Energia biomasy – jak działa i jakie są jej źródła?

Czas czytania:0min0s
0%
biomasa

Raport Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej (IRENA) wskazuje, że do 2030 roku biomasa będzie źródłem 60% światowej energii. Czym jest biomasa? Jak działa i do czego się ją wykorzystuje? Czy biomasa jako źródło energii może zastąpić węgiel? O tajnikach tego rodzaju OZE piszemy w artykule.

Biomasa w Polsce i na świecie

Mówi się, że biomasa była pierwszym na świecie paliwem. W końcu najwcześniej wykorzystywanym do produkcji ciepła surowcem było właśnie drewno. Energia biomasy to jeden z tych rodzajów OZE, który ma duży potencjał do tego, by odegrać znaczącą rolę również dziś - w procesie dekarbonizacji oraz zmian na światowym rynku energii. O tym, dlaczego tak jest, piszemy w dalszej części artykułu, na początku warto jednak sobie uzmysłowić, że biomasa i jej odmiany to już teraz trzecie co do wielkości odnawialne źródło energii na świecie. W samej Unii Europejskiej procent energii pochodzącej z biomasy produktów drzewnych stanowił w ostatnich latach nawet prawie 50% wyprodukowanej ekologicznej energii.

Jeśli chodzi o Polskę, dane są równie pozytywne. Biomasa jest w kraju nad Wisłą drugim najczęściej wykorzystywanym (po energii wiatrowej) odnawialnym źródłem energii. W 2019 roku biomasa i biogaz stanowiły 19% udziału zainstalowanych mocy OZE.

Atutem biomasy, poważnie wpływającym na jej popularność, jest jej dostępność. Nie ma specjalnych ograniczeń jej występowania, jako że różnego rodzaju materia organiczna występuje właściwie na całej powierzchni Ziemi. Jej zasoby szacowane są na największe na świecie. Czym właściwie jest biomasa i w jaki sposób wykorzystuje się ją do celów energetycznych?

Biomasa – co to jest i jak powstaje?

Wszelka materia organiczna, tzn. substancje pochodzenia roślinnego i zwierzęcego ulegające biodegradacji (czyli rozkładowi), to właśnie biomasa. Jej forma może być różna - zarówno stała, jak i ciekła czy też gazowa. Dlaczego biomasa jest odnawialnym źródłem energii? Właśnie dlatego, że wszelkie jej zasoby są całkowicie naturalne, niewyczerpywalne oraz odtwarzalne.

Warto wyjaśnić jak powstaje energia z biomasy. Kluczowy dla jej generowania jest proces fotosyntezy, który zapewne wszyscy doskonale pamiętamy z lekcji biologii. Rośliny, aby funkcjonować i rozwijać się pobierają wodę z gleby oraz dwutlenek węgla z powietrza. Następnie pod wpływem promieniowania słonecznego, rozumianego jako strumień fotonów posiadających określoną porcję energii, z cząsteczek wody i dwutlenku węgla tworzone są cząsteczki glukozy oraz tlen, który jako produkt uboczny rośliny uwalniają do atmosfery. Cząsteczki glukozy zapewniają organizmom dwa kluczowe elementy: energię oraz węgiel do budowy komórek i tkanek. Chcąc spożytkować energię słoneczną „skumulowaną” w roślinach, poddaje się je procesowi spalania. W ten sposób węgiel stanowiący budulec roślin przetwarzany jest w energię świetlną i cieplną, z czego ta druga wykorzystywana jest m.in. do ogrzewania naszych domów lub można ją później przekształcić w inne rodzaje energii, np. elektryczną.

Czy wiesz że…
Biomasa to wszystkie substancje pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, które ulegają biodegradacji. Dla pozyskiwania energii z biomasy kluczowe znaczenie ma proces fotosyntezy.

Jak w praktyce wygląda pozyskiwanie energii cieplnej z biomasy? Proces ten składa się z trzech elementów – zamkniętego pierwszego obiegu, wymiennika ciepła oraz zamkniętego drugiego obiegu. W tym pierwszym płynie woda ogrzewana spalaną biomasą, następnie trafiając do wymiennika ciepła. Tam część energii jest oddawana do drugiego obiegu – to właśnie w nim płynie woda dostarczana np. do budynków. Po ochłodzeniu woda z obiegu pierwszego z powrotem trafia do kotła i cały proces rozpoczyna się na nowo.

Wiemy już jak generowane jest ciepło z użyciem tego rodzaju OZE. Jak jednak wyprodukować z biomasy prąd? Proces rozpoczyna podgrzanie wody w kotle do bardzo wysokiej temperatury (ponownie poprzez spalanie biomasy), co skutkuje również podwyższeniem jej ciśnienia. Woda trafia następnie do turbiny, gdzie energia cieplna przekształcona zostaje w mechaniczną. Kolejnym elementem w procesie jest generator, który energię mechaniczną przekształca w elektryczną. I gotowe! Tak wyprodukowana energia elektryczna trafia do naszych domowych gniazdek.

