72

ugljični dioksid. Kada ponestane slobodnih molekula kisika, užareni ugljik „otima“ kisik iz ugljičnog dioksida i pare (produkata oksidacije i isparavanja), tj. dolazi do redukcije. Tim procesom nastaju ugljični monoksid i vodik, koji su gorivi plinovi, kao i poželjni sastojci generatorskog plina. Dio vodika nastao redukcijom reagira s užarenim ugljikom, što dovodi do nastanka metana, koji je također gorivi plin. Prije izlaska iz generatora plina odvija se još nekoliko reakcija između plinova, od kojih su najznačajnije reakcija pare s ugljičnim monoksidom čime se dobiva vodik i ugljični dioksid te reakcija vodika s ugljičnim monoksidom čime se dobiva metan i vodena para. Ove reakcije imaju velik utjecaj na količinu vodika i metana u generatorskom plinu, a za njihovo odvijanje potrebna je toplinska energija [3]. Na Slici 1 prikazan je shematski prikaz toplinskih procesa u oborinskom generatoru plina.

ENERGETSKA UČINKOVITOST

TEHNOLOGIJA RASPLINJAVANJABIOMASE

Autorica: Ana Lovrak

Tehnologija rasplinjavanja omogućuje postizanje ekstremnih ekoloških zahtjeva po razumnoj cijeni zbog čega se nalazi na pragu izvanrednog rasta. Pod pojmom rasplinjavanja podrazumijeva se termokemijska pretvorba organske tvari u gorivi plin. Ta se pretvorba odvija pomoću namjernog nepotpunog izgaranja prouzročenog dovođenjem kisika u količini manjoj od stehiometrijske (količina kisika potrebna za potpuno izgaranje goriva). Iako ova tehnologija tek u novije vrijeme počinje zauzimati mjesto u proizvodnji električne i toplinske energije, ona je starija više od jednog stoljeća. Najveću primjenu doživjela je tijekom Drugog svjetskog rata kada je generatorski plin dobiven rasplinjavanjem biomase bio korišten kao alternativa nafti, odnosno kao gorivo za motore s unutarnjim izgaranjem. Procjenjuje se da je do 1945. godine približno 9 milijuna vozila u svijetu bilo pogonjeno generatorskim plinom [2].PROCES RASPLINJAVANJAKako bi se proizveo generatorski plin odnosno kako bi se kruto gorivo pretvorilo u plinovito, potrebna su četiri toplinska procesa: grijanje i sušenje, piroliza, reakcije između krutine i plina te reakcije između plinova. Prvi korak kod rasplinjavanja zagrijavanje je biomase do temperature od oko 300 °C. Budući da biomasa sadrži vlagu, njenim zagrijavanjem dolazi do isparavanja vlage, za što je potrebna značajna toplina (2.500 kJ/kg). Kako se previše topline ne bi izgubilo na sušenje, udio vlage u biomasi mora biti 10-20 %. Nakon grijanja i sušenja dolazi do kemijske razgradnje organskih tvari pri temperaturi od 500 °C bez prisustva kisika, tzv. pirolize. Kada se postignu traženi uvjeti, dodaje se kisik zbog čijeg prisustva dolazi do izgaranja. Kisik se može dodati u 100 %-tnoj koncentraciji (čisti kisik), no zbog jednostavnijeg procesa najčešće se dovodi u ložište s atmosferskim zrakom u kojem volumna koncentracija kisika iznosi 21 %. Količina dovedenog kisika je podstehiometrijska, što znači da nema dovoljno kisika kako bi sav ugljik kojeg sadrži biomasa oksidirao, odnosno prešao u

Jedan od najvećih izazova 21. stoljeća je pronaći način za pokrivanje potreba za energijom uz minimalan učinak na okoliš. Kako bi se ostvarili ti ciljevi, razvijena je i tehnologija rasplinjavanja kojom se kruta goriva pretvaraju u plinovita. Gorivi plin dobiven rasplinjavanjem naziva se generatorski plin te se može koristiti kao gorivo za peći, plinske motore, Stirlingove motore i plinske turbine. Izgaranjem plinovitih goriva, u usporedbi s krutim gorivima, dobiju se čišći dimni plinovi, a generatorski plin može se plinskim cijevima dovesti upravo tamo gdje je potreban plamen [1]. Plinska goriva bolje se miješaju sa zrakom što utječe na smanjenje gubitaka osjetne topline dimnih plinova. Također, pomoću tehnologije rasplinjavanja otpad iz poljoprivrede, redovitog gospodarenja šumama i drvne industrije postaje vrijedna energetska sirovina.

