Toplinska energija iz kogeneracija na bioplin izgubljena dobit? Globalni kontekst bioplina

Transcript

1 Toplinska energija iz kogeneracija na bioplin izgubljena dobit? Globalni kontekst bioplina Polazeći od zajedničkog cilja sprječavanja klimatskih promjena u EU, unutar EU, ali i šire, ulažu se veliki napori u prelazak na tzv. niskougljično gospodarstvo. Unutar te nove paradigme, promjene u sektorima energetike i poljoprivrede čine najznačajniju ulogu u vremenu i opsegu te tranzicije. U sektoru energetike je naglasak na smanjenje emisija stakleničkih plinova kroz korištenje novih tehnologija s manjim emisijama kod fosilnih goriva, korištenjem energije iz obnovljivih izvora te općim povećanjem energetske učinkovitosti u svim područjima djelovanja. Glavni izvori emisija stakleničkih plinova u poljoprivredi su preživači i upravljanje gnojem kod intenzivne stočarske proizvodnje. Sektor poljoprivrede ima veću ulogu na strani ponude sirovine za proizvodnju energije iz obnovljivih izvora, posebice energije iz biomase. Proizvodnja obnovljive energije iz poljoprivrednih sirovina, nus-proizvoda i ostataka, a naročito korištenje stajskog gnoja i gnojnice, predstavlja idealnu sponu između sektora poljoprivrede i energetike u tranziciji ka niskougljičnom gospodarstvu. Smatra se da je proizvodnja bioplina anaerobnom digestijom (AD) optimalni proces za tretiranje životinjskog izmeta i gnojnice, kao i širok spektar organskog otpada, budući da se time ovi supstrati pretvaraju u obnovljivu energiju i ekološki prihvatljivo gnojivo u poljoprivredi. Kod proizvodnje bioplina iz komunalnog otpada, izdvajanjem organske frakcije se povećava učinkovitost energetske pretvorbe kod spaljivanja preostalog dijela komunalnog otpada te postiže biokemijska stabilnost odlagališta. Što je to bioplin? Bioplin je energent obnovljive energije, nastao kontroliranim truljenjem biomase. Bioplin je zapaljivi plin koji se sastoji od metana, ugljikovog dioksida, ostalih plinova i elemenata u tragovima. Najvažniji sastojak bioplina je metan jer metan daje energetsku vrijednost bioplinu. Udio metana će najviše ovisiti o sirovini, ali i samom procesu koji se koristi za proizvodnju bioplina. Za proizvodnju bioplina se najčešće koriste sljedeće kategorije biomase: stajski gnoj i gnojnica ostaci i nusproizvodi iz poljoprivredne proizvodnje razgradivi organski otpad iz poljoprivredne i prehrambene industrije (ostaci biljnog i životinjskog porijekla) organski dio komunalnog otpada i otpada nastao pri pripremi i konzumaciji hrane (ostaci biljnog i životinjskog porijekla) otpadni muljevi iz pročistača voda energetski usjevi (kukuruz, sirak, različite vrste trava, djetelina ). Bioplin se proizvodi anaerobno, što znači da se može stvarati samo u okruženju bez kisika (anaerobna digestija, AD). AD je proces koji se događa i u prirodi, u sedimentima morskih voda ili u želucima preživača. To je biokemijski proces tijekom kojeg se organska tvar razgrađuje uz pomoć brojnih mikroorganizama, koji mogu preživjeti jedino u anaerobnim i tamnim uvjetima. Zato se bioplina proizvodi kontrolirano, u posebno prilagođenim i hermetički zatvorenim spremnicima (digestorima) kako bi se spriječio ulazak kisika i svjetla, a izlazak bioplina. Bioplin i digestat dva osnovna proizvoda AD

2 Nakon što se sirovina razgradi u digestorima, nastaju dva osnovna proizvoda AD: bioplin i digestat. U hrvatskim uvjetima, oba proizvoda traže dodatnu obradu prije stavljanja na tržište ili njihove primjene. Digestat je razgrađena sirovina (biomasa) preostala nakon procesa AD-a. Potencijalno je izvrsno gnojivo sa značajnim prednostima u odnosu na stajsko gnojivo i gnojiva mineralnog porijekla. Za tržišni plasman, trebao bi imati deklarirani sastav hranjivih tvari čime se omogućuje precizno doziranje i integracija u planove gnojidbe. Gnojidba digestatom ima određene prednosti u usporedbi sa sirovim stajskim