Zdecydowanie najczęściej biomasę się spala, jednak energię można wygenerować również z jej zgazowania, estryfikacji lub fermentacji.

Rośliny energetyczne – uprawa na biomasę

Mogłoby się wydawać, że biomasa to dobry sposób na pozbycie się resztek i utylizację odpadów pochodzenia organicznego przy jednoczesnym ekologicznym pozyskiwaniu energii. Jednak to nie wszystko. Aby pozyskać większą ilość surowca do tego odnawialnego źródła energii hoduje się specjalne rośliny energetyczne. Coraz bardziej popularne stają się tzw. uprawy energetyczne, czyli takie, których celem nie jest produkcja żywności, ale roślin wykorzystywanych do produkcji biomasy.

Rośliny energetyczne muszą charakteryzować się określonymi cechami. Są to przede wszystkim: duży przyrost roczny, odporność na choroby i szkodniki, niewielkie wymagania dotyczące gleby oraz oczywiście możliwie jak najwyższa wartość opałowa. Ten ostatni wskaźnik mówi o ilości energii jaką można pozyskać z metra przestrzennego (kWh/mp) i kilograma (kWh/kg) biomasy, biorąc pod uwagę jej całkowite spalanie. Jakie są przykłady roślin energetycznych? Najczęściej wymienianą jest wierzba wiciowa, ale równie często wykorzystuje się rdest, kukurydzę, rzepak, słonecznik, trzcinę, różę i topolę.

Należy podkreślić, że nie wszystkie rodzaje biomasy do celów energetycznych mają taką samą efektywność. Jednym z czynników najbardziej wpływających na wydajność surowca jest jego wilgotność – im bardziej sucha i zagęszczona biomasa, tym większa jest jej wartość energetyczna, czyli ilość energii możliwa do wygenerowania z surowca (wyrażona w kJ). Dlatego m.in. tak ważny jest sposób magazynowania i transportu biomasy.

Energia z biomasy – klasyfikacja i rodzaje

Istnieje kilka możliwości sklasyfikowania biomasy. Pierwszą i chyba najbardziej intuicyjną jest ta bazująca na stanie skupienia. Wyróżnia się więc biomasę w formie stałej, ciekłej i gazowej. Przykłady?

Forma stała - biomasa

Zacznijmy od drzew i roślin energetycznych, czyli formy stałej. Najczęściej wykorzystywanymi produktami są tutaj brykiet i tzw. pellet. Oba biopaliwa powstają w przewarzającej części z trocin i wiórów, a także np. słomy. Brykiet ma formę zbitą, pellet jest granulatem. W ten sposób przetworzona biomasa jest powszechnie wykorzystywana do ogrzewania domów. Służą do tego specjalne kotły, w których spala się przygotowane surowce.

Forma ciekła – biopaliwo

Jako surowce do produkcji biopaliwa najlepiej sprawdzają się rośliny oleiste oraz te o wysokiej zawartości cukru. Kukurydza czy trzcina cukrowa są poddawane procesowi fermentacji alkoholowej, dzięki czemu powstaje m.in. etanol, wzbogacający lub zastępujący tradycyjne rodzaje paliw. Z tego też powodu biopaliwa są też inaczej zwane biobenzynami i biodieslem. Obecnie powszechnym staje się wykorzystanie w paliwach biokomponentów, kwestia ta regulowana jest też przez krajowe i unijne przepisy.

Forma gazowa – biogaz

W wyniku fermentacji beztlenowej odpadów pochodzenia organicznego, najczęściej pozostałości z produkcji rolnej lub np. z oczyszczalni ścieków, powstaje również biogaz. Składa się on głównie z metanu i dwutlenku węgla. Metan poddaje się procesowi spalania i w ten sposób uzyskuje się energię możliwą do wykorzystania do ogrzewania czy zasilania generatorów prądu. Osobną metodą pozyskiwania biogazu jest również zgazowanie biomasy z drewna – tzw. gaz generatorowy lub gaz drzewny. Rozwiązanie to zasilało samochody spalinowe już przed II wojną światową. Było jednak mało efektywne i wygodne, stąd odejście od tego sposobu pozyskiwania energii.

Czy wiesz że…
Biomasę można sklasyfikować na wiele sposobów. Podstawowym podziałem jest ten odnoszący się do stanu skupienia, ale można również wyróżnić rodzaje biomasy ze względu na pochodzenie i bezpośredniość wykorzystania.

Powyższy podział jest najbardziej powszechny i podstawowy. Oprócz niego biomasę można podzielić również ze względu na pochodzenie – leśną, rolną lub w postaci odpadów organicznych. Inną klasyfikacją jest ta skupiająca się na bezpośredniości wykorzystania – tutaj wyróżnia się surowce pierwotne, wtórne i przetworzone. Do pierwotnych zaliczyć można rośliny energetyczne, słomę i drewno. Biomasą wtórną będą np. odpady organiczne czy osady ściekowe. Przetworzonymi surowcami nazwać zaś można biogazy.

