NASLOVNA

0

SADRŽAJUVOD 1.1. Općenito o biomasi, usmjereno na energetske potreb1.2. Značaj korištenja biomase1.3. Karakteristike biomase1.4. Korištenje biomase kao primarnog energenta u termoelektranama

2. KOGENERACIJA

2.1 Definicija i prednosti

2.2. Kogeneracijski koncepti 3. TEHNOLOGIJE KORIŠTENJA BIOMASE 153.1. Izgaranje 3.2. Rasplinjavanje 3.3 Tehnološki procesi 3.3.1 Postrojenje parne turbine 3.3.2. Parni motor 3.3.3. Organski Rankineov ciklus (ORC) 3.3.4. Plinski motor 3.3.5. Plinska turbina s indirektnim zagrijavanjem 4. DIMENZIONIRANJE KOGENERACIJSKOG POSTROJENJA

4.1 Izbor optimalne veličine postrojenja

1

1. UVOD

Strateške odrednice energetske politike usmjerene su k povećanju udjela obnovljivih izvora energije u neposrednoj potrošnji, pri čemu se najveće povećanje očekuje u korištenju biomase u energetske svrhe. Potencijal biomase u BiH razmjerno je velik i obuhvaća šumski i drvno-industrijski ostatak, ogrjevno drvo, ostatak iz poljoprivrede, te biomasu prikupljenu pri održavanju cesta i infrastrukturnih objekata. U sljedećem desetljeću predviđa se udvostručenje korištenja biomase u energetskim pretvorbama kako zbog primjene poticajnih mjera, tako i zbog razvoja domaće drvoprerađivačke industrije. Izgradnjom i pogonom kogeneracijskih postrojenja na drvnu biomasu povećat će se udjel i omogućiti učinkovito korištenje obnovljivih izvora energije, te na taj način višestruko doprinijeti ispunjavanju ciljeva energetske politike BiH.

Uspostavom poticajnog zakonodavnog okvira za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije aktualizirane su aktivnosti planiranja i realizacije projekata izgradnje novih i revitalizacije starih energetskih postrojenja za iskorištavanje drvnog ostatka u drvnoj industriji. Trenutno je u različitim fazama razvoja više projekata kogeneracijskih postrojenja u firmama koje raspolažu s relativno velikim količinama drvnog ostatka. Zanimanje za izgradnju postrojenja manjeg kapaciteta postoji praktički u svim drvoprerađivačkim tvrtkama, a energetska postrojenja koja kao gorivo koriste drvnu biomasu zauzimaju središnje mjesto i u brojnim planovima toplifikacije naselja.

Prilikom donošenja investicijske odluke u prvi plan se stavlja pitanje izbora tehnologije i veličine kogeneracijskog postrojenja koje će tijekom eksploatacijskog razdoblja omogućiti siguran, tehnički i ekonomski optimalan, te ekološki prihvatljiv pogon. Kod određivanja optimalne veličine postrojenja uobičajeno se razmatra mogućnost nabavke dodatnih količina drvnog ostatka, ponajprije šumske sječke , pa se u skoroj budućnosti može očekivati rast potražnje za ovim, u domaćim okvirima još nedovoljno iskorištenim, energentom.

Izvjesno je da će na tržištu šumske biomase vlasnicima energetskih postrojenja konkurirati proizvođači iverice, peleta, industrija papira, kao i kupci koji već danas otkupljuju viškove drvne biomase i izvoze ih u susjedne zemlje. Realno je pretpostaviti da će se za energetske pretvorbe povremeno morati koristiti i biomasa lošije kvalitete što će se neminovno odraziti na pogonske značajke kogeneracijskog postrojenja. Očekivani porast potražnje za šumskom sječkom inicirao je osnivanje specijalizirane tvrtke za prikupljanje, iveranje i dopremanje šumske biomase.

Prilikom izbora tipa, veličine i konfiguracije kogeneracijskog postrojenja u okvirima zadane toplinske potrošnje potrebno je analizirati niz tehničkih i financijskih parametara kao što su: iskoristivost (ukupna i električna), raspoloživost, pouzdanost, složenost održavanja, značajke pogona na nižim opterećenjima, vlastita potrošnja električne energije, razina automatizacije, visina investicije... Pri analizi u obzir treba uzeti ne samo podatke koje deklariraju proizvođači opreme nego i podatke o sličnim postrojenjima koja su u pogonu. U nedostatku novijih domaćih iskustava potrebno je objektivno i nepristrano analizirati podatke o aktualnom stanju tehnologija kao i podatke o pogonu kogeneracijskih postrojenja loženih drvnom biomasom.

2

1.1. Općenito o biomasi, usmjereno na energetske potrebe

Biomasa je veoma širok pojam, kojim se opisuju materije biološkog porijekla koje mogu biti korištene kao energetski izvor. To su ustvari organske materije, sirove ili prerađene, čija se hemijska energija može pretvoriti u toplotu, električnu energiju ili gorivo. Biomasa se može koristiti za zagrijavanje, za proizvodnju električne energije. Svakim danom se javljaju novi načini korištenja biomase u raznim oblastima. Biomasa uključuje: drveće, trave, usjeve, alge i druge biljke, kao i sav poljoprivredni, biljni i životinjski otpad. Nju čine i mnogobrojne druge organske otpadne materije, kao što su ostaci nakon pripreme hrane ili pića te organski djelovi otpada domaćinstava. Drvo je sigurno najstariji oblik energije koji je čovjek upotrijebio, prije svega za pripremanje hrane i grijanje. Najvjerovatnije je i za prvu vještačku rasvjetu poslužila drvena baklja. I nakon otkrića fosilnih goriva, drvo je u pojedinim oblastima svijeta ostalo glavni oblik energije. Zbog toga je potrošnja drveta bila vrlo velika i veća od priraštaja drvne mase. Tako su npr. u Indiji potpuno uništene šume, što je zemlju pretvorilo u pustinju. Ipak, može se reći da drvo nije imalo značajniju ulogu u osiguranju toplotne energije u zadnjih nekoliko stoljeća. Iako je potencijal biomase kao goriva veoma veliki, njegovo značajnije korištenje javlja se tek nakon ozbiljnih upozorenja o ograničenosti rezervi fosilnih goriva i sve izraženijih ekoloških problema koji su posljedica korištenja fosilnih goriva. Ekološka vrijednost biomase dolazi do izražaja u poređenju biomase kao goriva s klasičnim fosilnim gorivima (npr. ugljem). Korištenjem biomase moguća je i značajnija zamjena uglja u posebnim ili zajedničkim sistemima za sagorijevanje. Ekonomski učinak zajedničkog sagorijevanja zavisi od procenta biomase u sistemu zajedničkog sagorijevanja. Biomasa se može pretvoriti u električnu ili toplotnu energiju na različite načine. Tehnologije za iskorištenje biomase za proizvodnju različitih vrsta upotrebnih oblika energije i biogoriva zasnivaju se na dobro poznatim klasičnim tehnologijama, prije svega, termo-hemijskog pretvaranja, kao što su sagorijevanje, rasplinjavanje, piroliza i ukapljivanje (pretvaranje gasa u tečnost). Koriste se i hemijski procesi (esterifikacija) i bio-hemijski procesi (kiselinska hidroliza, enzimska hidroliza i fermentacija). Najveći dio električne energije iz biomase dobiva se korištenjem parnog ciklusa. Biomasa se najprije u kotlu pretvara u paru, a zatim se para koristi za pokretanje turbine povezane sa generatorom. Biomasa se može koristiti zajedno sa ugljem za proizvodnju električne energije u postojećim elektranama. Zajedničko sagorijevanje je vrlo ekonomična opcija za povećanje proizvodnje električne energije iz biomase i za smanjenje štetnih emisija iz termoelektrana na ugalj. Uzimajući u obzir relativno nisku investiciju potrebnu za preinaku postojećih postrojenja na ugalj u sisteme za zajedničko sagorijevanje biomase i uglja, kao i značajno smanjenje potrošnje uglja i mogućnost smanjenja štetnih emisija, primjena procesa zajedničkog sagorijevanja biomase i uglja u posljednje vrijeme sve je popularnija. Za modifikaciju termoelektrane na ugalj za proces zajedničkog sagorijevanja potrebno je 2 do 3 godine. Osim razvoja sistema zajedničkog sagorijevanja biomase i uglja, razvijene zemlje ulažu značajna sredstva i istraživačke napore u razvoj sistema primjene biomase u procesima kogeneracije, odnosno zajedničke proizvodnje električne i toplotne energije. Rasplinjavanje je proces pretvaranja čvrste biomase u gas. Ovako dobiven gas može se koristiti za pokretanje visoko učinkovitih gasnih turbina, gasnih motora ili u raznim industrijskim procesima. Tipične veličine ovih postrojenja su od nekoliko kW do reda 80 MW. Cijena električne energije dobivene iz biomase zavisi o tehnologiji, veličini elektrane i cijeni biomase kao goriva. U današnjim elektranama s direktnim sagorijevanjem biomase proizvodna cijena je oko 9 USc/kWh. Očekuje se da će u budućnosti napredne tehnologije, kao što su sistemi zasnovani na rasplinjavanju, kogeneraciji i sl. sniziti cijenu na 5 USc/kWh. U slučaju tehnologije zajedničkog sagorijevanja, biomasa kao gorivo

3

(naročito ako se koristi jeftina biomasa) može koštati manje nego ugalj. U budućnosti se očekuje povećani interes za upotrebu biomase zbog porasta potreba industrije, potreba za redukcijom otpadnih materija, strožih propisa za očuvanje životne sredine, kao i stalno rastućih zahtjeva za većim iskorištenjem obnovljivih izvora energije. Iako su na polju iskorištenja biomase postignuti značajni rezultati i dalje se ulažu znatna sredstva i izvode intenzivna istraživanja s ciljem povećanja efikasnosti tehnologija za iskorištenje biomase i optimizacija postojećih tehničko-tehnoloških sistema. Osim značajnih prednosti korištenja biomase kao izvora energije potrebno je ukazati i na određene nedostatke kao što su: niska gustina, heterogenost sastava, vremenska promjenljivost sastava i količinska raspoloživost, problemi prikupljanja, prijevoza i skladištenje biomase. Drugim riječima nameće se zaključak da u postojećim uslovima nema ekonomskog i energetskog osnova da se s biomasom ozbiljnije računa kao potencijalom za proizvodnju električne i drugih oblika energije.

