zrak

Parni kotao

GPara

Parna turbina

Napojna voda

Para

Topla voda Izmjenjiva topline

Dodatna voda Kondenzat

Shema parnoturbinske kogeneracije311

Kotlovi za proizvodnju pare u sustavu parnoturbinskog postrojenja dijele se na: kotlove loene ugljenom, drvnim otpatcima, ili biomasom u vrtlonom loitu, ili s rotiljnim loenjem.Znaajke parnoturbinskih postrojenja za kogeneracijuElektrina snaga agregata [kWe] Specifini potroak topline [kJ/kWhe] Iskoristiva toplinska snaga [kWt]

Gorivo

do 1000 1000-2500 2500-5000

25000-20000 21000-16000 17000-13000

do 5000 5000-10000 10000-20000

biomasa, ugljen biomasa, ugljen biomasa, ugljen

312

Plinska kogeneracija Zasniva se na plinskim turbinama otvorenog ciklusa, koje u sprezi s generatorom proizvode elektrinu energiju.Ispuh Gorivo Para (vrela voda) Potroai topline KI Komora izgaranja Kompresor Plinska turbina Zrak G Ispuni kotao

Plinska turbinaElektrina energija

Shema plinskoturbinske kogeneracije

313

Plinska turbina primjenjuje se kod koncipiranja malih kogeneracijskih elektrana najee za vee snage, iznad 1 MWe. Plinske turbine odlikuju se: velikom uinkovitou, malo zagaenje okolia, velika pouzdanost, niska cijena izgradnje, potreban mali prostor, mogunost modulne izvedbe, kratko vrijeme do pune snage.Znaajke plinskoturbinskih agregata za kogeneracijuElektrina snaga agregata [kWe] 25-150 200-1000 1000-2500 2500-5000 Specifini potroak topline [kJ/kWhe] 12000-10000 10000-8000 9000-8500 8500-7500 Iskoristiva toplinska snaga [kWt] 40-200 250-1200 1200-2600 2600-5000

Gorivo

Loivo ulje Loivo ulje, plin Loivo ulje, plin Loivo ulje, plin

314

Termomotorna kogeneracija Zasnovana je na motorima s unutarnjim izgaranjem (otto i dizel), koji u sprezi s generatorima proizvode elektrinu energiju, a koritenjem otpadne topline ispunih plinova i rashladne vode proizvode i toplinu u obliku vrele vode i/ili pare.Dimnjak

Elektrina energija Agregati Vrni kotao Toplinski akum.

Potroa

Gorivo

Shema termomotorne kogeneracije315

Termomotori se primjenjuju u irokom rasponu snaga od 10 kWe do nekoliko MWe. Temperaturna razina korisne topline za primjenu termomotora je do maksimalno 115 C, a najpovoljnije je oko 80 C. Pozitivne osobine kao na primjer: visoka uinkovitost (do 50 %), velika pouzdanost, lako odravanje, mala teina i potrebni prostor, paketna izvedba, dobro ponaanje kod djelominih optereenja, te kratko vrijeme do pune snage, dovele su do brzog prodora termomotora u podruje kogeneracije. Termomotori za male kogeneracijske elektrane se pojavljuju u dvije osnovne izvedbe: plinski motori i dizel motori. Plinski motori najee se primjenjuju za manje jedinice, a koriste sve vrste plinovitih goriva od prirodnog plina do raznih vrsta bioplina. U malim kogeneracijskim elektranama se primjenjuju dvije vrste plinskih motora: modificirani (plinski) automotori i industrijski plinski motori.Dizel motor za agregate

Industrijski plinski motor

Modificirani automotor 316

Znaajke kogeneracijskih agregata na bazi modificiranih automotoraElektrina snaga agregata [kWe] 15 38 75 145 Specifini potroak topline [kJ/kWhe] 12960 12900 12400 12160 Iskoristiva toplinska snaga [kWt] 39 70 130 265 Gorivo Plin, bioplin Plin, bioplin Plin, bioplin Plin, bioplin

Znaajke kogeneracijskih agregata na bazi industrijskih plinskih motoraElektrina snaga agregata [kWe] 25-150 200-1000 1000-2500 2500-5000 Specifini potroak topline [kJ/kWhe] 13000-11000 12000-10000 10500-9500 10000-9500 Iskoristiva toplinska snaga [kWt] 50-250 350-1400 1400-3500 3500-7000 Gorivo Plin, bioplin Plin, bioplin Plin, bioplin Plin, bioplin

317

Kogeneracijski moduli na bazi dizel motora izvode se u irokom rasponu elektrinih snaga od 25 kWe do 5000 kWe. U podruju manjih snaga obino su paketne izvedbe.Znaajke kogeneracijskih agregata na bazi dizel agregataElektrina snaga agregata [kWe] 25-150 200-1000 1000-2500 2500-5000 Specifini potroak topline [kJ/kWhe] 12000-10000 10000-8000 9000-8500 8500-7500 Iskoristiva toplinska snaga [kWt] 40-200 250-1200 1200-2600 2600-5000