gnojem. Zbog tretmana tijekom AD, neugodni mirisi se značajno smanjuju, klijavost sjemenki korova je deaktivirana toplinskom obradom, a hranjive tvari se zadržavaju u digestatu dok je odnos dušika i fosfora poboljšan. Digestat pomaže pri izgradnji humusnog dijela zemlje koji je iscrpljen intenzivnom poljoprivrednom proizvodnjom. Radi optimalnog korištenja digestata kao gnojiva u obzir se moraju uzeti osnovni aspekti gnojenja kao i kod netretiranog stajskog gnoja ili gnojovke, prema važećim pravilnicima koji opisuju dobru poljoprivrednu praksu. Uz poštivanje dobre poljoprivredne prakse u korištenju gnoja, primjenom digestata iskoristivost dušika će značajno porasti, a njegovi gubici radi protjecanja i isparavanja biti svedeni na minimum. Pretvaranje bioplina u zelenu energiju Energetski gledano, bioplin se može plasirati na gotovo sva tržišta energije, uključujući tržišta električne, toplinske energije, plina te biogoriva za prijevoz. Bioplin je raznolik energent (Slika 1) koji se najčešće koristi za proizvodnju električne i/ili toplinske energije. Unazad nekih pet godina, razvoj tehnologije je omogućio bolje iskorištenje energije iz bioplina kroz njegovo pročišćavanje do kvalitete prirodnog plina. Time bioplin postaje parnjak prirodnom plinu i sudjeluje na tržištu plina predavanjem u plinsku mrežu ili kao biogorivo u obliku stlačenog biometana. U energetici je uvijek najbolje odabrati tehnologiju pretvorbe s najvećom učinkovitosti što je kod bioplina zajednička proizvodnja toplinske i električne energije (kogeneracija) ili pročišćavanje bioplina i stlačivanje biometana u biogorivo. Slika 1 Korištenje energije iz bioplina pune crte označavaju učinkovite i poželjne načine korištenja dok iscrtane linije predstavljaju neučinkovito iskorištavanje energije bioplina Kogeneracije na bioplin Elektrane na bioplin koje proizvode zelenu električnu energiju su zapravo redovito kogeneracijske jedinice koje istovremeno proizvode i električnu i toplinsku energiju. Zajamčena otkupna cijena za zelenu električnu energiju, čije se tržište najbrže razvilo, usmjerila je korištenje bioplina samo za proizvodnju struje dok se korištenje topline zanemarivalo. Time se samo nekih 30-ak posto ulazne

3 energije bioplina iskoristi u obliku električne energije dok se učinkovitost kogeneracijskih jedinica navodi čak 95 posto. Toplinska energija iz kogeneracija je kvaliteta toplina s temperaturnim rasponom od 80 do 550 C što omogućuje široki spektar upotrebe. Kako stimulirati korištenje toplinske energije? Sličan problem neiskorištavanja nastale toplinske energije iz kogeneracija na bioplin, u većoj ili manjoj mjeri, pojavio se u većini zemalja EU čak i u Njemačkoj koja se često navodi kao zemlja s visoko razvijenim tržištem bioplina. Njemačka je taj problem riješila tako što je u svoj Zakon o energiji iz obnovljivih izvora (tzv. EEG) iz godine uvrstila obvezujuće korištenje toplinske energije iz kogeneracija na biomasu i to s minimalnom učinkovitosti od 60 posto. Prihvatljivost korištenja toplinske energije je opisala u Dodatku u obliku Pozitivne i Negativne liste. Naime, da bi se ispunio uvjet od η 60%, čime se stječe pravo na otkup proizvedene električne energije u kogeneracijskom postrojenju po tarifnoj stavci, toplinska energija se mora ili koristiti u smislu Pozitivne liste ili dokazivo zamijeniti fosilnu energiju energetskim ekvivalentom usporedivim s količinom toplinske energije iz fosilnih izvora koja se koristila. Pozitivna lista EEG-a (2012.) korištenja toplinske energije obuhvaća: a) Grijanje, opskrba toplom vodom ili hlađenje zgrada prema Energieeinsparverordnung 1 za korištenje t.e. od 200 kwh/god. po m 2 korisne površine poda, uključujući gdje godišnje korištenje t.e. premašuje 200 kwh/m 2 ili korisnu površinu poda. b) Predavanje t.e. u mrežu koja je duljine barem 400 m; kod predaje t.e. u mrežu, priznati će se prosječni godišnji gubitci