1.2. Značaj korištenja biomase

Glavna prednost biomase u odnosu na fosilna goriva je njezina obnovljivost što je uz njenu održivu proizvodnju, garancija trajne dostupnosti. Međutim ništa manje važna nije činjenica da nema opterećenja atmosfere ugljendioksidom CO2 pri korištenju biomase kao goriva tj. biomasa je CO2 neutralno gorivo. Budući da je količina emitovanog CO2 pri izgaranju biomase koja dospije u atmosferu jednaka količini apsorbovanog CO2 prilikom rasta biljke koju ona uzme iz atmosfere prilikom rasta. Nastaje kružni tok kojim se sve tvari iznova koriste (slika 1.). Čak i pepeo koji nastaje sagorijevanjem drveta ostaje u ovom kružnom toku, pošto nalazi svoju upotrebu kao gnojivo (povratak minerala). Ovaj zatvoreni kružni tok postoji i kada se biomasa ne koristi za stvaranje energije izgaranjem. To je prirodni zatvoreni tok. Naime i drvo koje trune, odnosno propada oslobađa CO2, minerale, vodu, kao i energiju, samo što je ovaj proces mnogo sporiji nego proces izgaranja. Dakle biomasa se može smatrati CO2 neutralnim gorivom, a CO2 spada u stakleničke gasove koji oštećuju Zemljinu atmosferu. Protokolom iz Kyota, traži se smanjenje emisije stakleničkih gasova pa i CO2.

Slika 1.1. Kružni tok tvari pri sagorijevanju biomase

4

1.3. Karakteristike biomase

Biomasa se uopšteno može podijeliti na drvnu, nedrvnu masu i otpad. Biomasa kao gorivo ukjučuje ogrijevno drvo, grane i drvni otpad iz šumarstva, te piljevinu, koru i drvni ostatak iz drvne industrije, kao i slamu, kukuruzovinu, stabljike suncokreta, ostatke pri rezidbi voća vinove loze, koštice i sl. iz poljoprivrede. Također se biomasa može dobiti i namjenski samo za proizvodnju energije iz energetskih nasada kao što su brzorasteće biljke, trska ili kukuruz za biodizel i sl. kao i životinjski otpad i ostaci. Dakle izvori biomase se uglavnom javljaju iz šumarstava, industrije, poljoprivrede, energetskih nasada, stočarstva i kao otpad. Nakon skupljanja (žetva, sječa i sl.) biomasa se pretvara hemijskim ili drugim procesima u konačni proizvod kao gorivo, električna i toplotna energija i sl.

Pri iskorištavanju šuma i protupožarnoj zaštiti nastaju velike količine šumske biomase koja se može upotrijebiti za proizvodnju energije. U energetske se svrhe može koristiti i drvo iz ledoloma, oboljelih stabala, s opožarenih površina i uz šumske ceste. Pri klasičnom se iskorištavanju šuma koristi drvo debla, krošnja i grana čiji je promjer s korom na tanjem kraju veći od 7 cm, jer u tom dijelu ima kore, minerala i pepela. Njihovo delokacijom bi se izgubile vrijedne materije koje učestvuju u humifikaciji i održavanju plodnosti tla. Ostatak pri sječi i izradi te prevlačenju drva od panja do šumske ceste čini drvni otpad. Udio ostataka i otpada ovisi o brojnim faktorima. Prosječno se za sve vrste drveća pri sječi i izradi te prevlačenju može računati s nešto više od 20% ostatka.

U drvno-prerađivačkoj industriji nastaju velike količine različitog drvnog ostatka. Taj se ostatak može koristiti za podmirenje osnovnih toplotnih potreba pogona (grijanje i tehnološke potrebe). Dio drvnog ostatka koji se ne koristi može koristiti za proizvodnju biogoriva u vidu peleta, briketa, sječke i sl. Drvni ostatak u drvnoj industriji može nastati u primarnoj i finalnoj proizvodnji. Ostaci koji nastaju u primarnoj proizvodnji su: piljevina, komadni otpad, kora. Ova vrsta otpada je vlažna (35-45% vlage), te njegovo daljnje, ekonomski isplativo, korištenje zavisi od adekvatnog skladištenja i sušenja. Pod otpadom koji nastaje u finalnoj proizvodnji podrazumijeva se piljevina, srugotina, komadni otpad, te drvna prašina koji nastaju pri proizvodnji parketa, stolarije, namještaja i sl. Ovaj otpad je suh, te se uz minimalnu obradu može koristiti.

Biomasa je veoma heterogen i hemijski kompleksan materijal. Razumijevanje njene prirodne raznolikosti i opsega hemijskih sastava je ključno za inženjere koji su vezani za istraživanja ili razvoje tehnologija koje koriste biomasu kao resurs. Drvo se generalno dijeli na dvije kategorije meko (četinari) i tvrdo drvo (lišćari). Postoje značajne razlike u strukturi mekog i tvrdog drveta, koje u mnogome definišu njihovo ponašanje tokom sagorijevanja ili nekog termohemijskog tretmana. Hemijski sastav drveta varira u zavisnosti od vrste, međutim

5

generalno se može reći da celuloza, hemiceluloze i lignin generalno čine 95 do 98% od hemijskog sastava drveta. Tri gore navedene komponente ponašaju se različito tokom procesa termičke razgradnje i sagorijevanja, što je također bitan faktor koji ima uticaja na koncepciju sistema za sagorijevanje ovakvih goriva. Toplotna moć drveta zavisi od sadržaja vlage i približna je toplotnoj moći lignita, toplotna moć suhog drveta ide i do 17 kJ/kg. Sadržaj vlage može da ide i do 60%, ali je u tom slučaju veoma teško obezbijediti stabilno sagorijevanje. Drvo u odnosu na suhu masu sadrži oko 80% gorivih isparljivih materija, koje u stvari predstavljaju mješavinu raznih ugljovodonika, ugljenmonoksida, ugljendioksida i dr. To je i osnovni razlog zbog kojeg je biomasa interesantno gorivo za gasifikaciju ili neku drugu vrstu termohemijskog tretmana. Pepeo drveta je naročito bogat kalcijumom, koji preračunat na CaO čini 50 do 75% od njegove ukupne količine. Količina kalcijuma kreće se od 10 do 30%, dok je sadržaj magnezijuma 5 do 10%. Ostatak uglavnom čine željezo, aluminijum i natrijum. Natrijumovi i kalcijumovi oksidi definišu nisku tačku topljenja pepela, što kod velikih ložišta stvara preduslove za pojavu zašljakivanja. Međutim, važno je naglasiti da poslije sagorjevanja drveta ostaje mali udio pepela (u odnosu na ukupnu masu) koji se kreće oko 1 do 2%.

Hemijski sastav biomase zavisi od vrste, podneblja rasta, zemljišnih uslova i drugih faktora. U sastav biomase ulaze organska i neorganska jedinjenja. Od organskih jedinjenja, tu su: celuloza, hemiceluloza, lignin, masti, skrob, voskovi, proteini i dr.. Neorganska jedinjenja koja ulaze u sastav biomase su: voda, mineralne materije, soli i dr.. Celuloza je najrasprostranjenije biljno vlakno u prirodi. Glavna je komponenta stijenke stanica viših biljaka, spada u ugljikohidrate, sastoji se od jedinica glukoze međusobno povezanih hemijskim vezama. Jedna molekula celuloze može imati čak do 10 000 jedinica glukoze. Celuloza zato ima izgled finih tankih niti. Hemijski je vrlo slabo reaktivna, što je posljedica njezinih fizikalnih svojstava. Hemiceluloza je također sastavljena od mnogih jedinica heksoza, pentoza i uronskih kiselina, dakle i ona je polimer glukoze i drugih heksoza, pentoza i uronskih kiselina koje se nalaze u stijenkama gotovo svake biljne stanice. Ipak joj je lanac mnogo kraći pa obično nema više od 20 do najviše 2000 jedinica. Lignin je sastojak koji spaja celulozu i hemicelulozu u ćelijama biljke. To je polimer aromatičnih ugljovodonika nastao kondenzacijom fenilpropana i/ili vanilina i etilvanilina, veoma je složene strukture. Karakteriše ga manja sposobnost hidratacije što utiče na ukupnu sposobnost vezivanja vlakana. Drvo ima veći procentualni sastav lignina uglavnom na račun ostalih materija koje čine: skrob, masti, šećeri, voskovi, proteini i dr.. Procentualni udio ovih materija zavisi od zemljišta na kome je biomasa rasla i od doba godine. Apsolutno suha masa raznih vrsta drveta ima skoro isti elementarni sastav, gdje su uzorci sušeni na 105 °C. U sastavu drveta se nalaze i neznatne količine azota (N) koje potiču od bjelančevina koje su nastale u prvoj fazi razvoja ćelija. Poljoprivredni ostaci imaju elementarni sastav sličan sastavu drveta, pšenična slama i stabljike kukuruza imaju oko 40% ugljika, oko 6-7% vodika, kisika 45% azota 0,7%, a ostatak su mineralne materije. Ljuspice riže imaju nešto drugačiji sastav jer imaju veliki procenat mineralnih materija oko 24%, te je samim tim procenat ostalih materija manji u odnosu na pšeničnu slamu i stabljike kukuruza.

6

Procentualni udio ugljenika (C) u biomasi je, kao kod svih vrsta goriva, najveći i kreće se od 37-46 % kod poljoprivrednih ostataka, i oko 50 % kod drveta. On se u biomasi nalazi u slobodnom i u vezanom stanju, gdje ulazi u sastav organskih jedinjenja sa vodonikom, kiseonikom i azotom. Toplotna moć čistog ugljenika iznosi 33,829 MJ/kg, a maksimalna temperatura sagorijevanja bez toplotnih gubitaka je 2240 °C.

Vodonik (H) u biomasi ima relativno malo (5-6%), međutim, imajući u vidu da je njegova toplotna moć 142,014 MJ/kg, on zauzima značajno mjesto u energetskoj vrijednosti. U biomasi vodonik se nalazi samo u vezanom stanju. Temperatura sagorijevanja čistog vodonika je približna temperaturi sagorijevanja ugljenika i iznosi 2235 °C.

Kiseonik (O) predstavlja unutrašnji balast, jer on ne sagorijeva, već potpomaže gorenju, a osim toga zauzima mjesto drugim gorivim materijama. U poređenju sa ugljevima u biomasi kiseonika ima mnogo više (od 33-45%), što dovodi do niže temperature sagorijevanja.

Azot (N) se u biomasi nalazi u malim količinama do 2% i kao kiseonik predstavlja balast, ponaša se kao inertan.

Sumpor (S) je u svim oblicima goriva nepoželjan element. Prilikom njegovog sagorijevanja stvara se sumpordioksid (SO2) i oslobađa se 9,295 MJ/kg toplote. Na nižim temperaturama se vodena para, nastala sagorijevanjem vodonika ili isparavanjem vlage iz goriva, kondenzuje i sa sumpordioksidom gradi veoma agresivnu sumpornu kiselinu H2SO3 i H2SO4 koja nagriza dimne kanale. Osim toga sumpordioksid je u atmosferi nepovoljan i sa ekološkog stanovišta. U svim vrstama biomase sumpora ima ''u tragovima'' što je čini jako povoljnom za korištenje u energetske svrhe.

