Click here to load reader

Priručnik - skole.hr

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Priručnik - skole.hr

untitledViše o projektu na www.ipa-oie.com
Prirunik
za razdoblje od 2007. do 2013. godine koji zamjenjuje
dosadašnje programe CARDS, Phare, ISPA i SAPARD.
Osnovni ciljevi ovog programa su pomo u izgradnji
institucija i vladavine prava, ljudskih prava, ukljuujui
i temeljna prava, prava manjina, jednakost spolova i
nediskriminaciju, administrativne i ekonomske reforme,
ekonomski i društveni razvoj, pomirenje i rekonstrukciju
te regionalnu i prekograninu suradnju.
IPA Komponenta IV Razvoj ljudskih potencijala
doprinosi jaanju gospodarske i socijalne kohezije, te
prioritetima Europske strategije zapošljavanja u podruju
zapošljavanja, obrazovanja, strunog osposobljavanja i
socijalnog ukljuivanja.
postupno povezivati svoja znanja, resurse i sudbine.
Zajedniki su, tijekom razdoblja proširenja u trajanju
od 50 godina, izgradile zonu stabilnosti, demokracije
i odrivog razvoja, zadravajui pritom kulturalnu
raznolikost, toleranciju i osobne slobode. Europska
unija posveena je dijeljenju svojih postignua i svojih
vrijednosti sa zemljama i narodima izvan svojih granica.
Energija biomase
Julije Domac
Ova publikacija izraena je uz pomo Europske unije. Za sadraj ove publikacije odgovorna je Srednja škola Oroslavje i ne odraava stavove Europske unije.
Ovaj projekt fi nancira Europska unija
IPA Komponenta IV – Razvoj ljudskih potencijala
Program Europske unije za Hrvatsku
Instrument pretpristupne pomoi – Obnovljivi izvori energije
Project fi nanced by the European Union
IMPLEMENTATION OF NEW CURRICULA:
Projekt je fi nanciran sredstvima Europske unije
IMPLEMENTACIJA NOVIH KURIKULUMA:
Provedbeno tijelo:
Nositelj projekta:
Grad Oroslavje
Struni suradnici:
Suautor:
volonterskom radu pri izradi nastavnih materijala
Izdava:
Srednja škola Oroslavje
1.2. Vrste goriva i karakteristike .............................................................. 3
2. Sustavi i tehnologije za iskorištavanje biomase u energetske svrhe ..................... 10
3. Odrivost korištenja biomase i utjecaj na okoliša ......................................... 15
3.1. Odrivost korištenja biomase ............................................................ 15
3.2 Utjecaj na okoliš ......................................................................... 18
4. Ekonomski i socijalni aspekti iskorištavanja energije biomase ........................... 19
5. Primjeri projekata iskorištavanja energije biomase ....................................... 22
6. Izvori informacija za one koji ele znati malo više ......................................... 24
Literatura na hrvatskom jeziku ................................................................. 24
Izbor posebno vrijedne literature na engleskom jeziku ...................................... 24
Internet .......................................................................................... 24
Implementacija novih kurikuluma: Poveanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije2
Predgovor Biomasa je najsloeniji oblik obnovljivih izvora energije jer kao sirovina obuhva a šumsku i po- ljoprivrednu biomasu, biomasu nastalu prilikom proizvodnih procesa razli itih industrija ili otpad u smislu komunalnog otpada, pro iš ivanja voda i kanalizacijskog mulja i sli no, a moe se uzga- jati i na energetskim plantaama. Kao kona an proizvod – energija, biomasa moe posluiti kao obnovljivi izvor za dobivanje elektri ne energije i toplinske energije te kao goriva za promet.
Pri iskorištavanju biomase nuan korak je pretvorba po etne sirovine u energente koji mogu biti teku i (npr. biodizel, bioetanol), plinski (npr. bioplin) ili kruti (npr. peleti). Osim toga, za raz- liku od ostalih obnovljivih izvora energije, biomasa se moe okarakterizirati kao uvjetno obnov- ljivi izvor energije. Temeljni uvjet koji je potrebno zadovoljiti u tom smislu jest odrivost korištenja, što se najjednostavnije moe prikazati za primjer iskorištavanja šumske biomase. Nai- me, ako se cjelokupna šuma posije e radi spaljivanja dobivenog drva, o ito se ne radi o odrivom korištenju te se takvo iskorištavanje ne moe okarakterizirati kao obnovljivi izvor energije. Ako se pak koristi samo onaj dio godišnjeg prirasta stabala koji osigurava stabilan rast i o uvanje šume u budu nosti, takvo iskorištavanje biomase svakako spada u obnovljive izvore energije.