Zalety biomasy jako odnawialnego źródła energii

Wykorzystanie biomasy do celów energetycznych ma wiele plusów. Przede wszystkim wartościowe jest samo źródło. Ekologiczne i naturalne, odtwarzalne, a co więcej możliwe nawet do uprawy. Spalanie nie powoduje dodatkowej emisji dwutlenku węgla, ponieważ ilość generowanego gazu jest mniej więcej równa tej, która jest pobierana przez rośliny w procesie fotosyntezy. Co więcej, popiół powstały z przetwarzania biomasy może być stosowany jako nawóz pod uprawę kolejnych roślin energetycznych.

Biomasa to jedno z najbardziej stabilnych OZE, do czego znacząco przyczynia się wcześniej wspomniany fakt – jej zasoby są największe spośród wszystkich alternatywnych źródeł energii. Ilość możliwej do wyprodukowania energii można przewidzieć, precyzyjnie przeliczając gramy i kilogramy na jednostki energetyczne.

Nie należy zapominać, że przekształcanie biomasy na energię elektryczną lub cieplną przyczynia się bardzo mocno do utylizacji odpadów pochodzenia organicznego, a także do zagospodarowania nieużytków (uprawy energetyczne). Dzięki temu rozwiązaniu możliwe jest uprawianie nawet niskiej jakościowo ziemi – mało urodzajnej czy w jakiś sposób skażonej. To cenne, że do tego stopnia wykorzystuje się produkty natury.

Z czysto ekonomicznego punktu widzenia, biomasa jako źródło energii również ma wiele zalet. Przede wszystkim jest stosunkowo tania, łatwo i powszechnie dostępna. Jej zasoby są dosyć równomiernie rozmieszczone, szczególnie w porównaniu z innymi surowcami energetycznymi, które trzeba często transportować na dalekie odległości. W nawiązaniu do kwestii transportu, uwydatniają się jednak również wady biomasy.

Wady biomasy jako alternatywy dla paliw kopalnych

Na efektywność biomasy jako surowca energetycznego duży wpływ ma, wspomniana już, wilgotność. Stwarza to często problemy związane z magazynowaniem i transportowaniem – niezbędne są odpowiednie warunki. Pewnego rodzaju rozwiązaniem jest wykorzystanie biomasy do celów energetycznych, np. poprzez przetwarzanie jej do postaci brykietów i pelletu. Tak „spakowana” biomasa jest łatwa do przechowywania czy sprzedaży, a jednocześnie ma jednorodną charakterystykę wartości energetycznej.

Chociaż biomasa jest uważana za nieszkodliwą dla środowiska należy podkreślić, że podczas jej spalania emitowane są pewne ilości chociażby dwutlenku siarki czy tlenków azotu. Są to jednak ilości znacząco mniejsze niż w przypadku analogicznego stosowania paliw kopalnych. Będąc przy temacie tych ostatnich trzeba dodać, że o ile biomasa jako OZE jest efektywna, to nie jest tak wydajna jak chociażby węgiel. Wyliczenia wskazują, że dwie tony biomasy to równowartość energetyczna jednej tony węgla kamiennego. I to tylko jeżeli bierzemy pod uwagę suchą biomasę, czyli tę o najwyższej efektywności.

Biomasa – zastosowanie i możliwości

W Polsce nadal działają miliony kotłów ogrzewających domy. Bardzo często paliwo stanowi w nich drewno opałowe lub węgiel. Ten ostatni warto byłoby zamienić na nowoczesne i bardziej ekologiczne brykiet i pellet. Do tego jednak niezbędna jest wymiana starych pieców i kotłów na nowe. Na szczęście istnieje wiele programów, rządowych oraz unijnych i regionalnych, które oferują pomoc w dofinansowaniu do inwestycji termomodernizacyjnych.

Energetyczne biomasy w Polsce mogłyby być możliwością dla tych, którzy posiadają grunty pod uprawy roślin energetycznych. Jest to dobry pomysł szczególnie w przypadku ziemi, na której np. nie opłaca się uprawiać roślin w innych celach z uwagi na niską jakość gleby. Uprawa roślin energetycznych może okazać się naprawdę opłacalna.

Energia z biomasy – efektywne wykorzystanie źródła z natury

Biomasa to materiał energetyczny pochodzący z produktów odpadów i pozostałości roślinnych i zwierzęcych. Tworzy się w rolnictwie i leśnictwie, w gospodarstwach domowych, jak i w przemyśle. To tani i dostępny surowiec, który łatwo można przekształcić na wydajne źródło energii. Jako paliwo, biomasa oznacza ulegającą rozkładowi materię o całkowicie naturalnym pochodzeniu. Pożytek z pełnego wykorzystania tego, co daje natura i szansa na dekarbonizację – biomasa to alternatywne źródło energii, które zdecydowanie ma potencjał!

Dowiedz się więcej o odnawialnych źródłach energii. Przeczytaj artykuł!