Mineralne materije u biomasi takođe predstavljaju balast, jer ne sagorijevaju i zauzimaju mjesto drugim gorivim elementima. U procesu sagorijevanja mineralne materije trpe niz promjena koje dovode do njihovog razlaganja i oksidacije, a materija koja nastaje nakon toga naziva se pepeo.

Pepeo stvara problem prljanjem izmjenjivačkih i drugih površina, kao i problem njegovog uklanjanja. Količina pepela kod poljoprivrednih ostataka se kreće u granicama od 2,3-23% dok je kod drveta daleko manja i iznosi ispod 0,55%, pa je i sa ovog stanovišta biomasa povoljna kao gorivo. U sastav pepela ulazi niz oksida: kalcija, magnezija, natrija, kalija, fosfora, silicija, aluminija i titana. Prilikom sagorijevanja ili nekih drugih procesa, na

7

temperaturama iznad 750 °C dolazi do omekšavanja pepela i njegovog topljenja. Tom prilikom se tečna faza pepela lijepi za zidove ložišta čime ometa prenos toplote na izmenjivačkim površinama.

Toplotna moć goriva je ona količina toplote u (kJ) koja se oslobodi pri potpunom sagorijevanju jedinice količine goriva. Donja toplotna moć goriva se razlikuje od gornje toplotne moći po tome što se voda u produktima sagorijevanja nalazi u stanju pare. Prema tome donja toplotna moć goriva je manja od gornje upravo za vrijednost toplote dobivene kondenzacijom vodene pare (koja je nastala pri sagorijevanju goriva). Topotna moć goriva se određuje laboratorijski, a vrijednosti toplotne moći biomase je niža u odnosu na kameni ugalj. Toplotna moć apsolutne (čiste) drvne mase je približno ista za sve vrste drveta. Na toplotnu moć drveta u velikoj mjeri utiče prisustvo vlage i šupljina u drvetu. Sa opadanjem vlage u drvetu raste vrijednost toplotne moći drveta. Prisustvo vlage u drvetu znatno smanjuje njegovu toplotnu moć, te sa povećavanjem postotka vlage u drvetu smanjuje vrijednost toplotne moći. Razlika toplotne moći za potpuno suho drvo i drvo sa prisustvom vlage od 15% je u približno 4 MJ/kg. Dakle ako potpuno suho drvo ima toplotnu moć 18 MJ/kg za drvo sa prisustvom vlage od 15% ta vrijednost će biti oko 14 MJ/kg.

Tabela 1. Osnovne karakteristike nekih drvnih vrsta

Vrsta drveta Gustoća, kg/mn3 Toplotna moć pri

0% vlage, MJ/kgToplotna moć pri15% vlage, MJ/kg

grab 830 17,01 13,31bukva 720 18,82 14,84jasen 690 17,81 13,98brijest 680 - 14,70javor 630 17,51 13,73bagrem 770 18,95 14,97breza 650 19,49 15,43kesten 570 - 13,29vrba bijela 560 17,85 13,65vrba siva 560 17,54 13,73joha crna 550 18,07 14,21joha bijela 550 17,26 13,52topola crna 450 17,26 13,15smreka 470 19,66 15,60jela 450 19,49 15,45bor obični 520 21,21 16,96ariš 590 16,98 14,86hrast 690 18,38 14,44

8

Tabela 2. Toplotna moć biomase u poređenju sa fosilnim gorivima u BiH

Vrsta goriva Vlaga(W), %

Toplotnamoć (Hd), kJ/kg

Sumpor(S), %

Pepeo(A), %

Banovići - mrki ugalj 25 16.400 1,8 14Breza - mrki ugalj 20 18.000 2,5 15Kakanj - mrki ugalj 15 18.500 1,75 26Mostar - mrki ugalj 22 19.000 2,85 20Zenica - mrki ugalj 15 15.400 3,03 16Ugljevik - mrki ugalj 32 16.000 3,46 10Kreka - lignit 48 9.950 1,2 10Pšenična slama 8-9 17.900 0,03 -Drvo - sirovo 37 10.500 - 1,5Drvo –sušeno vazduhom

10-20 15.500 - 10,05

Drvo - sječka 24 14.000 - 1,0Piljevina - sirova 45 9.600 - 1,8Piljevina - suha 14 14.600 - 0,8

Da bi biomasa počela da gori, potrebno je da ga toplotni izvor zagrije do temperature na kojoj se zapali (temperatura samozapaljenja), i na kojoj nastavi da gori i kada se toplotni izvor ukloni. Toplotna energija se od toplog izvora na biomasu prenosi: kontaktom ili dodirom sa toplim izvorom, konvekcijom ili posredstvom drugog tijela ili fluida (gas, tečnost) i zračenjem. Tačka zapaljivosti ili samozapaljenja je temperatura na kojoj drvo počinje da gori pod uticajem izvora paljenja. Za drvo u raznim stanjima su to temperature od 200 do 290 °C. Temperatura gorenja je temperatura pri kojoj zapaljena masa nastavlja gorenje postojanim plamenom. Tačka gorenja je uvijek na nešto višoj temperaturi od temperature zapaljivosti. Temperatura gorenja drveta je od 260 do 320 °C. Još neke od bitnih veličina u procesu sagorijevanja su: dužina paljenja (vrijeme od početka djelovanja toplog izvora do paljenja mase), faktor zapaljivosti (recipročna vrijednost dužine paljenja), specifični toplotni kapacitet (količina toplote u (J) koja je potrebna da se 1 kg mase (drveta) zagrije za jedan stepen kelvina.

9

1.4. Korištenje biomase kao primarnog energenta u termoelektranama

Električna energija se može generirati iz svih vrsta biomase korištenjem različitih tehnologija. Proizvodnja električne energije zahtjeva složenije sustave, uzmemo li u obzir nisku toplinsku vrijednost biomase, visok postotak vlage i visok udio hlapljive tvari. Potrebna su posebna toplinska postrojenja veće zapremine, s velikim kotlovima u odnosu na one koja koriste tradicionalna goriva što implicira visoka ulaganja i lošije karakteristike. Efikasnost proizvodnje električne energije iz biomase je u većini slučajeva niža u odnosu na onu u tradicionalnim postrojenjima, što implicira smanjenje ekonomske isplativosti ulaganja. Veličina postrojenja također sprječava razvoj primjene električne energije dobivene iz biomase: manja postrojenja mogla bi ostvariti razinu isplativosti samo kada bi biomasa bila besplatna ili kada bi efikasnost proizvednje električne energije dosegla mnogo višu razinu od trenutne, dok veća postrojenja imaju problem zajamčene opskrbe biomase. Navedenim aspektima treba dodati i poteškoće pri korištenju biomase. Ova vrsta postrojenja zahtijeva veliku količinu goriva, što dalje zahtijeva stalnu zajamčenu opskrbu. S jedne strane to utječe na rast cijena zbog udaljenosti koju treba prijeći u potrazi za materijalom opskrbe, no, s druge strane, trošak se može smanjiti nabavom veće količine. Veća postrojenja su većinom smještena unutar industrija koje gorivo osiguravaju iz vlastite proizvodnje, primjerice u šumarstvu i poljoprivredno – prehrabenim industrijama, koje koriste proizvedeni otpad kao gorivo. Kao primjer može se navesti tvornica namještaja i drvenih kuća Krivaja u Zavidovićima, gdje se drvo koristi kao sirovina za proizvodnju električne energije u parnoj elektrani. Kogeneracijsko postrojenje u navedenoj tvornici ima instaliranu toplinsku snagu od 15 MW te električnu snagu od 4,5 MW, a električna energija proizvodi se većinom za vlastite potrebe. Jedan od mogućih načina proizvodnje električne energije iz biomase je kosagorijevanje biomase s ugljenom u klasičnim termoelektranama na ugljen, što omogućava povećanje efikasnosti korištenja biomase. U ovom trenutku je na čitavom području BiH energetski sektor najveći zagađivač zraka. Indicirane vrijednosti pri dodjeljivanju nižeg energetskog razreda postojećim postrojenjima, te smanjenja ispuštanja stakleničkih plinova kosagorijevanjem biomase, zasnivaju se na iskustvima u razvijenim zemljama. Pretpostavljajući da se drveni peleti mogu proizvesti lokalno, moguće je za oko 5% smanjiti CO2 uporabom 10 posto piljevine u kombinaciji s ugljenom. Slično tomu, kosagorijevanjem s ugljenom 15 – 20% sušenih drvenih peleta, moguće je postići 10%-tno smanjenje CO2 . U oba slučaja smanjuje se proizvodni output i postrojenju se može smanjiti energetski razred do 25%.

Unatoč velikom potencijalu za proizvodnju energije iz biomase, u Bosni i Hercegovini, postoji niz međusobno povezanih prepreka. Prema iskustvima razvijenijih zemalja, prepreke su podijeljene i analizirane unutar u 6 kategorija:

10

- Financijske prepreke;

- Strateške prepreke;

- Informacijske prepreke;

- Prepreke u svjesnosti i percepciji javnosti;

- Institucionalne prepreke;

- Tehničke prepreke.

Cijene biomase

Cijena goriva je jedan od najznačajnijih aspekata koji favorizuje drvni otpad kao gorivo. Pogotovo ako se uzmu cijene tečnih goriva koje su izuzetno visoke i u stalnom porastu. Prosječna cijena postrojenja za sagorijevanje biomase je skuplja od postojenja za tečna goriva, ali se ta investicija vrača u izuzetno kratkom roku, upravo zahvaljujuči cijeni biomase. Kada je drvna industrija u pitanju, radi se praktično o besplatnom gorivu, a čak i u slučaju neophodnosti nabavki biomase sa druge strane, cijena tako dobijene toplotne ili električne energije je ekonomski prihvatljiva u sadašnjim okolnostima.

Tržište biomase u BiH je još uvijek nerazvijeno. Na prostoru Evropske unije postoji već uspostavljeno tržište biomase, te su i cjene transparentne i poznate. Sama sirovina biomase ima jako nisku cijenu, međutim cijenu znatno uvečavaju troškovi dobivanja, izvlačenja, transporta i sl. Tako su cijene biomase za 2006 godinu u EU bile slijedeće: drvna sječka 14 –

18 eura po nasipnom m3

, cijena peleta je bila oko 170 EURA/t.

11

2. KOGENERACIJA

2.1 Definicija i prednosti

U današnje vrijeme svjesni smo činjenice da racionalnoupravljanje energijom predstavlja ključnu pretpostavku održivog razvoja. Društvo se usmjerava nakorištenje efikasnijih tehnologija, koje će omogućiti maksimalno iskorištenje primarne energije u svim energetskim procesima, te pored ekonomskih ostvariti i ekološke uštede, doprinoseći tako smanjivanju štetnog utjecaja na okoliš. Kogeneracija je tehnologija istovremene proizvodnje električne i korisne toplinske energije. Potencijalna mjesta za primjenu kogeneracije nalaze se svugdje gdje postoji istovremena potreba za električnom i toplinskom energijom. Osim energana u različitim industrijama, kogeneracija je pogodna za sustave daljinskog grijanja, za hotele, bolnice, zračne luke, trgovačke centre, sportske dvorane ili bazene.