S obzirom na veliku sloenost i mogu ih izvora odnosno sirovine, procesa za preradu sirovine te tehnologija za iskorištavanje biomase, kao i u inaka iskorištavanja na okoliš, gospodarstvo i društvo op enito, kod odabira podru ja obra enih u okviru ove radne biljenice bilo je prijeko potrebno ograni iti opseg obra enih izvora biomase, tehnologija prerade i iskorištavanja. Kao os- novni kriterij odabira obra enih podru ja uzeta je prakti na primjenjivost odnosno mogu nost iskorištavanja raznih oblika biomase u Republici Hrvatskoj. S obzirom na zna ajni potencijal šumske biomase te na sadašnje stanje korištenja biomase u Republici Hrvatskoj, pri emu je upra- vo šumska biomasa daleko najvaniji izvor za dobivanje energije iz biomase, ovo podru je ini najve i dio sadraja radne biljenice. Tipovi biomase koji su tako er obra eni u priru niku, ali u manjem opsegu s obzirom na stanje korištenja u Republici Hrvatskoj, jesu bioplin i biomasa iz poljoprivredne proizvodnje.
U okviru radne biljenice dan je ve i broj prakti nih i ra unskih zadataka radi ilustracije prak- ti nih aspekata iskorištavanja biomase u kontekstu Republike Hrvatske, a prije samih zadataka dana su saeta objašnjenja pojmova i mjernih jedinica koje se uobi ajeno koriste.
Radna biljenica i priru nik o biomasi ine zajedni ki obrazovni materijal pa su teme kao što su izvori i iskorištavanje biomase iz poljoprivrede, utjecaj na okoliš i društvo, odrivost korištenja i dr. obra ene u teoretskom smislu unutar priru nika.
Julije Domac, Velimir Šegon: Energija biomase [Prirunik] 3
1. Fizikalne osnove
1.1. Što je biomasa Što je biomasa? Biomasu ine brojni, najrazli itiji proizvodi biljnog i ivotinjskog svijeta kao što su grane, gran ice, kora drveta i piljevina iz šumarstva i drvne industrije, slama, kukuruzovina, stabljike suncokreta, ostaci pri rezidbi vinove loze i maslina, koštice višanja i kore od jabuka iz poljoprivrede, ivotinjski izmet i ostaci iz sto arstva, komunalni i industrijski otpadi dr.
U zadnjih 20 godina potrošnja energije u svijetu enormno je porasla. To je, uz korištenje atom- ske energije, zna ilo i zna ajan rast potrošnje fosilnih goriva. Usporavanje toga procesa i kona no obrat od stalno rastu e potranje za energijom, predstavlja jednu od najvanijih zada a suvremenog ovje anstva. Za preorijentaciju postoje dva razloga: ograni enost izvora fosilnih goriva te rastu e
optere enje atmosfere uz opasnost globalnih klimatskih promjena i potencijalno kobnog one iš e- nja okoliša. Kao posebna opasnost name e se emisija uglji nog dioksida (CO2), na koju je ve 1896. godine prvi upozorio znameniti švedski fizi ar Arrhenius. CO2 u spoju s vodenom parom i drugim plinovima u tragovima propušta prakti ki neizmijenjene Sun eve kratkovalne zrake kroz atmosferu, ali apsorbira dugovalne toplinske zrake sa Zemlje. Tako se donji dio atmosfere zagrija- va, a taj proces postao je poznat kao efekt staklenika. Posljedica je globalno povišenje temperature, kao i povišenje sadraja vodene pare u donjem dijelu atmosfere, što dovodi do klimatskih promjena s katastrofalnim posljedicama. Isto tako je vano ne iscrpiti do kraja zalihe fosilnih goriva jer su one zna ajan izvor sirovina za cijeli spektar "neenergetskih" proizvoda. Jedan od na ina da se proi- zvodi energija bez trošenja fosilnih goriva i emisije CO2 jest upotreba biomase kao goriva.
