Wykorzystanie słomy do ogrzewania budynków mieszkalnych i szklarni

prof. dr hab. Józef Szlachta
Akademia Rolnicza we Wrocławiu

l. Energetyka produkcji biomasy słomy

Metabolizm poszczególnych organizmów sumuje dwa procesy wpływające na funkcję biosfery:

• produkcję biomasy,
• dekompozycję biomasy.

Pierwszy ma miejsce przede wszystkim w odniesieniu do roślin naczyniowych na lądach i glonów jednokomórkowych w wodach. Z całej energii promieniowania słonecznego mogą wykorzystać tylko niewielką część widma tzw. promieniowania czynnego fotosyntetycznie. Przyrost biomasy (produkcja pierwotna netto) stanowi różnicę roślin pomiędzy: masą materii wyprodukowanej podczas fotosyntezy - materia zużyta pracz roślinę (respiracja).

Produkcja pierwotna netto + respiracja = produkcja pierwotna brutto.

W kategoriach energetycznych, produkcję pierwotną netto stanowi energia zawarta w wytworzonych tkankach, respirację zaś – energia rozproszona w postaci ciepła. Energia chemiczna skumulowana w biomasie jest nazywana "czystym paliwem" i tak w ujęciu ilościowym jest opisywana. Porównując słomę do węgla jako ciągle dominującego w Polsce paliwa kopalnego, można posłużyć się stosunkiem trzech parametrów: A/B/C gdzie:

• A to wartość opałowa (w MJ/kg),
• B to procentowa zawartość popiołu,
• C to procentowa zawartość siarki.

Przeciętny węgiel spalany w Polsce ma parametry: 21/22/0,9, co oznacza, że jego wartość opałowa wynosi 21 MJ/kg, zawartość popiołu 22% i siarki 0,9%. Po roku 1997, aby spełnić zaostrzone normy dotyczące emisji pyłów i dwutlenku siarki w spalinach, dopuszczalne jest w Polsce spalanie węgla przy parametrach 21/15/0,64.
Biomasa ma te parametry odpowiednio: 14/1/0.01, a wiec może być uważana za paliwo ekologiczne. Znane są technologie oparte na współspalaniu biomasy z węglem, co wynika to z coraz ostrzejszych norm ograniczających emisję gazów odlotowych z kotłowni, zwłaszcza wobec emisji związków siarki. Jedną z
możliwości jest mieszanie węgla z granulatem z biomasy, co znacznie obniża stężenie siarki zarówno w paliwie, jak i w spalinach.

2. Wytwarzanie i zasoby biomasy

Energia gromadzona w postaci organicznej w wyniku fotosyntezy stanowi potencjalną energię zasobów biomasy. Fotosynteza jest więc sposobem przekazywania energii pomiędzy przyrodą nieożywioną a ożywioną. Jest to złożony proces przetwarzania dwutlenku węgla i wody przy wykorzystaniu energii światła słonecznego w związki organiczne. Fotosynteza przebiega w dwóch etapach, przy czym każdy z nich składa się z wielu procesów pośrednich. Etap pierwszy to fotoliza cząsteczki wody pod wpływem światła. Etap drugi (wymagający światła) to powstawanie aldehydu fosfoglicerynowego w wyniku asymilacji CO₂, który może ulegać przemianom głównie w monosacharydy, a także w aminokwasy i tłuszcze kwasowe, będące materiałem do syntezy polisacharydów, białek i tłuszczów. Bardzo ważnym czynnikiem w procesie fotosyntezy są chloroplasty, zielone ciałka komórek roślinnych, występujące w częściach zielonych rośliny. Podstawowym zadaniem chloroplastów jest pochłanianie energii światła i przetwarzanie jej w energię chemiczną, zużywaną w procesie fbtolizy.

W ostateczności można stwierdzić, że w procesie fotosyntezy energia promieniowania słonecznego po przejęciu jej przez chloroplasty jest gromadzona w postaci wiązań chemicznych poprzez redukcję dwutlenku węgla do molekuł węglowodorowych, lipidów i protein.