Prednosti kogeneracijskih sustava, u odnosu na sustave odvojene opskrbe vidljive su pri usporedbi gubitaka koji nastaju proizvodnjom električne i toplinske energije. Za istu količinu primarne energije (fosilnog goriva, vodika, biomase, industrijskog ili poljoprivrednog otpada) kogeneracijsko postrojenje isporučit će u nekim slučajevima i do 40 % više električne i toplinske energije nego sustav s odvojenom opskrbom. Ilustracija usporedbe gubitaka odvojene i kogeneracijske proizvodnje prikazana je slici 1.

Slika 2.1. Usporedba gubitaka u odvojenoj i kogeneracijskoj proizvodnji električne i toplinske energije

12

Veličina kogeneracijskog postrojenja kreće se u rasponu od nekoliko kilowatta do više stotina megawatta. Postrojenja čija snaga ne prelazi 1 MWe nazivaju se male kogeneracije dok se postrojenja snage do 50 kWe nazivaju mikrokogeneracije.

Potencijalna mjesta za primjenu kogeneracije nalaze se svugdje gdje postoji istovremena potreba za električnom i toplinskom energijom. Kao minimalni preduvjet isplativosti kogeneracije najčešće se definira postojanje kontinuirane potrebe za toplinskom energijom u trajanju od najmanje 4.500 sati godišnje. Kogeneracijsko postrojenje projektira se i vodi s ciljem pokrivanja toplinskih potreba procesa ili objekta.

Promicanje i razvoj visokoučinkovite kogeneracije toplinske i električne energije koja se temelji na ekonomski opravdanim potrebama za toplinskom i rashladnom energijom s ciljem štednje primarne energije i smanjenja emisija ugljičnog dioksida prioritet je EU i predmet Direktive 2004/8/EZ Europskog Parlamenta i Vijeća od 11. febuara 2004. godine koja je transponirana i u BiH zakonodavstvo skupom podzakonskih akata koji uređuju proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije. U Direktivi je korisna toplinska energija definirana kao toplinska energija proizvedena za pokrivanje ekonomski opravdane potrošnje. Pri tome ekonomski opravdana potrošnja ne prelazi potrebe za grijanjem ili hlađenjem koje bi se u tržišnim uvjetima mogle zadovoljiti proizvodnim procesima različitim od kogeneracije.Kogeneracija omogućava:− učinkovitije korištenje energije goriva,− snižavanje troškova proizvodnje električne energije i topline,− smanjenje emisija ugljičnog dioksida po jedinici proizvedene energije,− proizvodnju električne energije na mjestu potrošnje,− izbjegavanje gubitaka u prijenosu i distribuciji,− veću sigurnost i fleksibilnost opskrbe.

2.2. Kogeneracijski koncepti

U glavne elemente kogeneracijskog postrojenja ubrajaju se: pogonski stroj,električni generator, sustav za iskorištavanje otpadne topline i sustav vođenja procesa. Klasifikacija kogeneracijskih tehnologija provodi se najčešće prema tipu pogonskog stroja kojim se pogoni električni generator.Najčešće se za pogon električnog generatora koriste parne turbine, plinske turbine, kombinirani proces plinske i parne turbine, te motori s unutarnjim izgaranjem. U novije vrijeme na tržište se vraćaju i stari koncepti (kao što su parni stapni motor ili Stirlingov motor), ali i nove tehnologije koje se nalaze u različitim stadijima komercijalizacije kao što su gorivni članci, mikroturbine, organski Rankine-ov ciklus, parni vijčani motor ili plinske turbine s indirektnim zagrijavanjem radnog medija. U nastavku su ukratko prikazani najznačajniji koncepti koji se primjenjuju u kogeneracijskim postrojenjima koja kao gorivo koriste krutu biomasu.U primjeni je najrašireniji koncept kogeneracijskog postrojenja s parnom turbinom.Vodena para proizvedena u generatoru pare (parnom kotlu) se nakon ekspanzije u parnoj turbini koristi za grijanje vode u sustavu područnog grijanja i/ili u industrijskom procesu. Načelno se razlikuju postrojenja s protutlačnom parnom turbinom i postrojenja s kondenzacijskom turbinom s reguliranim oduzimanjem što je i shematski prikazano na slikama 2.2 i 2.3. Kod postrojenja protutlačne turbine proizvodnja električne energije ovisi o promjenjivoj potrošnji toplinske energije te protutlaku pare koji je određen zahtjevima potrošača.Kod

13

postrojenja kondenzacijske turbine s reguliranim oduzimanjem na proizvodnju električneenergije osim promjenjive toplinske potrošnje utječe i tlak kondenzacije koji ovisi otemperaturi i raspoloživoj količini rashladnog medija (vode ili zraka).

Slika 2.2 Kogeneracijsko postrojenje s protutlačnom turbinom

Slika 2.3 Kogeneracijsko postrojenje s kondenzacijskom turbinom s reguliranim oduzimanjem

Kod kogeneracijskih postrojenja s plinskom turbinom koje je shematski prikazano na slici 2.4.plinska turbina koristi se za proizvodnju električne energije (ili za pogon kompresora i

14

pumpi), a vrući ispušni plinovi koriste se za proizvodnju toplinske energije (tople/vrele vode i/ili procesne pare) u kotlu na otpadnu toplinu.

Slika 2.4. Kogeneracijsko postrojenje s plinskom turbinom

Na sličnom konceptu temelje se i kogeneracijska postrojenja s plinskim motorom u kojima se za proizvodnju toplinske energije koristi kotao na ispušne plinove. Kao dodatni "izvor" toplinske energije koriste se hladnjaci rashladne vode i ulja. Za razliku od "konvencionalnih" postrojenja u kojima se kao gorivo najčešće koristi prirodni plin, u postrojenjima na biomasu kao gorivo se koristi reaktorski plin dobiven rasplinjavanjem krutih goriva ili bioplin dobiven procesom anaerobne digestije.

U postrojenjima s plinskom turbinom ili s plinskim motorom toplinska energija dimnih plinova može se iskoristi i za proizvodnju pare u kotlu na ispušne plinove, a ekspanzijom pare u parnoj turbini moguće je proizvesti dodatne količine električne energije. Ovaj koncept, poznat još i kao kombinirani proces plinske i parne turbine, omogućava integraciju i nekoliko plinskih turbina (ili plinskih motora) i parnih turbina u jednom postrojenju. Značajnija primjena kombiniranog procesa u postrojenjima koja kao gorivo koriste biomasu očekuje se u budućnosti ponajprije zbog znatno bolje iskoristivosti i mogućnosti proizvodnje većih količina električne energije.

Za ilustraciju pogonskih značajki kogeneracijskih postrojenja uobičajeno se koristi omjer električne i toplinske snage (P/Q) u kojem u brojniku P označava snagu na pragu elektrane (snaga na generatoru umanjena za snagu pumpi i ventilatora) a Q korisnu toplinsku snagu postrojenja. Omjer električne i toplinske snage značajno utječe na ekonomičnost pogona kogeneracijskog postrojenja koji se uobičajeno vodi u ritmu potražnje za toplinskom energijom. Postrojenje s višim P/Q omjerom proizvesti će više električne energije.

Referentni P/Q omjeri za kogeneracijska postrojenja koja koriste fosilna goriva iznose:− 0,45 za postrojenje s kondenzacijskom turbinom i reguliranim oduzimanjima,

15

− 0,45 za postrojenje s protutlačnom turbinom,− 0,55 za postrojenja s plinskom turbinom i kotlom na otpadnu toplinu,− 0,75 za postrojenja s motorom s unutarnjim izgaranjem,− 0,95 za kombinirani proces plinske i parne turbine.

Povećanje P/Q omjera doprinosi ekonomičnosti pogona (kroz mogućnost proizvodnje veće količine električne energije) i povećava atraktivnost ulaganja u kogeneracijsko postrojenje. Kogeneracijska postrojenja koja kao gorivo koriste biomasu uobičajeno imaju niži P/Q omjer. Za postrojenja do 5 MW omjer se kreće u rasponu 0,15 - 0,30. Za postrojenja snage 5 - 20 MWe vrijednosti omjera su između 0,35 i 0,45 i tek veća postrojenja na biomasu postižu P/Q omjer veći od 0,45.

3. TEHNOLOGIJE KORIŠTENJA BIOMASE

16

U kogeneracijskoj proizvodnji električne i toplinske energije iz biomase dominira tehnologija izravnog izgaranja krute biomase u ložištima termoenergetskih postrojenja. Načelno se razlikuju dva tipa izgaranja krute biomase: samostalno, u postrojenjima manje i srednje snage, te suizgaranje (suspaljivanje) s fosilnim gorivima (najčešće ugljenom) u postrojenjima srednje i velike snage. Među tehnologijama čije se značajnije korištenje u proizvodnji električne energije očekuje u budućnosti na prvom mjestu je rasplinjavanje biomase s korištenjem plina za pogon plinskih motora ili plinskih turbina.

3.1. Izgaranje

Premda je troškovno najpovoljniji način korištenja biomase u proizvodnji električne energije suspaljivanje u ugljenom loženim termoelektranama, poticajno zakonodavno okruženje u mnogim razvijenim zemljama omogućilo je ekspanziju postrojenja koja kao gorivo koriste isključivo biomasu. Kapacitet postrojenja za samostalno izgaranje biomase (na rešetki ili u fluidiziranom sloju) određen je prije svega količinom goriva koje se na ekonomičan način može prikupiti i transportirati na lokaciju elektrane. Ograničena raspoloživost goriva i visoki transportni troškovi uvjetuju izgradnju postrojenja manjeg kapaciteta koja tek u rijetkim slučajevima premašuju 30 MWe. U usporedbi s ugljenom loženim elektranama postrojenja ložena biomasom su skuplja i manje efikasna. Električna iskoristivost postrojenja loženih samo krutom biomasom, određena kao omjer proizvedene električne energije i energije dovedene gorivom, u pravilu je niža od 20 % za postrojenja kapaciteta do 5 MWe, a rijetko kada premašuje 30 % kod većih postrojenja. Tek novija postrojenja kapaciteta većeg od 20 MWe, koja su izgrađena nakon 2000.godine postižu iskoristivost veću od 30 % zahvaljujući primjeni usavršenih tehnologija izgaranja, korištenju suhog goriva i podizanju parametara svježe pare(iznad 100 bar i 500 °C).

U postrojenjima za samostalno izgaranje biomase uglavnom se koriste sljedeće tehnologije izgaranja: izgaranje u nepokretnom sloju u ložištima s rešetkom, izgaranje u mjehurićastom fluidiziranom sloju, te izgaranje u cirkulirajućem fluidiziranom sloju.