ovjek se oduvijek sluio biološkim energetskim izvorima koriste i proizvode fotosinteze bi- ljaka ne samo kao hranu nego i kao gorivo. Do po etka intenzivne upotrebe fosilnih goriva drvo je bilo primaran i gotovo jedini izvor energije. Zbog toga je potrošnja drveta bila vrlo velika pa su, primjerice, u Indiji potpuno uništene šume, što je zemlju pretvorilo u pustinju. Tamo su u sljede- im stolje ima ivotinjski ekskrementi bili glavno gorivo, a to je uvjetovalo smanjenje plodnosti
zemljišta. Korišteni su i drugi oblici biomase. Tako je poznato da su naseljenici na ameri kom zapadu u podru jima gdje nije bilo drveta za grijanje koristili ivotinjske otpatke (suhi bizonski i gove i izmet), klipove kukuruza ili sijeno. Danas se korištenje biomase za proizvodnju energije provodi uvaavaju i na elo odrivog razvitka. Upotrebljava se isklju ivo drvna masa koja je nas- tala kao sporedni proizvod ili otpad u šumarstvu i drvnoj industriji odnosno višak slame i drugi poljoprivredni ostaci koji se ne mogu više iskoristiti. Takva biomasa upotrebljava se kao gorivo u postrojenjima za proizvodnju elektri ne i toplinske energije ili se prera uje u plinovita i teku a goriva za korištenje u prometu i ku anstvima.
1.2. Vrste goriva i karakteristike Energetski sadraj biomase, ali i drugih goriva, moe se prikazati njihovom gorivom vrijednoš u. S obzirom na znatnu nehomogenost biomase, na gorivu vrijednost utje e nekoliko imbenika.
Osnovni je pokazatelj raspoloive energije iz drvne biomase udio vlage. Tako se u ovisnosti o udjelu vlage goriva vrijednost drva kre e od 8,2 do 18,7 MJ/kg. Udio pepela u drvu iznosi uglav- nom oko 1 %, dok je udio ugljika oko 50 %. Goriva vrijednost drveta ovisi i o vrsti drveta, odnos- no razlikuje se prema tome je li drvo crnogori no ili bjelogori no (tablica 1.1.).
Implementacija novih kurikuluma: Poveanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije4
Tablica 1.1: Gorive vrijednosti krute biomase u ovisnosti o sadraju vlage i pepela u MJ/kg sadraj vlage u % suhe tvari
biomasa sadraj pepela
u % 80 40 15 0 drvo 1 9,4 12,6 16,0 18,7 biljni ostaci 5 8,3 11,2 14,2 16,7 10 7,8 10,6 13,5 15,8 ivotinjski izmet 20 8,5 11,4 14,5 17,0
25 7,9 10,6 13,6 16,0
Pri razmatranju šumske biomase tzv. otpad kod sje e i izradbe – panjevinu, sitno drve e, gra- njevinu, ovršinu, cijepano drvo i druge oblike pri kona nom sijeku, iš enjima i prorjedima ili mješovitim zahvatima treba promatrati kao ostatak koji e se dalje koristiti. Ovisno o namjeni, uvjetima i drugim imbenicima, usitnjeno se drvo moe podijeliti na:
gorivu sje ku, dugu 5-50 mm smrvljeno drvo komadno drvo, drvo cijepano u smjeru vlakanaca duljine od 5 do 25 cm, do 10 cm debelo gorivo drvo, cijepano drvo duljine 30 do 60 cm, ostale dimenzije manje od 15 cm uguš eno drvo i ostatak, npr. briketi, peleti sli ni oblici.
Slika 1.1. Šumska biomasa
Na energetsku vrijednost nedrvne biomase utje u podjednako sadraj vlage i pepela. Udio pe- pela u nedrvenim biljnim ostacima moe iznositi i do 20 % pa znatno utje e na gorivu vrijednost. Op enito, supstancije koje ine pepeo nemaju nikakvu energetsku vrijednost. U ovisnosti o udjelu vlage i pepela goriva vrijednost biljnih ostataka kre e se od 5,8 do 16,7 MJ/kg.