Podstawowe równanie fotosyntezy ma następującą postać:

CO₂ + H₂O + nhv –> (CH₂O) + O₂

gdzie:
CO₂ – identyfikuje się z formą nieorganiczną a C_nH_2nO_n z formą organiczną węglowodorów,
n – ogólna sprawność procesu,
v – częstotliwość fotonu ( kwantu energii pola elektromagnetycznego),
h – stała Planka (6,62 x 10^-34) J s,
hv – energia fotonu .

Energia zgromadzona w formie organicznej powstałej w wyniku fotosyntezy stanowi potencjalną energię zasobów biomasy. Biomasę stanowią trzy podstawowe składniki:

• celuloza tzw. węglowodany włókniste występujące powszechnie w roślinach i tworzące podstawowy składnik ściany komórkowej,
• hemiceluloza, które stanowi około 25% substancji roślinnej,
• lignina, (będąca polimerem) ma istotny wpływ na wzrost wytrzymałości mechanicznej i chemicznej
  ścian celulozowych. Skład chemiczny biomasy tworzą: węgiel, wodór i tlen.

W wyniku gromadzenia w roślinach energii słonecznej wytwarzana jest biomasa jako produkt procesu fotosyntezy. Tak więc proces fotosyntezy jest procesem finalnym produkcji biomasy, podczas którego rośliny produkują węglowodany z atmosferycznego dwutlenku węgla i wody w obecności promieniowania słonecznego.
Zasoby energii odnawialnych źródeł energii, które mogą być wykorzystane w rolnictwie, stanowią
pozostałość produkcji rolniczej i leśnej.

3.Biomasa jako odnawialne źródło energii

Możliwości tkwiące w tym zakresie w rolnictwie polskim są duże. Na podstawie danych statystycznych z 1994 r. udział sektora rolnictwa i leśnictwa w produkcie krajowym brutto jest około 6 razy mniejszy w porównaniu z sektorem przemysłowym. Udział zatrudnionych w ogólnej liczbie zatrudnionych dla przemysłu i rolnictwa jest natomiast zbliżony. Stan taki wynika między innymi z istniejącej, niekorzystnej struktury obszarowej gospodarstw rolnych. Aby uzyskać poprawę efektywności rolnictwa polskiego, niezbędnym wydaje się być powiększenie powierzchni użytków rolnych gospodarstw. Aby jednak przeciwdziałać wzrostowi bezrobocia na wsi, należy tak ukierunkować produkcję gospodarstw, aby uzyskać jej zbyt.

W rolnictwie polskim stosunkowo łatwo można znaleźć produkty (pochodzące z zamierzonej działalności lub też będące pozostałością po produkcji rolniczej lub leśnej), które mogą być wykorzystane jako odnawialne źródła energii. Potencjał energetyczny paliw stałych z biomasy w rolnictwie polskim jest szacowany na pozyskiwanie od 5do 20 mln ton masy co daje około 14 mln ton suchej masy drzewnej. Ilości te można uzyskać z powierzchni ok. 1,6 min ha lasów i nieużytków rolniczych przeznaczonych na intensywną uprawę biomasy drzewnej. Duże możliwości w tym zakresie tkwią w rejonach kraju z dużym skażeniem gleb, w pobliżu zakładów z dużą emisją szkodliwych zanieczyszczeń, w pobliżu kopalni odkrywkowych itp. a więc na glebach skażonych gdzie funkcjonowanie klasycznego rolnictwa jest niemożliwe. Założenie intensywnych upraw drzew szybkorosnących może w sposób znaczący rozwiązać także problemy lokalnego bezrobocia.