Ložišta s izgaranjem na rešetki predstavljaju razvijenu, tržišno zrelu i dugo vremena standardnu tehnologiju izgaranja biomase koja se u različitim izvedbama nalazi u ponudi brojnih proizvođača energetske opreme. Rešetka omogućava izgaranje sječke, piljevine, krupne i komadne biomase. Prikladna je i za izgaranje vlažnih goriva, različite kvalitete, kao i goriva s visokim udjelom pepela. Kvalitetno vođenje procesa izgaranja na rešetki podrazumijeva homogenu distribuciju goriva po čitavoj površini i ravnomjerno dovođenje primarnog zraka koji se upuhuje ispod rešetke. Nehomogenosti u dovodu primarnog zraka mogu izazvati stvaranje šljake, povećati količinu letećeg pepela i povećati pretičak zraka potreban za osiguravanje potpunog izgaranja.

S obzirom na način dovođenja goriva u ložište razlikuju se rešetke s donjim i rešetke s gornjim dovodom goriva. Rešetke s donjim dovodom goriva prikladne su za postrojenja manjih snaga i za izgaranje biomase koja sadrži malo pepela kao što su drvna sječka i piljevina. Biomasa koja sadrži veće količine pepela, kao što je kora drveta, slama žitarica ili trava, zahtijeva efikasniji sustav uklanjanja pepela. U ložištima s donjim dovodom goriva sinterirane ili rastaljene čestice pepela prekrivaju gorivi sloj. Kroz pokrov od pepela povremeno izbija mješavina goriva i zraka što može nepovoljno djelovati na stabilnost procesa izgaranja.Kod većih sustava koristi se gornji dovod goriva na rešetku koja može biti izvedena u različitim varijantama: horizontalna, nagnuta, lančasta, stepenasta, stacionarna, pomična u

17

jednom smjeru, rotirajuća ili vibrirajuća. Na slici 3.1. shematski je prikazan proces izgaranja na nagnutoj rešetki. Proces se odvija u sljedećim fazama: sušenje (smeđi dio gorivog sloja), piroliza i izgaranje hlapivih tvari (žuti dio gorivog sloja), te izgaranje drvenog ugljena (crveni dio). Svaka pojedina čestica goriva prolazi kroz sve tri faze procesa izgaranja.

Slika 3.1. Shematski prikaz procesa izgaranja na nagnutoj rešetki

Suvremena rješenja sustava izgaranja uključuju kontinuirano pomičnu i vodom hlađenu rešetku, automatski nadzor i regulaciju visine sloja, te regulaciju brzine vrtnje ventilatora primarnog zraka. Primarni zrak dovodi se ispod rešetke i sekcijski kako bi se osigurala točno određena količina potrebna za pokrivanje potreba za primarnim zrakom u zoni sušenja, zoni rasplinjavanja i zoni izgaranja. Sekcijska regulacija protoka primarnog zraka osigurava stabilan proces izgaranja i na nižim opterećenjima, kao i regulaciju potrebnog omjera primarnog i sekundarnog zraka u cilju minimiziranja produkcije dušikovih oksida. Različite izvedbe nagnutih i vibrirajućih rešetki, s gornjim dovodom goriva koriste se za izgaranje biomase u postrojenjima u relativno širokom rasponu kapaciteta od 5 MWt do 120 MWt. Ilustracija nagnute, vodom hlađene vibrirajuće rešetke prikazana je na slici 3.2

18

Slika 3.2. Nagnuta, vodom hlađena, vibrirajuća rešetka za izgaranje biomase

Kod suvremenih izvedbi velikih kotlova za izgaranje biomase na rešetki primjena naprednih tehničkih rješenja omogućava stabilno i efikasno izgaranje, smanjenje emisije ugljičnog monoksida kao i količine neizgorenih čestica u dimnim plinovima. Shema suvremenog kotla s izgaranjem biomase na nagnutoj rešetki prikazana je na slici 3.3.

Slika 3.3. Suvremeni kotao na biomasu s izgaranjem na nagnutoj rešetki

19

1. međuspremink goriva2. dobava goriva3. rešetka4. ložište5. pregrijač pare6. isparivač7. ekonomajzer8. zrak za izgaranje9. vlažno otpepeljavanje10. odvod dimnih plinova

Za postrojenja čiji proizvodni kapacitet ne premašuju 7 MWe i 20 MWt razvijena su i rješenja s rotirajućom konusnom rešetkom s donjim dovodom goriva kao što je ilustrirano na slici 3.4. Sustav je instaliran na više od 100 lokacija toplana ili kogeneracijskih postrojenja u Europi, Kanadi i Rusiji.

Slika 3.4. Rotirajuća konična rešetka s donjim dovodom goriva

Ložišta s izgaranjem u fluidiziranom sloju razvijena su u prvom redu zbog boljeg izgaranja ugljena i s ciljem smanjenja emisija sumpornih i dušikovih oksida. S vremenom je primjena ove tehnologije proširena na biomasu kao i na druga niskoenergetska goriva koja nisu pogodna ili su nepraktična za konvencionalno izgaranje.

Ložišta s izgaranjem u mjehurićastom sloju (engl. bubbling fluidised bed - BFB) prikladna su za postrojenja čija je snaga veća od 10 MWt. Na dnu BFB ložišta nalazi se sloj pijeska ispod kojeg se kroz distribucijsku ploču upuhuje primarni zrak. Promjer zrnaca slikatnog pijeska obično je 1 mm dok brzina zraka fluidizacije varira između 1 i 2,5 m/s. Temperatura sloja

20

održava se u rasponu između 800 i 900 °C posredstvom ugrađenog izmjenjivača topline kroz koji protječe pregrijana vodena para. Sekundarni zrak uvodi se kroz nekoliko ulaza smještenih u gornjem dijelu ložišta. Zrak za izgaranje upuhuje se stupnjevano što omogućuje smanjenjeemisija NOx.

Porastom brzine primarnog zraka na 5 do 10 m/s i smanjivanjem promjera zrnaca pijeska na 0,2 do 0,4 nastaju preduvjeti za stvaranje cirkulirajućeg sloja (engl. circulating fluidised bed – CFB). Zrnca pijeska se podižu i zajedno s dimnim plinovima transportiraju do ciklona gdje se odvajaju i vraćaju u sloj. Regulacija temperature sloja osigurana je ili ugradnjom izmjenjivača u sloj ili putem hlađenja cijevnih stijena ložišta. Izražena turbulencija cirkulirajućeg sloja u usporedbi s mjehurićastim omogućava bolji prijelaz topline s dimnih plinova na stijenke ložišta. CFB omogućava bolju raspodjelu zraka i povoljniji razmještaj ogrjevnih površina. Najveći nedostaci CFB tehnologije su razmjerno veliko ložište (što za posljedicu ima povećanje nabavne cijene), relativno velik udjel krutih čestica i pepela u dimnim plinovima (u usporedbi s BFB), veliki gubici inertnog materijala (s pepelom lete i zrnca pijeska), te zahtjevniji proces pripreme goriva (mogu izgarati samo čestice ograničene veličine 0,1 do 40 mm.

Tehnologije izgaranja u mjehurićastom ili cirkulirajućem fluidiziranom sloju omogućavaju stvaranje homogenijih uvjeta izgaranja te smanjenje udjela ugljičnog monoksida i dušikovih oksida u dimnim plinovima, te su u tom smislu bolja u usporedbi sa starijim izvedbama ložišta s izgaranjem na rešetki. Presjek ložišta s izgaranjem u fluidiziranom sloju prikazan je na slici 3.5.

Slika 3.5. Presjek ložišta s izgaranjem u fluidiziranom sloju: mjehurićasti (lijevo) i cirkulirajući (desno)

21

Na izbor tehnologije izgaranja utječu veličina postrojenja, značajke biomase, dopuštena razina emisije štetnih tvari, količina i opseg održavanja koje je investitor/vlasnik spreman prihvatiti. Izbor tehnologije izgaranja nema prevelik utjecaj na specifični potrošak topline u postrojenju. Na specifični potrošak topline vše utječe konfiguracija parno turbinskog procesa.

Suvremena postrojenja s izgaranjem na rešetki uobičajeno su jeftinija od postrojenja s izgaranjem u fluidiziranom sloju. Fluidizacija sloja povećava efikasnost izgaranja ali i zahtijeva dodatnu energiju za pogon ventilatora zraka što povećava vlastitu potrošnju električne energije kogeneracijskog postrojenja.

22

3.2. Rasplinjavanje

Rasplinjavanje biomase predstavlja alternativu klasičnim procesima izgaranja i proširuje mogućnosti korištenja biomase. Rasplinjavanjem se kruta biomasa transformira u gorivi ili reaktorski plin koji se može koristiti za pogon plinske turbine, plinskog motora ili gorivnih članaka u proizvodnji električne energije, ali i u procesima kemijske sinteze za proizvodnju etanola ili drugih organskih proizvoda.Glavne faze procesa rasplinjavanja:− sušenje goriva, na temperaturi do približno 200 °C− piroliza (zagrijavanje bez kisika do temperature od približno 500 °C)− oksidacija (na temperaturama sloja do 900 °C)− i redukcija (pri temperaturi do približno 1200 °C)ilustrirane su na slici 3.6., na shematskom prikazu procesa rasplinjavanja u protustrujnom reaktoru.

Slika 3.6. Shema protustrujnog reaktora i faze procesa rasplinjavanja u nepokretnom sloju

23

U procesu rasplinjavanja biomasa se najprije zagrijava i suši. Potrebna toplina osigurana je izgaranjem manje količine sirovine. Tijekom procesa pirolize, koji započinje na temperaturi od približno 200 °C hlapivi sastojci goriva isparavaju. Uparnoj smjesi nalaze se ugljični monoksid, vodik, metan, ugljični dioksid, hlapivi katran i voda. Kruti ostatak goriva je drveni ugljen koji se transformira u reaktorski plin s pomoću sredstva za rasplinjavanje (najčešće se koriste zrak, kisik, ugljični dioksid ili vodena para). Drveni ugljen reagira s kisikom sadržanim u sredstvu za rasplinjavanje i proizvodi reaktorski plin koji se sastoji od ugljičnog monoksida, vodika i metana. Ako se kao sredstvo za rasplinjavanje koristi zrak, gorivi plinovizauzimaju približno 40 % ukupnog volumena reaktorskog plina dok ostatak čine dušik i ugljični dioksid.

Gorivne komponente reaktorskog plina uključuju ugljični monoksid, vodik, metan, te male količine etana i propana. Reaktorski plin može sadržavati i određene količine ugljičnog dioksida i vodene pare. Točan sastav reaktorskog plina ovisi o temperaturama i tlakovima na kojima se proces odvija kao i o sastavu biomase. Načelno viši tlakovi pospješuju efikasnost pretvorbe ugljika, a proizvodi se i više metana i vodene pare. Više temperature potiču proizvodnju ugljičnog monoksida i vodika. Reaktorski plin na izlazu iz rasplinjača sadrži različite količine štetnih tvari kao što su spojevi dušika i sumpora, ugljikovodike (katran), te čestice pepela, te se prije daljnjeg korištenja u pravilu mora očistiti. Čišćenje nije nužno ukoliko je reaktorski plin predviđen za izravno izgaranje u ložištu.