Briketiranje je postupak zgušnjavanja materijala u strojevima za briketiranje klipne ili pune izvedbe, tj. mehani kog ili hidrauli nog pogona, pri emu se materijal tla i u cilindar krunoga promjera od 20 do 120 mm i duljine do 400 mm. Briketi smiju biti proizvedeni samo iz istoga drva i kore. Nedopustivo je da se u njima na u ljepila i/ili umjetni materijali, biozenozna drva i sredstva za zaštitu trupaca, te lakovi i druga površinska zaštitna sredstva. Za brikete se postavljaju tehni ki zahtjevi glede minimalne gusto e, mokrine, ogrjevnosti, sadraja pepela, sumpora, dušika i klora (tablica 1.2.).
Julije Domac, Velimir Šegon: Energija biomase [Prirunik] 5
Slika 1.2. Gotovi briketi
Tablica 1.2: Prikaz svojstava briketa prema Austrijskoj normi – ÖNORM M 7135 Briketi od drva Briketi od kore
Promjer briketa, mm 20-120 Najvea duljina, mm 400 Gustoa, kg/m3 min. 1000 Ogrjevnost, MJ/kg min. 18,0 Mokrina, % maks. 12 maks. 18 Sadraj pepela, % maks. 0,5 maks. 6,0 Sadraj sumpora, % maks. 0,04 maks. 0,08 Sadraj klora, % maks. 0,02 maks. 0,04 Sadraj dušika, % maks. 0,30 maks. 0,60
Korištenje peleta kao goriva za pe i u doma instvu, male kotlove za zgrade ili sustave podru- nog grijanja te za termoelektrane, nevjerojatna je pri a o uspjehu u proteklih 20 godina. Peleti su
kao gorivo iz drvnog ostatka otkriveni u kasnim sedamdesetim godinama 20. stolje a u SAD-u ,a danas su najnaprednije i najviše korišteno gorivo iz biomase. Razvoj trišta peleta uzrokovan je nizom društveno-gospodarskih imbenika i izazvao je niz zanimljivih društveno-gospodarskih implikacija.
Slika 1.3. Peleti
Slika 1.4. Preša za pelete
Hrvatsko trište predstavlja primjer razvoja proizvodnih kapaciteta za pelete bez organiziranih financijskih mehanizama poticaja. U pogledu potrošnje ono gotovo i ne postoji, a trenutno stanje upu uje na nedostatak nacionalnih zakonskih okvira i standarda kontrole kvalitete. ak i u ovim nepovoljnim uvjetimau posljednjih nekoliko godina proizvodnja peleta u Republici Hrvatskoj znat- no se pove ala, s ukupnim instaliranim kapacitetom od preko 210 tisu a tona godišnje. Treba me-
utim naglasiti i da je u svih osam postrojenja za proizvodnju peleta, ukupne proizvodne mogu nosti od 212 100 tona/godišnje, u 2009. godini proizvedeno svega 92 000 tona, od ega je 90150 tona (98 %) izvezeno, a samo 1850 tona (2 %) prodano je na doma em trištu. Ukupan in- stalirani kapacitet proizvodnje peleta u Republici Hrvatskoj pove ao se od 2006. godine do danas na sljede i na in:
2006. – 0 t/god. 2007. – 17 500 t/god. 2008. – 140 500 t/god. 2009. – 212100 t/god.
Bioplin nastaje procesom anaerobnog truljenja. Naj eš e se sastoji od oko 60 % metana, 35 % CO2 te 5 % smjese vodika, dušika, amonijaka, sumporovodika, CO, kisika i vodene pare. Njegova svojstva kao goriva u uskoj su vezi s udjelom metana. Goriva je vrijednost direktno proporcional- na koli ini metana, a zbog uglji nog je dioksida koli ina zraka, koji je potreban za izgaranje, ma- nja. Goriva je vrijednost bioplina od 25 do 26 MJ/Nm3. Anaerobno truljenje biomase uklju uje bakterijsku razgradnju, a odvija se u tri osnovne faze (faza hidrolize, kisela faza i faza metana). Za vrijeme hidrolize enzimi razbijaju velike molekule na manje koje su u stanju pro i kroz bakterij- ske membrane. U kiseloj fazi sloene molekule kao što su bjelan evine, masti i ugljikovodici cije- paju se s bakterijama u kiselom mediju na organske kiseline, CO2, vodik i amonijak. Kona no, u posljednjoj fazi proizvodi se metan djelomi no iz CO2 i vodika, a najviše fermentacijom kiselina i alkohola. U postrojenju za proizvodnju bioplina sve tri se faze simultano odvijaju, a dominacija jedne faze znatno smanjuje proizvodnju metana.