distribucije i prijenosa t.e. ne više od 25% potražnje za korisnom t.e. potrošača godišnje c) c) Korištenje za procesnu toplinu kod: aa) Industrijskih procesa u značenju 2-6, , i dodatka Vierte Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes 2 bb) Sušenja drva radi njegovog materijalnog korištenja ili korištenja za energiju do 0,9 kwh/kg drva d) Grijanje poljoprivrednih objekata za uzgoj peradi prema (1)c: dokaziva zamjena fosilnog energenta e) Grijanje objekata za držanje životinja gdje su gornje granice unutar kalendarske godine: aa) Tov pilića: bb) Držanje krmača: cc) Prasilište: dd) Tovilište: 5 kwh/uzgojno mjesto 350 kwh/uzgojno mjesto 75 kwh/uzgojno mjesto 45 kwh/uzgojno mjesto f) Grijanje staklenika za uzgoj i razmnožavanje biljaka prema (1)c: dokaziva zamjena fosilnog energenta g) Korištenje procesne topline kod dezinfekcije i pasterizacije fermentacijskih ostataka koji zahtijevaju dezinfekciju ili pasterizaciju prema važećim zakonima 1 Tehnički propis o racionalnoj uporabi energije i toplinskoj zaštiti u zgradama NN 97/14, 130/14 2 Uredba o procjeni utjecaja zahvata na okoliš NN 61/14

4 h) Korištenje procesne topline za preradu fermentacijskih ostataka kod proizvodnje gnojiva i) Korištenje otpadne topline iz postrojenja na biomasu kako bi se proizvela el.e., naročito u ORC i Kalina ciklusu. Negativna lista: Situacije kada se ne priznaje korištenje t.e. radi ostvarivanja prava na tarifnu stavku: a) grijanje zgrada koje, prema Energieeinsparverordnung* 3 nisu uvršteni u taj pravilnik, osim građevina opisanih u Pozitivnoj listi b) korištenje t.e. iz postrojenja na biomasu koja koriste fosilna goriva, naročito za pokrivanje vlastiti potreba za toplinom. No, Njemačka je novim zakonodavnim okvirom i pripadajućim implementacijskim mjerama (povoljni krediti, administrativni ustroj, dorečeni sustav procedure izdavanja dozvola ) usmjerila korištenje bioplina u svrhu proizvodnje biometana i smanjenju njene ovisnosti o uvozu prirodnog plina te je godine novim Zakonom (EEG, 2014.) napustila i sustav tarifnih stavki. Ostali primjeri dobre prakse su izuzetak plaćanja poreza za toplinu iz bioplina (Danska) ili kogeneracijski bonus za učinkovito bioplinsko postrojenje (Austrija, Češka, Slovenija). U Hrvatskoj je, krajem godine, izmijenjen je tarifni sustav za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora čime je kogeneracijama na bioplin uvjetovano pravo na povlaštenu otkupnu cijenu samo ako ostvare barem 50 posto učinkovitosti energije bioplina. Drugim riječima, nove elektrane na bioplin nisu mogle planirati samo proizvodnju električne energije uz ispuštanje toplinske energije u okoliš već trebaju naći način kako iskoristiti barem dio raspoložive topline. No, pravilnik je ostao nedorečen i ostvario više proceduralnih problema kod osnivanja novih elektrana na bioplin nego što je ostvario svoj cilj povećanje učinkovitosti iskorištenja energije iz bioplina. Otegotne okolnosti za korištenje toplinske energije iz kogeneracije na bioplin Tržišta bioplina i toplinske energije u zemljama članicama projekta, znatno se razlikuju, ali ih obilježavaju slični razlozi za nedovoljno korištenje toplinske energije: Nedostatak svijesti o korištenju toplinske energije Nedostatak znanja o mogućnostima korištenja toplinske energije Nepovoljni pravni/politički uvjeti Nepovoljna ekonomska situacija za reinvesticiju ili proširenje postrojenja Kogeneracije na bioplin se razlikuju u veličini i kapacitetu. Ostali čimbenici, kao što su položaj i izbor sirovina igraju važnu ulogu u razvoju rješenja. Najbolji izbor za svako postrojenje treba se razmotriti od slučaja do slučaja - ne postoji jedno univerzalno rješenje. Nestabilni zakonodavni okvir je najveća prepreka za operatore. Nepovoljan pregovarački položaj (ograničene mogućnosti prodaje toplinske energije). Osim navedenih ne-tehničkih barijera, činjenica je da su kogeneracije na bioplin smještene u ruralnim područjima gdje rijetka cjelogodišnja potražnja za toplinskom energijom. Naime, najviše topline je dostupno ljeti, a tada je potražnja za toplinom manja. 3 Tehnički propis o racionalnoj uporabi energije i toplinskoj zaštiti u zgradama NN 97/14, 130/14