Rasplinjavanje još nema status potpuno komercijalne tehnologije. Postoji relativno velik broj različitih tehnoloških rješenja koja se razlikuju s obzirom na mjesto dodavanja, način zagrijavanja, smjerove strujanja sredstva za rasplinjavanje i goriva (istostrujni, protustrujni, uzlazni, silazni reaktori). Za kogeneracijska postrojenja na biomasu najčešće se koriste istostrujni i protustrujni reaktori s rasplinjavanjem na nepokretnoj rešetki koji su shematski prikazani na slici 3.7. U pogonu je i više demonstracijskih postrojenja s rasplinjavanjem u fluidiziranom sloju.

Slika 3.7. Shema protustrujnog-uzlaznog (updraft) i istostrujnog – silaznog (downdraft) reaktora

24

Glavna značajka uzlaznog (updraft) rasplinjača je mogućnost korištenja relativno vlažnih goriva (s masenim udjelom vlage i do 50 %) kao i sječke različite veličine (5 - 100 mm). Pogodni su za primjenu u postrojenjima u rasponu kapaciteta od 10 kWt do 20 MWt. U najavi je i serijska proizvodnja.

Kod silaznih ili nizstrujnih (downdraft) rasplinjača produkti pirolize prolaze kroz vruću zonu rasplinjavanja drvenog ugljena što u znatnoj mjeri snižava udio katrana u reaktorskom plinu. Niži udjeli katrana omogućavaju primjenu jednostavnijeg, a time i jeftinijeg sustava čišćenja reaktorskog plina koji je nužan na postrojenjima koja reaktorski plin koriste za pogon motora s unutarnjim izgaranjem. Silazni rasplinjači osjetljiviji su na veličinu čestica (20 -100 mm) i na vlažnost goriva koja je ograničena na 20 %. Postrojenja se mogu izvesti u rasponu kapaciteta 10 kWt do 10 MWt. Glavna prepreka komercijalizaciji je osjetljivost na kvalitetu goriva, jer samo visokokvalitetno gorivo jamči nizak sadržaj katrana u reaktorskom plinu. Kod silaznih rasplinjača uočen je i problem održavanja pogonskih parametara na opterećenjma nižim od nazivnog.

3.3 Tehnološki procesi

Pored tehnologije primarne pretvorbe biomase (izgaranje ili rasplinjavanje) kogeneracijska postrojenja razlikuju se i prema implementiranom tehnološkom procesu. Trenutni tržišni status različitih tehnologija kao i raspon primjena s obzirom na veličinu kogeneracijskog postrojenja ilustriran je na slici 3.8., dok su odabrani procesi detaljnije opisani u nastavku.

Slika 3.8. Tržišni status i raspon primjene različitih tehnologija korištenja biomase u kogeneraciji

25

3.3.1 Postrojenje parne turbine

Većina kogeneracijskih postrojenja loženih biomasom temelji se na Rankineovom kružnom procesu s pregrijanom vodenom parom. Napojna voda zagrijava se i isparava u parnom kotlu (generatoru pare), a zatim pregrijava do stanja koje će osigurati ekspanziju pretežno suhe pare u turbini. Nakon ekspanzije u turbini para kondenzira u izmjenjivaču (koji služi za pokrivanje toplinskih potreba lokacije) i/ili u kondenzatoru. Kondenzat se pumpama kondenzata transportira do napojnog spremnika u kojem se otplinjava, a zatim pumpa natrag u kotao.

S obzirom na oštećenja koje kapljice kondenzata mogu izazvati na turbinskim lopaticama kod projektiranja parametara procesa vlažnost pare u izlaznom turbinskom stupnju uobičajeno se ograničava na 12 %. Na stanje pare na izlazu iz turbine, pored tlaka i temperature svježe pare na ulazu u turbinu, utječe i stanje rashladnog medija odnosno vrsta toplinske potrošnje koju kogeneracijsko postrojenje podmiruje.

Ukoliko postrojenje proizvodi samo električnu energiju para u turbini ekspandira do najnižeg mogućeg tlaka koji je određen temperaturom i raspoloživom količinom rashladnog medija (zraka ili vode). Kod kondenzacijskih postrojenja temperatura rashladne vode na izlazu iz kondenzatora (uobičajeno 20-30 °C) preniska je za ekonomično iskorištavanje topline preuzete kondenzacijom.

Ukoliko je postrojenje predviđeno za pokrivanje toplinskih potreba lokacije ili sustava područnog grijanja para će kondenzirati na višem tlaku koji će ovisiti potrebnoj temperaturi vode na izlazu iz izmjenjivača. U sustavima područnog grijanja polazna temperatura vode kreće se ovisno o namjeni ili godišnjem dobu u rasponu od 80 °C do 130 °C i uobičajeno ovisi i o vanjskoj temperaturi. Ukoliko zahtjevi industrijskog procesa propisuju više parametre ogrjevnog medija tlak i temperatura reguliranog oduzimanja ili tlak i temperatura kondenzacije pare biti će viši. Što su temperatura i tlak (ili protutlak) oduzimanja odnosno kondenzacije viši, to je manji toplinski pad u turbini (ili dijelu turbine), a s time i mogućnost proizvodnje električne energije.

Ukupna iskoristivost kogeneracijskog procesa definirana je kao omjer zbroja proizvedene električne i toplinske energije i energije utrošenog goriva. Premda je ukupna iskoristivost kogeneracijskog procesa viša u usporedbi s kondenzacijskim postrojenjima, kogeneracijska postrojenja imaju nižu iskoristivost proizvodnje električne energije. Analiza pogonskih pogonskih podataka za kogeneracijska postrojenja koja kao gorivo koriste biomasu pokazuje da se u rasponu snage postrojenja od 1-20 MWe električna iskoristivost kreće od 15 do 20 % što je u usporedbi sa kondenzacijskim postrojenjima slične snage za barem 5 % niže.

Kogeneracijsko postrojenje manje snage (1,3 MWe/8 MWt) s ložištem s izgaranjem na rešetki, parnom turbinom, te ciklonskim i elektrostatskim odvajačem pepela shematski je prikazano na slici 3.9.

26

Slika 3.9. Kogeneracijsko postrojenje na biomasu s protutlačnom parnom turbinom i kotlom za izgaranje na rešetki

Kod kogeneracijskih postrojenja manje snage (< 5 MWe) pored relativno niske električne iskoristivosti (niža od 20 %) nedostatak predstavljaju i visoki specifični investicijski troškovi koji premašuju 4.000 EUR/kWe. Kod novijih postrojenja srednje snage (zbog ograničene raspoloživosti biomase to su već postrojenja snage 20 MWe) za povećanje električne iskoristivosti (do 35 %) primjenjuju se različite mjere: od podizanja parametara svježe pare i uvođenja međupregrijanja pare, do regenerativnog zagrijavanja napojne vode i sušenja goriva otpadnom toplinom dimnih plinova.

Mjere povećanja iskoristivosti parno-turbinskog procesa temelje se prije svega na povećanju prosječne temperature dovođenja topline. Mogućnost povećanja temperature i tlaka pregrijane pare ograničena je svojstvima materijala od kojih se izrađuju komponente parovoda i parne turbine. Skuplji materijali (visokolegirani čelici) koji omogućavaju pogon do 600 °C primjenjuju se za postrojenja većih snaga. Za manja postrojenja primjenjuju se niskolegirani čelici prikladni za pogon na temperaturama svježe pare do 550 °C.

Koncept međupregrijanja pare temelji se na dodatnom zagrijavanju pare nakon ekspanzije u visokotlačnom dijelu turbine, a prije uvođenja u srednje ili niskotlačni dio turbine. Prednost međupregrijanja ogleda se u povećanju prosječne temperature izmjene topline što doprinosi iskoristivosti ciklusa i omogućava proizvodnju veće količine mehaničke/električne energije za istu količinu goriva. Smeđupregrijanjem se snižava i vlažnost pare koja prolazi kroz niskotlačni dio turbine što smanjuje eroziju lopatica koju uzrokuju kapljice kondenzata. Parno turbinski proces s međupregrijanjem omogućava i povećanje ulaznog tlaka svježe pare i/ili smanjenje tlaka kondenzacije uz zadržavanje vlažnosti niskotlačne pare na niskim vrijednostima.

27

Regenerativno zagrijavanje (predgrijavanje) napojne vode uobičajeno se realizira u seriji kaskadno povezanih izmjenjivača u kojima je potrebna energija za zagrijavanje napojne vode osigurana kondenzacijom pare koja se na različitim tlakovima odvaja u turbini.

U prošlosti je primjena mjera povećanja iskoristivosti bila ekonomična samo na postrojenjima većih snaga (iznad npr. 50 MWe) dok se u novije vrijeme slijedom izražene potrebe za što efikasnijim iskorištavanjem energije primarnog goriva pokazuje opravdanost primjene i na manjim postrojenjima. Na slici 3.10. prikazana je shema postrojenja na biomasu u izgradnji snage 20 MWe na kojem je primijenjena većina mjera za povećanje iskoristivosti procesa.

Slika 3.10. Kogeneracijsko postrojenje na biomasu snage 20 MWe s kotlom za izgaranje ufluidiziranom sloju, kondenzacijskom parnom turbinom s reguliranim

oduzimanjima i regenerativnim zagrijavanjem napojne vode

28

3.3.2. Parni motor

Parni motori su u upotrebi još od 18. stoljeća u različitim industrijskim postrojenjima. U modernom vremenu ustupili su svoje mjesto parnim turbinama koje omogućavaju efikasniju proizvodnju električne energije. Prostor za povratak parnih motora,ponajprije u industrijske energane, otvorio se povećanjem zanimanja za mala kogeneracijska postrojenja ložena biomasom. Na slici 3.11 prikazana je shema kogeneracijskog postrojenja na biomasu s parnim motorom.

Slika 3.11. Kogeneracijsko postrojenje na biomasu s parnim motorom i pomoćnimKondenzatorom

Proces s parnim motorom načelno se ne razlikuje od procesa s parnom turbinom. Izgaranjem biomase u parnom kotlu proizvodi se pregrijana para koja se koristi za pogon parnog motora odnosno električnog generatora. Nakon ekspanzije u motoru para se koristi kao radni medij u sustavu područnog grijanja ili u industrijskom mprocesu. Nakon kondenzacije para se vraća u parni kotao. Ukoliko postoje viškovi pare za konendenzaciju se koristi zrakom hlađeni kondenzator.