Tabela l
Zasoby biomasy w Polsce

4. Słoma jako podstawowy surowiec energetyczny

Nowoczesne metody produkcji rolniczej z ograniczoną produkcją zwierzęcą przyczyniają się do zmniejszonego zapotrzebowania na słomę co sprawia, że słoma jest często palona na polu, tymczasem istnieją duże możliwości wykorzystania słomy jako biopaliwa. Przyjmując, że dla zbóż średni stosunek ziania do słomy wynosi l: l ,35 roczna produkcja słomy wynosi około 30,5 mln ton. Przy obecnie stosowanych technologiach w rolnictwie, około 30% tj. ok.10 mln ton słomy może stanowić proekologiczny surowiec energetyczny, który często jako kłopotliwy odpad spalany jest na polu. Tymczasem wartość opałowa słomy suchej wynosi 16,1-17,4 MJ/kg. W ten sposób zagadnienie to pojmują w krajach Europy Zachodniej (Dania, Wielka Brytania, Holandia), gdzie spalanie słomy na polach jest zabronione, zaś surowiec ten z powodzeniem jest wykorzystywany dla celów energetycznych. Przykładowo w Danii istnieje kilkanaście tysięcy kotłowni o małej mocy opalanych słomą i kilkadziesiąt kotłowni dużej mocy i elektrociepłowni na to paliwo. Wartość opałowa słomy (tabela 2) w dużym stopniu uzależniona jest od wilgotności, ale także jest różna dla poszczególnych rodzajów słomy. Duży wpływ na wartość opałową słomy ma także stan w jakim została ona zebrana z pola. Długie pozostawianie słomy na polu powoduje zmiany wyglądu, traci ona kolor żółty, a w wyniku działania warunków atmosferycznych staje się szara tracąc jednocześnie na wartości opałowej.

Tabela 2
Wartość opałowa słomy

Słomę jako paliwo generalnie cechuje stosunkowo mała gęstość, a jednocześnie duża zawartość frakcji lotnych, co sprawia, że przy jej spalaniu pojawiają się określone problemy. Popiół jako pozostałość z niepalnych substancji może być problemem dla kotłowni, zwłaszcza ze względu na niską temperaturę topnienia – ok. 95⁰-105⁰°C.

4.1 Właściwości słomy jako nośnika energii a ochrona środowiska

Zaletą słomy jako surowca energetycznego w porównaniu z węglem jest znaczne ograniczenie emisji CO₂ do atmosfery, przy czym wydzielanie C0₂ podczas prawidłowego spalania słomy nie przekracza ilości pobranej przez zboże podczas jego wzrostu. 
Spalaniu słomy towarzyszy także znaczne ograniczenie emisji związków siarki, która jest mniejsza aniżeli np. podczas spalania oleju opałowego. Podobnie jak przy spalaniu innych rodzajów biomasy problemem może być nieco podwyższona emisja związków azotu w postaci związków NO_x. Ponadto gazy spalinowe mogą zawierać: tlenek węgla (CO), chlorowodór ( HCl), poliaromatyczne. Dlatego od roku 1997 w wielu krajach a także w Polsce wprowadza się ograniczenia emisji NO_x (w przeliczeniu na NO₂) do 50 g/GJ. W praktyce spowoduje to, że kotły rusztowe nie nadają się do spalania biomasy i będą musiały zostać wymienione, gdyż nie spełniają tych wymagań.

5. Technologia spalania biomasy słomy

Szeroko rozumiane energetyczne wykorzystanie biomasy jest możliwe poprzez spalanie, gazyfikację i pirolizę. Obecnie najczęściej stosowane są różne formy spalania biomasy i temu procesowi zostanie poświęcona szczególna uwaga.

Spalanie biomasy jest obecnie formą dominującą i może być uznane za racjonalne, jeśli nie będzie powodować zwiększenia emisji do atmosfery tzw. gazów szklarniowych tj. CO₂, SO₂, NO_x. Można więc uznać, że to właśnie jest jedną z najważniejszych zalet technoloii grzewczych wykorzystujących spalanie biomasy w porównaniu ze spalaniem węgla. Jednakże przy tradycyjnym spalaniu biomasy występuje stosunkowo duża emisja NO_x stanowiąca zagrożenie dla środowiska naturalnego. Dlatego od roku 1997 w wielu krajach, a także w Polsce wprowadza się ograniczenia emisji NO_x, (w przeliczeniu na NO₂) do 50 g/GJ. W praktyce oznacza to, że obecnie użytkowane kotły rusztowe nie nadają się do spalania biomasy i będą musiały zostać wymienione.