Julije Domac, Velimir Šegon: Energija biomase [Prirunik] 7
Slika 1.5. Bioplinski motor
Osnovne su faze u procesu proizvodnje etanola priprema sirovine, fermentacija te destilacija etanola. Priprema sirovine sastoji se od hidrolize molekula škroba enzimima u še er koji moe fermentirati. Uobi ajena tehnologija za proizvodnju etanola koristi fermentaciju u pe i s obi nim kvascem za proizvodnju 8-10 %-tnog alkohola nakon 24-72 sata fermentacije. Taj se alkohol za- tim destilira u nekoliko faza te se dobiva 95 % etanol. Za proizvodnju potpuno istog etanola, ka- kav se upotrebljava za miješanje s benzinom, dodaje se benzen i nastavlja destilacija te dobiva 99,8%-tni etanol. On se moe proizvoditi iz tri osnovna tipa biomase: še eri (še erna trska, mela- sa), škrob (kukuruz) i celuloza (drvo, poljoprivredni ostaci). Sirovine bogate še erima vrlo su po- godne za proizvodnju etanola jer ve sadre jednostavne še ere glukozu i fruktozu koji mogu fermentirati izravno u etanol. Sirovine bogate škrobom sadre velike molekule ugljikovodika koje procesom saharifikacije treba razloiti na jednostavne še ere. To zahtijeva još jednu fazu u proce- su proizvodnje, a to pove ava troškove. Ugljikovodici u sirovinama bogatim celulozom sastavlje- ni su od još ve ih molekula i trebaju se konvertirati u še ere koji mogu fermentirati kiselom ili enzimatskom hidrolizom. Najzna ajnije biljne vrste koje se uzgajaju za proizvodnju etanola jesu še erna trska i kukuruz.
Slika 1.6. Še erna trska
Implementacija novih kurikuluma: Poveanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije8
Plin iz biomase moe se proizvoditi procesom rasplinjavanja. Rasplinjavanje kao proces za dobivanje plina za spaljivanje poznato je ve više od 180 godina. Plin nastaje djelomi nim izgara- njem krute biomase u reaktoru s okomitim protjecanjem zraka u koji zrak ulazi odozdo, odozgo ili u sloj u kojem se nalazi kruta biomasa. Smjer strujanja zraka odre uje o kojem se tipu generatora radi. Pri rasplinjavanju se spaljiva kruta biomasa prevodi u spaljive plinove koji zadravaju najve- i dio po etne gorive vrijednosti. Sastav dobivenog plina moe se mijenjati ovisno o temperaturi,
tlaku, atmosferskim uvjetima i vrsti procesa koji se koristi. Drveni ugljen je gorivo koje uptrebljava širom svijeta. U zemljama u razvoju primarno se ko-
risti za kuhanje u urbanim podru jima, a u razvijenim zemljama koristi se u metalurgiji te kao go- rivo za roštilje. Korištenje drvenog ugljena poznato je gotovo tijekom itave povijesti ovje anstva, a prvi tragovi potje u još prije 30 000 godina kada su njime nacrtani prvi spiljski crtei. Proizvod- nja drvenog ugljena datira još iz bron anog doba i bila je klju na za razvitak metalurgije sve do prijelaza na fosilni ugljen na po etku 18. stolje a. On je i u novije vrijeme tehnološki vaan mate- rijal zbog svojih svojstava upijanja. Potranja za drvenim ugljenom i danas je razmjerno velika i stalno raste. Ukupna svjetska potrošnja prema FAO procjenjuje se na 40,5 milijuna tona godišnje, od ega samo 19,8 milijuna tona u Africi. U Hrvatskoj postoji samo jedan industrijski proizvo a drvenog ugljena, Beliš e d.d., te više srednjih i manjih proizvo a a koji koriste zidane pe i. Osim njih, postoji i više stotina pojedina nih proizvo a a u razli itim dijelovima Hrvatske koji proiz- vode u jamama ili zidanim pe ima, ali nisu registrirani za tu proizvodnju.