Kogeneracijska postrojenja s parnim motorom alternativa su parnim turbinama kod postrojenja malih snaga. Relativno niska električna iskoristivost (uobičajeno niža od 10 %) i visoki investicijski troškovi (ubičajeno su veći od 3500 EUR/kWe) ne idu u prilog šire primjene osim u industriji papira i drvnoj industriji u kojima je potreba za parom (toplinskom energijom) kontinuirana tijekom čitave godine.

U prednosti parnog motora ubrajaju se pouzdanost, niski troškovi održavanja imogućnost promjene protoka. Dostupni su u rasponu snaga 20 – 1500 kWe.Proizvođači parnih motora usmjereni su na tržišnu nišu parnih ciklusa malih snaga u kojima je iskoristivost parnih turbina niska.

29

3.3.3. Organski Rankineov ciklus (ORC)

Organski Rankineov ciklus (ORC) varijacija je već opisanog Rankineovog ciklusa u kojem se umjesto vode kao radni medij koristi organski fluid (silikonsko ulje, izopentan, izooktan, amonijak). Isti radni mediji mogu se koristiti i u primarnom krugu rashladnih postrojenja i toplinskih pumpi. Zbog relativno niske temperature isparavanja radnog medija ORC je pogodan za iskorištavanje topline na znatno nižim temperaturama. Proces se najviše primjenjuje u geotermalnoj proizvodnji električne energije, te u teškoj industriji gdje se iskorištava otpadna toplina industrijskog procesa. Novije primjene usmjerene su ka korištenju sunčeve energije i energije biomase.

U pogonu je više od 80 kogeneracijskih postrojenja na biomasu s ORC procesom (najviše u Njemačkoj, Austriji i Italiji). Biomasa izgara u kotlu na pokretnoj ili fiksnoj rešetki s automatiziranom dobavom goriva i odvođenjem pepela. Toplina izgaranja predaje se termičkom ulju koje se koristi kao posrednik (odnosno zamjena za vodu). Temperature ulja održava se u rasponu 250-300 °C. Dimni plinovi hlade se u ekonomajzeru što omogućava povećanje ukupne iskoristivosti do 80 %. U nekim se slučajevima instalira i predgrijač zraka. Organski medij isparava u izmjenjivaču a zatim pare ekspandiraju u turbini koja se vrti s relativno malim brzinama vrtnje što omogućava izravno spajanje na generator kao i smanjivanje mehaničkih gubitaka. Ekspandirani organski medij hladi se u regeneratoru u cilju podizanja iskoristivosti ciklusa. Nakon regeneratora organski medij kondenzira u ogrjevnom kondenzatoru, grijući vodu u sustavu područnog grijanja. Ohlađeno ulje pumpama se vraća u kotao, a kondenzirani radni medij u izmjenjivač.

Glavna razlika ORC procesa u odnosu na klasični vodeno parni Rankineov ciklus ogleda se u termodinamičkim svojstvima radnih fluida među kojima se najčešće koriste silikonsko ulje i izopentan. U usporedbi s vodenom parom izopentan je gušći a ima i negativan nagib krivulje zasićenja suhozasićene pare što omogućava ekspanziju pare u pregrijano područje. Energetske transformacije odvijaju se na nižim temperaturnim razinama (250 – 300 °C). ORC se u postrojenjima na biomasu primjenjuje u rasponu snaga od 200 kWe do više od 2000 kWe uz električnu iskoristivost od 10 do 15 %. Proces se odlikuje relativno visokom iskoristivosti nanižim opterećenjima što predstavlja prednost kod pogona kogeneracijskog postrojenja u režimu koji slijedi toplinsku potrošnju. Korištenjem termičkog ulja umjesto vode kao omogućen je pogon kotla loženog biomasom na nižim tlakovima s čime se, u usporedbi s vodeno parnim procesom, smanjuju naprezanja i produljuje životni vijek kotla. Za pogon na nižim tlakovima nije potrebna dozvola inspektora parnih kotlova kao što je slučaj s parnim kotlovima u mnogim zemljama.Proces se može potpuno automatizirati.

U nedostatke ORC procesa ubrajaju se visoki specifični investicijski troškovi (kod manjih postrojenja > 5.000 EUR/kWe), zapaljivost silikonskog ulja na sobnim temperaturama kao i potrebna primjena dodatnih mjere zaštite od propuštanja vrelouljnog kotla. Na slici 3.12 prikazana je shema ORC procesa u postrojenjuloženom biomasom.

30

Slika 3.12. Shema ORC kogeneracijskog postrojenja na biomasu

31

3.3.4. Plinski motor

Kogeneracijska postrojenja koja se temelje na rasplinjavanju biomase i izgaranju reaktorskog plina u plinskom motoru, unatoč višoj električnoj iskoristivosti još uvijek ne zauzimaju značajniji tržišni udjel. Razlog ponajprije treba tražiti u svojstvima i sastavu reaktorskog plina koji izrazito ovisi o vrsti biomase i primijenjenoj tehnologiji rasplinjavanja.

Reaktorski plin slabe je kvalitete i ogrjevna vrijednost je na razini 15-20 % ogrjevne vrijednosti prirodnog plina. Smanjenje ogrjevne vrijednosti posljedica je razrjeđivanja plina s dušikom iz zraka koji je potreban za odvijanje procesa. Ukoliko se kao sredstvo za rasplinjavanje koristi kisik ili vodena para ogrjevna vrijednost reaktorskog plina dostiže i 40 % ogrjevne vrijednosti prirodnog plina.

Niža ogrjevna vrijednost reaktorskog plina relativno je malen problem u usporedbi s problemom uklanjanja štetnih tvari koje nastaju procesom rasplinjavanja što potvrđuje i izgled tipične konfiguracije postrojenja prikazan na slici 3.13. u kojoj većina komponenti služi pripremi i obradi reaktorskog plina. Reaktorski plinovi dobiveni rasplinjavanjem biomase sadrže različite onečišćivače uključivo i kondenzirajuće ugljikovodike (katrane), čestice, alkalne spojeve i u manjoj mjeri spojeve sumpora i dušika. Ove tvari moraju biti uklonjene prije daljnje eksploatacije reaktorskog plina u svim slučajevima korištenja osim kod izravnog spaljivanja u ložištu kotla (kada se produkti izgaranja zadržavaju dovoljno dugo u ložištu navisokoj temperaturi što omogućava uništavanje štetnih spojeva).

Slika 3.13. Shema kogeneracijskog postrojenja s rasplinjačem biomase i plinskim motorom

Većina procesa rasplinjavanja koji su u pogonu ili se još razvijaju za uklanjanje onečišćujućih tvari koristi niskotemperaturni postupak. Hlađenjem plina kondenziraju katran i alkalni spojevi dok se čestice uklanjaju konvencionalnim vrećastim filtrima ili elektrostatskim taložnicima. Ukoliko je potrebno koriste se i vlažni postupci eliminacije preostalog katrana i

32

čestica. Hladni postupak čišćenja reaktorskog plina ima status komercijalne tehnologije iako u termodinamičkom smislu (zbog hlađenja plina) nije najpovoljniji.

Uklanjanje onečišćujućih tvari bi se u idealnom slučaju odvijalo na temperaturi i tlaku reakcije rasplinjavanja. Vrući postupak omogućio bi čišćenje plinova bez gubitka toplinske energije sadržane u reaktorskom plinu, ali ovaj postupak još nije komercijalno razvijen.

Za pokrivanje toplinskih potreba lokacije toplina se može dobiti hlađenjem ispušnih plinova prije ispuštanja u dimnjak, hlađenjem motora, hlađenjem ulja za podmazivanje, ili izgaranjem plina u namjenskom kotlu. Uobičajeno postrojenje sadrži i vršni kotao koji služi za pokrivanje toplinskih potreba lokacije.

Rezultati analize pogonskih parametara koju je proveo proizvođač plinskih motora ukazuju na sljedeće probleme:− kondenzat (katran, voda) u reaktorskom plinu zaostao nakon procesa čišćenja uzrokuje zaprljanje dijelova plinskog motora,− varijacije ogrjevne vrijednosti reaktorskog plina, koje su posljedica nehomogenosti u biomasi koja se ubacuje u reaktor, nepovoljno utječu na kvalitetu pogona u otočnom režimu,− sadržaj ugljičnog monoksida u ispušnim plinovima je visok i za više od tri puta premašuje granične vrijednosti (dopuštena razina emisije CO je 650 mg/m3), što zahtijeva dodatnu obradu ispušnih plinova.Analiza pogonskih parametara novoinstaliranog kogeneracijskog postrojenja snage 1,2 MWe u kojem se rasplinjava suhi drvni otpad raznolikog sastava (palete,namještaj, ...) ukazuje da je glavni razlog niske raspoloživosti (postrojenje je bilo upogonu manje od 50 % mogućeg vremena) nehomogenost reaktorskog punjenja.Osim metalnih uključevina na proces rasplinjavanja nepovoljno utječu i sitni komadi drveta i piljevina [28]. Za rješenje problema homogenizacije goriva neki proizvođači već u standardnoj konfiguraciji postrojenja predviđaju briketiranje suhe sječke prije ubacivanja u reaktor što je i shematski prikazano na slici 3.14.

Slika 3.14. Shema kogeneracijskog postrojenja s briketiranjem suhe drvne sječke, rasplinjačem i plinskim motorom

33

U Europi je krajem 2008. godine bilo u pogonu pedesetak instalacija s plinskim motorom i različitim vrstama rasplinjača u rasponu snage od 75 kWe do više od 5000 kWe.

3.3.5. Plinska turbina s indirektnim zagrijavanjem

Tehnoekonomske značajke procesa plinske (zračne) turbine s indirektnim zagrijavanjem zraka svrstavaju ovaj proces među nove i potencijalno isplative tehnologije iskorištavanja drvnog ostatka. Projektni podaci sugeriraju relativno visoku električnu iskoristivost (veću od 20 %) i znatno niže specifične investicijske troškove (manje od 2000 EUR/kWe) u odnosu na vodeno–parni ili ORC proces.

Glavna razlika između plinske turbine s indirektnim zagrijavanjem i obične plinske turbine ogleda se u načinu izgaranja goriva koje se odvija odvojeno od radnog fluida. Komora izgaranja zamijenjena je vanjskim izmjenjivačem topline u kojem se radni medij (zrak, helij, ugljični dioksid) zagrijava produktima izgaranja krute biomase ili reaktorskih plinova na > 800 °C.

Razlikuju se otvoreni i zatvoreni ciklus. Zatvoreni ciklus ima višu ukupnu iskoristivost dok otvoreni ciklus ima višu električnu iskoristivost. Toplina oslobođena izgaranjem prenosi se na radni medij preko izmjenjivača. Nakon ekspanzije u plinskoj turbini radni fluid se može dodatno hladiti u izmjenjivaču područnog grijanja prije nego što se dovede u kompresor. Kod otvorenog ciklusa radni fluid (najčešće zrak) ispušta se u dimnjak ili koristi kao zrak za izgaranje u ložištu. Shematski prikaz procesa zajedno s najvažnijim tehničkim parametrima prikazan je na slici 3.15.