5 Kroz razne radionice, diskusije i razgovore na ovu temu kroz aktivnosti projekta IEE BiogasHeat, dolazi se do zaključka da je, za hrvatske uvjete, najbolje koristiti toplinsku energiju iz kogeneracija na bioplin za vlastite potrebe. Tako se izbjegava nepovoljan pregovarački položaj pri plasiranju topline na tržište. No, mogućnosti za korištenje topline za vlastite potrebe su prilično ograničavajuće jer se većina ruralnih domaćinstava grije na drva što prelazak na bilo koji drugi način grijanja čini neisplativim. Korištenje toplinske energije za sušenje (voća, povrća, bilja, žitarica, drva ) pretpostavlja ulazak na novo tržište sušenih dobara za što su potrebne nove vještine, znanja i povezanost koje operateri rijetko posjeduju. Praksa pokazuje da, ukoliko elektrane na bioplin imaju uporište u poljoprivredi, korištenje toplinske energije ne predstavlja problem već dodatnu motivaciju za nove investicije. Primjeri dobre prakse u Hrvatskoj za visokoučinkovito korištenje energije iz bioplina u elektranama su postrojenja u vlasništvu Agrokor Energije i PZ Osatine. Naravno, investiranje u korištenje toplinske energije predstavlja dodatno opterećenje investiciji u kogeneraciju na bioplin. Dodatna specifičnost hrvatskog tržišta bioplina je predimenzioniranost postrojenja na 1 MW gdje je uglavnom glavna sirovina kukuruzna silaža, a čime se generira obilje toplinske energije koja se treba iskoristiti. Primjera radi, prosječna veličina kogeneracije na bioplin je znatno manja od onih planiranih u Hrvatskoj: Njemačka kwe (Bavarska 210 kwe), Austrija kwe, a prosjek Europske unije je 350 kw. Istovremeno, veličina naših farmi je daleko manja od onih u spomenutim zemljama, a na čiju se sirovinu naslanja proizvodnja bioplina. Prijedlozi korištenja toplinske energije Prema rezultatima provedenih studija izvedivosti, najzanimljivije tri opcije iskorištavanja toplinske energije u budućnosti su: Nadogradnja bioplina za ubrizgavanje u mrežu ili transport Transport bioplina do satelitskog kogeneracijskog postrojenja s pratećim iskorištavanjem toplinske energije Dodatna proizvodnja električne energije (ORC). Kod navedenih iskorištavanja toplinske energije, u Hrvatskoj su potrebni novi zakonski uvjeti s definiranim modalitetima koji će podržati iskorištavanje raspoložive topline iz kogeneracija na bioplin. Primjeri korištenja toplinske energije iz kogeneracija na bioplin Primjeri se mogu grupirati u četiri osnovne kategorije: - Grijanje: digestora, peradarnika, svinjaca, staklenika, gospodarskih zgrada i kućanstva, mreža daljinskog grijanja, mini sustavi daljinskog grijanja, pokretni spremnici za toplinu - Hlađenje: peradarnika, svinjaca, gospodarskih zgrada i kućanstva, industrijski procesi, hladnjače - Sušenje: proizvodi od drva, poljoprivredni proizvodi, kanalizacijski mulj, digestat - Dodatna proizvodnja električne energije: ORC, Kalina ciklus. Grijanje i hlađenje su odlična primjena korištenja toplinske energije jer ne zahtijevaju posebnu specijalizaciju operatera bioplinskog postrojenja. Nedostatak je blizina takvog potrošača i prodajna cijena koju operater može postići. Hlađenje na toplinu iz kogeneracija na bioplin Za razliku od kompresorskih hladnjaka, apsorpcijski hladnjaci poglavito koriste izvor topline kao glavnu energiju za proces hlađenja. Apsorpcijski hladnjaci predstavljaju alternativu uobičajenim kompresorskim hladnjacima gdje je električna energija nepouzdana ili skupa, tamo gdje je buka iz kompresora problematična, ili gdje postoji višak toplinske energije, kao kod bioplinskih postrojenja. Karakteristike apsorpcijskih hladnjaka: Manje potrebe za električnom energijom za rad hladnjaka