Slika 1.7. Proizvodnja drvenog ugljena – tradicionalni na in
Proizvodnja drvenog ugljena uklju uje termi ku razgradnju drveta i moe se odvijati u otvo- renim jamama, pe ima ili retortama. Tradicionalna proizvodnja u jamama ili pe ima odvija se uz više ili manje kontrolirani dovod zraka pri emu se toplini razvija izgaranjem dijela drveta. Takva je proizvodnja neu inkovita, a u pravilu se odvija u ruralnim podru jima. U inkovitost pretvorbe obi no iznosi 10 do 15 %, odnosno za 1 kg drvenog ugljena potrebno je 7 do 10 kg drveta. U re- tortama se drveni ugljen proizvodi bez prisutnosti zraka pri emu se toplina mora dovesti iz dru- gog izvora, ali je u inkovitost pretvorbe znatno viša i moe iznositi i do 30 % uz znatno smanjenje ukupne emisije štetnih tvari.
Piroliza je proces u osnovi sli an karbonizaciji, ali je temperatura procesa viša, uz drveni ugljen iskorištavaju se i nastali plinovi. Proizvodi pirolize su drveni ugljen (25 %), drvni plin (15 %), pi- rolignozna kiselina (45 %) te katran ili drvno ulje (15 %). Plinoviti i teku i proizvodi pirolize spa-
Julije Domac, Velimir Šegon: Energija biomase [Prirunik] 9
ljivi su i predstavljaju mogu e gorivo. Drvno ulje ima relativno malu energetsku vrijednost i višu temperaturu zapaljenja od komercijalnih loivih ulja. Prosje na goriva vrijednost iznosi 24 MJ/kg pa zbog toga, ali i drugih lošijih svojstava, drvno ulje zasad ne moe konkurirati klasi nom loi- vom ulju. Tako se i ne proizvodi na komercijalnoj osnovi.
Slika 1.8. Proizvodnja drvenog ugljena u retortama (Beliš e)
Za proizvodnju biljnih ulja moe se koristiti više razli itih biljaka. Ve ina uljarica daje prinos od 30 do 800 kg ulja po hektaru. U posebno pogodnim uvjetima prinos moe biti i zna ajno ve i. Prinos ovisi o vrsti koja se uzgaja, klimatskim uvjetima, tlu i na inu uzgajanja. Biljna ulja od dav- nine su se koristila za osvjetljavanje prostorija. Danas se proizvodnja energije iz biljnih ulja teme- lji na dora enim biljnim uljima koja se mogu upotrebljavati umjesto naftnih derivata u motorima s unutarnjim izgaranjem. Pokazalo se da gorivo proizvedeno na bazi biljnih ulja (uglavnom repi in metil ester, RME) moe uspješno zamijeniti dizelsko gorivo. Proces esterifikacije je proces pret- varanja masti, odnosno ulja, u vezi s alkoholom, a nastali proizvod tog kemijskog procesa jest RME, koji ima sli na svojstva kao i klasi no dizelsko gorivo.
Slika 1.9. Uljana repica
Implementacija novih kurikuluma: Poveanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije10
2. Sustavi i tehnologije za iskorištavanje biomase u energetske svrhe Postoje brojne mogu nosti za iskorištavanje biomase. Korištenje biomase za dobivanje energije sastoji se od niza sloenih procesa koji uklju uju fotosintezu kao izvor biomase, razli ite procese sakupljanja i prerade te energetskog iskorištavanja jer se biomasa moe koristiti u izvornom obli- ku, ali i prera ena u kruta, teku a i plinovita goriva (slika 2.1.).
Postoje razni na ini da se iz biomase dobije energija. Ona se moe izravno pretvarati u energi- ju jednostavnim izgaranjem te se tako proizvesti pregrijana vodena para za grijanje u industriji i ku anstvima ili za dobivanje elektri ne energije u malim termoelektranama. Takva postrojenja nisu rijetkost u zemljama Europske unije, a kao gorivo slui drvni otpad iz šumarstva i drvne in- dustrije, slama…