Slika 3.15. Shema kogeneracijskog postrojenja s plinskom turbinom i indirektnimzagrijavanjem zraka

34

Trenutno je u pogonu nekoliko postrojenja manje snage (100 kWe, 7 kWe, 500 kWe). Kao najveća barijera široj implementaciji ističe se problem konstrukcije izmjenjivača topline u kojem se radni fluid zagrijava vrućim dimnim plinovima. Dijelovi izmjenjivačkih površina izloženi su visokim temperaturama, a zbog relativno lošijih uvjeta prijelaza topline površina izmjenjivača mora biti veća. Navedeni faktori poskupljuju izvedbu.

Noviji rezultati mjerenja električne iskoristivosti u probnom pogonu pilot postrojenja snage 100 kWe niži su od projektnih vrijednosti (izmjerena iskoristivost 17,8 % pri 75 kWe, projektna iskoristivost 22,25 % na 100 kWe) ali su još uvijek u rangu konkurentskih koncepata (parna turbina, ORC). U usporedbi s postrojenjem s rasplinjavanjem koje ima višu električnu iskoristivost plinska turbina s indirektnim zagrijavanjem zraka je jednostavnija i jeftinija, te može koristiti gorivo slabijekvalitete.

35

4. DIMENZIONIRANJE KOGENERACIJSKOG POSTROJENJA

4.1 Izbor optimalne veličine postrojenja

Izbor optimalne veličine kogeneracijskog postrojenja koje će proizvoditi električnu energiju u ritmu potražnje za toplinskom energijom vrlo često dovodi potencijalnog investitora u dilemu zbog sljedećih razloga:− veliko postrojenje koje pokriva približno svu zimsku toplinsku potrošnju može biti slabije iskorišteno u većem dijelu godine, a ljeti se može dogoditi i obustava zbog ograničenja koja nameće pogon na niskim opterećenjima− malo postrojenje koje će pokrivati baznu toplinsku potrošnju osigurati će kontinuiran pogon u većem dijelu godine, ali na račun manje proizvodnje električne energije i viših specifičnih investicijskih troškova.U razrješenju naveden dileme ne pomaže puno niti europska praksa jer pokazujeda postoji tendencija izgradnje postrojenja većeg kapaciteta koja su, u očekivanju buduće veće toplinske potrošnje uglavnom slabije iskorištena.Dobro iskorištenje instaliranih kapaciteta može se postići ukoliko je postrojenjerelativno malo i osigurava pokrivanje samo 40 % zimske vršne toplinske potrošnje.Takvo dimenzioniranje načelno jamči relativno bolji povrat investicije u kogeneracijsko postrojenje. Međutim malo postrojenje proizvodi manje količine električne energije i samo u manjoj mjeri doprinosi snižavanju troškova proizvodnje toplinske energije. Kod izbora kogeneracijskog postrojenja manjeg kapaciteta potrebno je osigurati veći kapacitet postrojenja za pokrivanje vršnog toplinskog opterećenja što dodatno smanjuje profitabilnost konfiguracije.

Premda rezultati različitih analiza upućuju na optimalni ekonomski kapacitet postrojenja u rasponu 50 % do 70 % vršnog zimskog toplinskog opterećenja, optimalna veličina postrojenja može biti i ona koja će omogućiti pokrivanje između 86 % pa čak do 98 % godišnje toplinske potrošnje lokacije. Faktor iskorištenja ovisit će i o klimatskim prilikama i načelno će bolje biti iskorištena postrojenja u hladnijim podnebljima.

Optimalni kapacitet kogeneracijskog postrojenja u okvirima zadane toplinske potrošnje ovisti će o:− troškovima goriva,− investicijskim troškovima,− troškovima proizvodnje vršne topline,− tarifama za električnu energiju,− očekivanom razvoju toplinske potrošnje

Na optimalnu veličinu postrojenja utjecat će i raspoloživost goriva kao i raspoloživost sustava za pokrivanje vršnog toplinskog opterećenja u slučajevima kada je kogeneracija izvan pogona. Različite kogeneracijske tehnologije mogu se značajno razlikovati u pogledu efikasnosti. Većina tehnologija proizvodi toplinsku energiju približno jednako (proizvodnja toplinske energije je i najjednostavnija s tehničkog gledišta) dok efikasnost proizvodnje električne energije ovisi o brojnim parametrima. Kod postrojenja koja se temelje na procesima s vodenom parom viši tlakovi i temperature preduvjet su za višu iskoristivost i karakteristični su za veća postrojenja.

Kod donošenja investicijskih odluka potrebno je razmotriti povećanu pogonsku iskoristivost u kontekstu povećanih investicijskih troškova za kotao, turbinu i prateću opreme, te u kontekstu rizika od korozije i mogućih pogonskih problema.

36

ZAKLJUČAK

Razlozi korištenja biomase, proširenje asortimana

Korištenje biomase omogućava zapošljavanje (otvaranje novih i zadržavanje postojećih radnih mjesta), povećanje lokalne i regionalne gospodarske aktivnosti, ostvarivanje dodatnog prihoda u poljoprivredi, šumarstvu i drvnoj industriji kroz prodaju biomase-goriva. Osim toga se umjesto troškova za sredstva zbog kupovine fosilnih goriva uspostavljaju novčani tokovi u lokalnoj zajednici (investicije-zarade-porezi). Utjecaj na zapošljavanje te navedeni socijalno-gospodarski aspekti predstavljaju najveću prednost korištenja biomase u odnosu na fosilna goriva, ali i na ostale obnovljive izvore energije. Razvijene države Europske unije i svijeta svjesne su ovih pozitivnih učinaka i stoga u znatnoj mjeri pomažu projekte korištenja energije biomase. Međunarodno prihvaćena potreba za obuzdavanjem i smanjenjem emisije stakleničkih plinova otvorila je širom vrata za projekte korištenja biomase, što je posebno vidljivo iz posljednjeg izvještaja Međuvladine komisije za klimatske promjene. Iako još postoje pitanja bez odgovora vezana na klimatske promjene promatranjem ukupnog životnog ciklusa biomase jasne postaju nedvojbene prednosti biomase u odnosu na ostale izvore energije.

Kada je drvna industrija u pitanju, u slučaju neophodnosti nabavki biomase sa druge strane, cijena tako dobijene toplotne ili električne energije je ekonomski prihvatljiva u sadašnjim okolnostima. Ekološka vrijednost biomase dolazi do izražaja u poređenju biomase kao goriva s klasičnim fosilnim gorivima, npr. ugljem.

Danas postoji veliki broj pilana u BiH sa godišnjom proizvodnjom od 2000000 m3 trupaca. Godišnja proizvodnja različitih drvnih asortimana (balvani, drvo za ogrijev, drveni ostaci) je 6907423 m3. Planiraju se lokacije za prikupljanje drvnih ostataka, radi organizovanja efikasnog korištenja. Postojeće termoelektrane u BiH okružene su sa značajnim izvorima drvne biomase; šumom i pilanama, unutar prečnika – ispod 50 km, što je značajno radi troškova transporta drvenih ostataka. Postojeći način unutrašnje dopreme uglja u domaćim termoelektranama povoljan je za miješanje drvene biomase sa ugljem na depoima uglja u krugu termoelektrana, poslije čega bi se mješavina uglja i biomase transportovala do kotlova postojećim trakastim transporterima uglja, [1].

Glavna je prednost biomase u odnosu na fosilna goriva manja emisija štetnih plinova i otpadnih voda. Računa se da je opterećenje atmosfere s CO2 pri korištenju biomase kao goriva zanemarivo, budući da je količina emitiranog CO2 prilikom izgaranja jednaka količini apsorbiranog CO2 tijekom rasta biljke. Dodatne su prednosti zbrinjavanje i iskorištavanje otpada te ostataka iz poljoprivrede, šumarstva i prerade drva, smanjenje uvoza energenta, ulaganje u poljoprivredu i nerazvijena područja. U posljednje vrijeme sve više postaje očito da je današnji pristup energiji neodrživ. Od svih obnovljivih izvora energije, najveći se

37

doprinos u bližoj budućnosti očekuje od biomase. Biomasa, kao i njezini produkti – tekuća biogoriva i bioplin, nije samo potencijalno obnovljiva, nego i dovoljno slična fosilnim gorivima pa je moguća izravna zamjena. Razvijanjem vlastitog tržišta te izgradnjom postrojenja na biomasu, svi ostali izvori biomase dobiti će na vrijednosti te će početi njihova eksploatacija. To se prvenstveno odnosi na privatne i državne šume u kojima danas veliki dio biomase leži kao neiskorišteni energetski pa i financijski potencijal. Korištenjem biomase smanjuje se ovisnost o uvozu energije, te tako pridonosi zaštiti gospodarske stabilnosti zemlje, zadržavanju nacionalnog dohotka u zemlji, te ukupnom napretku zemlje i svakog pojedinog građana. Pojedina ruralna područja BiH ugrožena su visokom razinom iseljavanja, pa je u pitanje došao i njihov fizički opstanak jer je broj stanovnika već pao na ili čak ispod razine biološke održivosti. Stoga, uzimajući u obzir značenje biomase za ruralna područja, kosagorijevanje može imati pozitivne posljedice na ruralno tržište rada i to kroz izravno zapošljavanje, ali i kroz podršku pripadajućim djelatnostima i pratećoj industriji.

38

LITERATURA

1.Lučić, G., Hucika, H., Izvedba industrijskih kogeneracija na biomasu, CD Zbornik radova Međunarodno savjetovanje Energetska i procesna postrojenja, Energetikamarketing, Dubrovnik, rujan 2008.2. Rak Šajn J., Biomasa će postati jedan od važnijih energenata u RH, VL, Prilog, 5.studenog 2008.3. Slunjski, M., Sučić, Ž., Iskorak Hrvatskih šuma u korištenju šumske biomase,Savjetovanje Obnovljivi izvori energije u RH, HGK, Osijek, 27-29. svibnja 20084. Pravilnik o korištenju obnovljivih izvora energije i kogeneracije (NN 67/07)5. Biomass for power generation and CHP, IEA - Energy Technology Essentials,January 2007

Internet stranice:

http://www.ho-cired.hr/referati/SO4-10.pdf

http://chee-ipa.org/en/renewable-energy-sources/biomass-and-biofuels

http://www.eihp.hr/hrvatski/projekti/revetis/pdf/REVETIS-BIOMASA.pdf

http://www.eniteh.hr/modsklad.html

http://oie.mingorp.hr/UserDocsImages/BIOCHP_HR.pdf

http://www.aweres.net/Preuzmi/OIE_biomasa.pdf

http://artas.hr/energija/otkup.htm

http://www.boell.ba/downloads/energetska_efikasnost_i_obnovljivi_izvori_energije_final.pdf

39