Spalanie fluidalne paliw z biomasy ze względów organizacyjno-technologicznych w powiązaniu z różnorodnością pod względem wilgotności, morfoloii i przy zróżnicowanym składzie chemicznym paliwa z biomasy może mieć miejsce w jednostkach przetwórstwa rolno-spożywczego, ogrodnictwie ale także w lokalnych ciepłowniach. W większości będą to paleniska spalania fluidalnego niezbyt duże, o nietypowej mocy w porównaniu do dotychczas stosowanych. Niezmiernie istotną cechą tych palenisk jest aby były one o prostej budowie, niezawodne i tanie, a zwłaszcza musi je cechować duża uniwersalność pod względem rodzaju, wilgotności i postaci spalanej biomasy. Zastosowane w centrach grzewczych paleniska muszą bowiem umożliwić spalanie nie tylko odpowiednio rozdrobnionej biomasy jako paliwa podstawowego jakim jest słoma w różnej postaci, ale także szeregu materiałów drewnianych i innych paliw odpadowych, jak : papierówka, żerdzie, wyrzynki i inne drobnokawałkowe odpadki drewniane, trociny, wióry, ale też inne odpady z działalności rolniczej i z zakładów przetwórstwa owocowo-warzywnego. 

Niewątpliwą zaletą technoloii spalania fluidalnego jest możliwość spalania paliw o wilgotności do 72% przy zawartości części niepalnych do 80%.

Spalanie słomy jako paliwa ekologicznego wymaga zapewnienia właściwego przebiegu procesu spalania. Spalanie ekologiczne to spalanie przy stosowaniu nadmuchu powietrza do strefy ognia poprzez podawanie określonej ilości powietrza zazwyczaj stanowiącej ok. 25% nadmiaru. Podmuch powietrza przeciwprądowego zapewnia wentylator, a proces odbywa się przy zapewnieniu prędkości fluidyzacji, która dla większości rozwiązań waha się w przedziale 2,5-3,8 m/s. 

Najważniejsze zalety kotła ze spalaniem przeciwprądowym to:

• zmniejszenie emisji tlenków azotu (w wyniku obniżenia temperatury spalania o kilkaset stopni w porównaniu z paleniskami klasycznymi),
• możliwośc wprowadzenia do złoża dodatkowych materiałów jak wapń, które podczas spalania wiążą tlenki siarki już w palenisku, a powstałe podczas spalania produkty mogą wraz z popiołem zostać odprowadzane w postaci stałej. 

Do wszystkich powyższych systemów spalania słomy skonstruowano odpowiednie paleniska, układy nadmuchu powietrza, odciągu spalin itp. Opracowano również dla nich automatyczne układy sterownicze i wspomagające urządzenia mechaniczne.

Większe jednostki kotłowe, o wydajności cieplnej od jednego MW do kilku MW, stosowane są w centralnych kotłowniach, zasilających systemy ciepłownicze całych wsi, natomiast niniejsze kotty, o wydajności cieplnej od kilkudziesięciu do kilkuset kW, stosowane są w indywidualnych farmach duńskich.

Systemy spalania słomy zapewniają uzyskiwanie spalin o wysokiej czystości, tzn. bardzo niskiej zawartości takich składników, jak SO₂, CO, NO_x, dioksyny, związki węglowodorów aromatycznych, chlorowodór, pyły, a tym samym spełniają bardzo rygorystyczne wymagania duńskich przepisów ochrony powietrza atmosferycznego.

6. Sposoby ogrzewania budynków mieszkalnych i szklarni

Obecnie w Danii eksploatuje się około 12.000 kotłów o małych wydajnościach cieplnych (50 kW do 400 kW) w indywidualnych farmach i około 40 dużych kotłów (od 1.000 do 2.000 kW), które zaopatrują w ciepło skupione osiedla wiejskie i małe miasteczka. Budowane są tam jednostki kotłowe na słomę o różnych wydajnościach cieplnych od kilkudziesięciu kW do kilku MW na różne systemy spalania słomy, takie jak:

• spalanie słomy rozdrobnionej,
• spalanie dużych balotów metodą "cygarową" od czoła z ukierunkowanym nadmuchem powietrza,
• spalanie całych balotów (mniejsze kotły).

Dobór typu i wielkości kotła zależy od:

• wielkości zapotrzebowania na ciepło,
• rodzaju słomy i posiadanej (preferowanej) technologii zbioru słomy,
• posiadanych środków technicznych do transportu i magazynowania słomy. 