Gorivo

loivo ulje loivo ulje, plin loivo ulje, plin loivo ulje, plin

318

Stirlingov motor Stirlingov motor izumio je Robert Stirling 1816. godine, a radi prema naelu Stirlingovog termodinamikog ciklusa. Populariziran je zbog koritenja zraka kao radnog fluida, ali je izgubio na znaaju kako je napredovala tehnologija parnih turbina i nakon izuma Ottovog ciklusa. Pogodnost Stirlingovog motora je mogunost koritenja svih vrsta goriva, pa tako koristi fosilna goriva, biomasu, solarnu, geotermalnu i nuklearnu energiju. Kada se koristi i fosilno gorivo i biomasa, grija s konstantnim izgaranjem izbjegava temperaturne skokove, to ima za posljedicu vrlo niske emisije koje se mogu kontrolirati. Premda je vrlo malih dimenzija, elektrina uinkovitost moe biti i vea od 30 posto. Stirlingov motor s dobrom tehnologijom iskoritenja topline kao kogeneracija moe postii uinkovitost od ak 98 posto, jer se na neki nain iskoristi sva toplinska energija.319

Stirlingov motor iskoritava toplinu slino parnoj turbini, a zbog malih snaga koje su u rasponu od 1 kW do 25 kW, koristi se kao mikrokogeneracija u kuanstvima.

Stirlingov termodinamiki ciklus320

Elektrane na biomasu Na niskom naponu (0,4 kV) male kogeneracijske ( ~ deseci do stotine kW) Na srednjem naponu (10, 20 i 35 kV) elektrane na biomasu i deponijski plin ( ~ MW do desetine MW) najee Na visokom naponu (110, 220 i 400 kV) industrijske i velike kogeneracijske elektrane ( ~ desetine do stotine MW) U otonom pogonu321

Elektrane na biomasu

Anderson, California, SAD SN, 50 MW

Finska kogeneracija VN, 49 (167) MW322

4.3. Potencijali biomase u svijetu i HR

323

Svjetske rezerve i potronja biomase Procjena trenutnog zadovoljavanja svjetske potronje primarnih oblika energije je samo 6 - 12% Npr. 2001. svjetska potronja primarnih oblika energije bila je oko 440 EJ (440 1018 J), a udio biomase izmeu 25 - 50 EJ (7-14 1012 kWh). Neto godinja proizvodnja organskih tvari ima energetsku vrijednost 10 puta veu godinje svjetske potronje (samo ume 3 puta vie). Potencijalne mogunosti uporabe (uvjetno - rezerve) biomase postojeih uma je na istoj razini kao svjetske rezerve nafte i plina.

324

Biomasa u svijetu trenutna povrinska (energetska) gustoa

325

Udio energije biomase u ukupnoj potronji primarne energije u svijetu 2000.

326

Uporaba energije biomase u svijetu - razdioba po zemljama

327

Udio energije biomase u ukupnoj proizvodnji elektrine energije u svijetu 2000.

328

Udio obnovljivih izvora u svjetskoj proizvodnji elektrine energije 2006. godine elektri

329

Investicijski i trokovi proizvodnje energije iz biomase Samo gorivo (sirovina) vrlo jeftino - niska ili zanemariva otkupna cijena. No, znatan utjecaj na ukupnu cijenu imaju trokovi dobivanja (izvlaenja), preradem, transporta, uz dodatni problem znatno manjeg stupnja djelovanja procesa (ili potrebe za rasplinjavanjem) kod proizvodnje elektrine energije Cijena biomase za grijanje i proizvodnju elektrine energije konkurentna cijeni fosilnih goriva, osim bioetanola (na granici konkurentnosti), biodizela (dvostruko skuplja cijena) Najefikasniji nain kako biomasu uiniti isplativim i potaknuti veu primjenu: kroz smanjenje ili ukidanje poreza/troarina, zelenim certfikatima ili putem poticaja Tarifni sustav za poticanje OIE u HRTip postrojenja Elektrane na biomasu Kruta biomasa iz umarstva i poljoprivrede (granjevina, slama, kotice) Kruta biomasa iz drvno-preraivake industrije (kora, piljevina, sjeka...) C (kn/kWh) 1 MW 1,04 0,83

330

Struktura trokova toplane na biomasu snage 5-50 MWt: Kotao (s prateom opremom) Strojarska oprema kotlovnice Oprema za mjerenje, regulaciju, instalacije Zgrada kotlovnice Infrastruktura i graevinski radovi Investicijski trokovi elektrane na biomasu:Tehnologija Stupanj djelovanja (kod proizvodnje elektr. en.) (%) 25 - 30 15 - 35 10 - 25 20 - 30 20 - 30 Trokovi investicije (USD/kWe) 800 - 1200 1700 - 4200 700 - 2000 1000 - 4800 1000 - 1300