6 Sušenje Niže razine zvuka i buke za vrijeme rada Mogućnost korištenja povraćene topline i pretvaranja u energiju hlađenja Rashladna sredstva ne predstavljaju opasnost za ozon u atmosferi. Sušenjem se produžava rok trajanja poljoprivrednim i prehrambenim proizvodima. Korištenje toplinske energije iz kogeneracije na bioplin nema nikakve posebne razlike od korištenja ostalih energenata u sušarama koje rade na principu radijatora tj. zatvorenog kruga tople vode. Naravno, potrebno je poznavati tehnologiju sušenja i optimirati sezonalnost robe koja će se sušiti kako bi se maksimalno iskoristio kapacitet sušare. Dodatan i redoviti potrošač toplinske energije iz kogeneracije na bioplin je digestat. Digestat se može podijeliti na suhu i mokru frakciju gdje suha frakcija sadrži fosfor i kalij, a mokra dušik. Radi smanjenja transportnih troškova, digestat grije kako bi mu se smanjio udio vode. Dodatna proizvodnja električne energije Dodatna proizvodnja električne energije također predstavlja jednostavno rješenje za operatera bioplinskog postrojenja jer nadogradnjom kogeneracije s nekim od takvih sustava (npr. ORC) iskorištava se toplina na način da se ostaje na tržištu električne energije i ne širi se poslovanje. Projekt IEE BiogasHeat

7 Energetski institut Hrvoje Požar ova istraživanja o mogućnostima korištenja toplinske energije iz bioplinskih postrojenja i njihovo vrednovanje te promocija rezultata, sufinancira kroz program Inteligentna Energija u Europi, projekt IEE BiogasHeat: Razvitak održivog tržišta toplinske energije iz bioplinskih postrojenja. Projekt IEE BiogasHeat potiče učinkovito iskorištavanje toplinske energije iz postojećih i budućih bioplinskih postrojenja u Europi. Iskustva pokazuju da njihov potencijal iskorištavanja još nije postignut zbog brojnih prepreka poput nepostojanja poticaja, udaljenosti bioplinskih postrojenja, nedostatka toplinskih potrošača, sezonskih karakteristika toplinskog konzuma, kvalitete toplinske energije i slično. Osim Hrvatske, u projektu sudjeluje još osam partnera iz Austrije, Belgije, Češke, Danske, Italije, Latvije, Njemačke i Rumunjske. Koordinator projekta je Ekodoma iz Latvije. Projekt traje od travnja do travnja godine. Za više detalja o projektu, posjetite stranicu Slika 2 Logo projekta Zašto promicati razvoj tržišta bioplina? Proizvodnja bioplina donosi brojne socijalne koristi od kojih se većina odnosi na stvaranje radnih mjesta i ruralni razvitak. Manji do srednje veliki decentralizirani bioplinski sustavi, naročito u ruralnim sredinama, mogu imati značajne prednosti koje se ogledaju kroz: Razvitak sektora bioplina stimulira stvaranje novih tvrtki koje će povećati prihod i otvoriti nove mogućnosti zapošljavanja te pridonijeti ekonomskom razvoju područja. Bioplin može doprinijeti revitalizaciji ruralnih područja, čime ona postaju privlačna za proizvođače opreme i rezervnih dijelova, investitore i poduzetnike. Kako se iz bioplina može proizvesti električna i toplinska energija te biogorivo, njegovo korištenje smanjuje ovisnost o fosilnim gorivima te pomaže u diverzifikaciji i sigurnosti opskrbe energijom, konkurentnosti i održivosti. Proizvodnja i korištenje bioplina utječe na socio-ekonomsku strukturu ruralnih područja te poboljšava socijalnu koheziju lokalnog stanovništva. Proizvodnjom bioplina iz stajskog gnoja, komunalnog otpada i sličnih ostataka i nus proizvoda iz poljoprivredne i prehrambene proizvodnje, ostvaruje se ušteda emisija stakleničkih plinova ne samo zbog supstitucije fosilne energije s obnovljivom već i zbog ušteda emisija iz upravljanja gnojem te manjim korištenjem kemijskih sredstava u poljoprivredi poput raznih pesticida, herbicida i fungicida te mineralnih gnojiva. Materijal je napravljen kompilacijom dokumenata i saznjanja objavljenih tijekom projekta IEE BiogasHeat. U ime EIHP BiogasHeat tima, Dr.sc. Biljana Kulišić