Najważniejszymi argumentami za energetycznym wykorzystaniem biomasy słomy są:

• stałe i pewne dostawy ekologicznego, krajowego nośnika energii (w przeciwieństwie do importowanej ropy lub gazu),
• ograniczenie degradacji środowiska poprzez ograniczenie palenia słomy na polu,
• zapewnienie dodatkowych źródeł dochodu dla ludności wiejskie,
• ograniczenie emisji CO₂ z paliw nieodnawialnych,
• budowanie lobby proekologicznego oraz aktywizacja ekonomiczna, przemysłowa i handlowa lokalnych społeczności wiejskich,
• decentralizacja produkcji energii i tym samym wyższe bezpieczeństwo energetyczne przez poszerzenie oferty producentów energii,
• przystosowanie się do wymagań UE.

Potencjalne wady energetycznego zagospodarowania biomasy:

• ponoszone przez rolników ryzyko zmniejszenia żyzności gleb,
• spalanie biopaliw, jak każde spalanie, powoduje powstawanie NO_x, jednak koszty ich usuwania
  są wyższe niż w przypadku dużych profesjonalnych zakładów energetycznych,
• istnieją nie do końca wyjaśnione obawy, że podczas spalania, zwłaszcza słomy zanieczyszczonej pestycydami, mogą wydzielać się dioksyny i furany o toksycznym i rakotwórczym oddziaływaniu na środowisko,
• popiół z niektórych rodzajów słomy np. słomy jęczmiennej może powodować zażużlanie rusztu paleniskowego.

Analiza rynku wskazuje , że na terenach wiejskich powinno zainstalować się ok. 300 tys. szt. kotłów tego typu. Szczególnie przydatne wydają się być kotły o mocach od 13 kW aż do 700 kW. Czas zwrotu inwestycji (czas amortyzacji) przy własnej obsłudze kotła i przy transporcie paliwa z odległości najwyżej paru kilometrów, wynosi około jednego do dwóch sezonów grzewczych. Oczywiście zatrudnienie palaczy wydłuża ten czas. Można tanio ogrzewać np. budynki komunalne lub szkoły. Dużekotły (M>150 kW) mogą zużywać prostokątne baloty słomy, a przyM>350 kW nawet okrągłe baloty o średnicy do 160 cm (otwierana przednia ściana kolta).

Spalanie biomasy w tych kotłach zapewnia ograniczenie emisji CO₂ i SO₂. Emisja tlenku węgla wg wielu badań jest ok. 0,02%. Tak rewelacyjne wyniki można osiągnąć przez kontrolowane zapewnienie właściwego nadmiaru powietrza oraz recyrkulację gazów. Ilość emitowanych tlenków azotu (NO_x) jest ok. 0,002 %, a ilość siarki (masa S/masa paliwa) nie przekracza 0,05-0,09 %, w zależności od rodzaju biomasy.

WNIOSKI

1. Słoma może stanowić poważne źródło ekologicznej energii bez ujemnego wpływu na efekt cieplarniany pod warunkiem zapewnienia jej wilgotności na poziomie nie przekraczającym 25% i przy stosowaniu właściwych kotłów do spalania słomy. Najlepiej, aby była to słoma szara o zmniejszonej zawartości chloru, wtedy podczas spalania nie wydziela się tlenek węgla, związki chloru i wzrasta sprawność spalania i funkcjonalność kotła.
2. Małe kotły z pracą okresową są szczególnie przydatne do ogrzewania budynków indywidualnych, budynków inwentarskich i szklarni głównie ze względu na możliwość wykorzystania własnych zasobów taniej słomy i innych rodzajów biomasy w gospodarstwie.
3. Wykorzystanie słomy jako nośnika energii zmniejsza koszty produkcji ciepła i wpływa dodatnio na poziom życia ludności lokalnej, poprawia opłacalność produkcji rolniczej i znacznie zmniejsza zagrożenie pożarowe. Jednocześnie otwierają się możliwości rozpoczęcia upraw roślin energetycznych (odroślowych) poprawiających bilans energii odnawialnej w gospodarstwie.