25 % 30 % 15 % 15 % 15 %

Motor s unutar. izgar. Parna turbina Plinski motor Stirling motor Plinska mikroturbina

331

Stanje uporabe biomase u Hrvatskoj HR ima veliki umski potencijal s gotovo 45% teritorija prekriven je umom, s razvijenom drvnom industrijom te znaajnim udjelom poljoprivrede u ukupnom gospodarstv Izvrsne osnove za proizvodnju energije iz biomase!!! No, trenutno se koristi oko 16 PJ energije iz biomase (podatak iz 1998. god., 354 PJ ukupna potronja energije 1998. dakle samo oko 4.5 %) i to veinom na nedjelotvoran nain - za grijanje kuanstava. Tehniki potencijal biomase za period do 2030. godine predvia se na razini od 50 do 80 PJ.

332

Energetski potencijal biomase i otpada po regijama

333

Koritenje bioenergije u HR 1965.-1997.Ostalo Drvni otpaci Ogjevno drvo

Udio u ukupnoj potronji energije

334

Strategija proizvodnje el. energije iz biomase u HR 2000.-2030.

Elektrane Industrija kogeneracija Kuanstva - kogeneracija

335

Strategija uporabe biogoriva u HR 2000.-2030.

Graevinarstvo Poljoprivreda Promet

336

Izgraena i planirana postrojenja za spaljivanje drvne biomase u RH

kraj 2008. kraj 2009. 02.2009. Tvin Virovitica 3MWe, Belie d.d. 2.2 MWt postoji i 2.4 MWt kraj 2009. Hrast, Strizivojna: investitor M. Ravli, 36.000 m3 otpadne biomase od koje je oko 25% piljevina, raunajui sa stupnjem iskoritenja goriva u kotlovima = 0,85, iz piljevine se moe proizvesti oko 18.950 MWh toplinske energije. Ukupni oekivani trokovi za proizvodnju toplinske energije oko 61.200 /god (redovito ienje i odravanje 15.000, trokovi zaposlenika 43.200 i goriva 3.000) Uz proizvodnju (2005.): 25.261 MWh, trokovi proizvodnje toplinske energije oko 2,42 /MWh (oko 17,7 kn/MWh)

337

Energetski potencijali bioplina u Osjeko-baranjskoj upaniji Broj ivotinja koji predstavlja glavninu ivotinja u Osjeko-baranjskoj upaniji, te teorijska potencijalna energijaSvinjogojstvo Govedarstvo Muzare 9 843 Ukupan broj Ukupna energija (MWh/dnevno) Neto energija (MWh/dnevno) 257 421 172,5 Ostalo 15 287 1 001 047 74,3 60 Peradarstvo

25 130 80,22

108,2

51,9

48

32

Kako proizvodnja na gospodarstvima koja ne mogu osigurati ni neku minimalnu koliinu sirovine nije isplativa, pretpostavimo da su sustavi za anaerobnu razgradnju isplativi samo za uzgajalita koja su vea od 10 ha.338

Potencijalna energija Osjeko-baranjske upanije na uzgajalitima veim od 10 haSvinjogojstvo Govedarstvo Muzare Broj Ukupna energija (MWh/dnevno) Neto energija (MWh/dnevno) 58 093 38,9 4 715 38,43 Ostalo 9081 44,1 94 572 5,7 Peradarstvo

25,5

24,9

28,5

2,8

Grade se postrojenja na bioplin u Dvoru na Uni, Farmi Vrana, Perutnini Ptuj PIPO akovec, Jakuevcu, Plivi (Savski Marof) koja su u razliitim fazama realizacije.

339

Neka izvedena i planirana postrojenja na bioplin u RH 1. Ivankovo (VK) 1000 kWe, 1200 muznih krava trenutno + dodatnih 1000 po izgradnji postrojenja, rok: 05.2008. Investitor: P.Z. Osatina, Izvoa E3 2. Tomaanci (DJ) - 1000 kWe, 1000 muznih krava trenutno + 800 po izgradnji postrojenja, rok: jesen 2008. Investitor: P.Z. Osatina

3. Varadin 2x1000 kWe, oko 1000 muznih krava trenutno, rok: 2009. Investitor: Vindija, d.d. 4. akovec 1000kWe, oko 1000 muznih krava, rok: 2009. Investitor: Vindija, d.d.

340

Bioplinsko postrojenje u Ivankovu

341

Biomasa i okoli: Uvjetno ist izvor energije! Kumulativna CO2 neutralnost fotosinteza Udio minerala u 10 tona umske biomase po hektaru ukupno 202 kg: 113 kg kalcija, 61 kg duika, 14 kg fosfora 14 kg kalija Nuno vraanje minerala u tlo (isti pepeo)!

342

Emisija ugljika i tetnih plinova u atmosferu uvjetno!

Kyoto protokol o biomasi: Iskoristiti 10 % godinje koliine ugljika iz njegova kruenja u biomasi za energiju ili poveati ivu biomasu za 1% godinje kroz poumljavanje

343

344