SLIKA 1

Shematski prikaz procesa dobivanja

generatorskog plina u oborinskom

generatoru plina

Izvor: http://www.nova-gas.com/

Syngas%20-%20Landing%20page.html

SLIKA 1

73

ENERGETSKA UČINKOVITOST

PODJELA PLINSKIH GENERATORAPrema mjestu ulaska kisika (zraka) u generator plina, generatori plina dijele se na: usponski, oborinski i križni generator plina te na generator plina s fluidizirajućim slojem. Kod usponskog generatora plina kisik (zrak) ulazi s donje strane, kod oborinskog se dovodi u ili iznad oksidacijske zone, dok se kod križnog dovodi u istu razinu na kojoj se odvodi plin. Kod generatora s fluidizirajućim slojem biomasa je fino usitnjena, a kisik (zrak) se upuhuje s donje strane generatora. Brzina kisika (zraka) takva je da podiže biomasu i stvara fluidizirajući sloj [4].Važan faktor prilikom usporedbe različitih tipova generatora plina jest stupanj učinkovitosti pretvorbe koji govori koliki je dio energije krutog goriva prešao u plinovito gorivo.

ηGas je u prosjeku 60-70 % [1].Primjer: Potrebno je izračunati koliki je stupanj učinkovitosti plinskog generatora koji iz 1 kg drva, donje ogrjevne vrijednosti 19,8 MJ/kg, proizvede 2,5 m3 generatorskog plina donje ogrjevne vrijednosti 5,4 MJ/m3.

Temperatura generatorskog plina na izlazu ovisi o vrsti generatora, a može iznositi do 1.000 °C. Kako bi se povećala gustoća, odnosno ogrjevna vrijednost po m3, generatorski plin se hladi, najčešće u izmjenjivačima plin-zrak. Prije postizanja konačne temperature, odvija se čišćenje generatorskog plina u ciklonskom separatoru i vrećastom filtru [1]. Konačni sastav generatorskog plina ovisi o vrsti biomase koja se koristi za rasplinjavanje, tipu generatora plina te sredstvu za rasplinjavanje (zrak ili kisik). Postrojenja za rasplinjavanje biomase kao gorivo koriste drvnu i nedrvnu biomasu. Od drvne biomase koristi se šumska (ogrjevno drvo, ostaci i otpad nastali redovitim gospodarenjem šumama) te biomasa iz drvne industrije (ostaci i otpad pri piljenju). Pri obradi drveta gubi se oko 35-40 % od ulazne sirovine u procesu proizvodnje, a količina otpada za neke proizvode kao što su parketi iznosi i do 65 % [5]. PRIMJENA TEHNOLOGIJE RASPLINJAVANJA BIOMASEIako se u prošlosti za proces rasplinjavanja većinom koristila drvna biomasa, u današnje vrijeme sve veću ulogu dobiva nedrvna biomasa, odnosno ostaci iz poljoprivrede (ostaci pri rezidbi vinove loze i maslina, ljuske lješnjaka, pšenična slama, rižina slama,

kukuruzna stabljika itd.). U prilog tome govori podatak da je u Danskoj instalirana elektrana na ostatke žitarica od 450 MW. Usporedbe radi, hrvatski udio u NE Krško iznosi 348 MW [6], a zbroj snaga oba postojeća bloka u Plominu iznosi 330 MW.Rasplinjavanje kisikom dovodi do značajnog povećanja ogrjevne vrijednosti, u usporedbi s rasplinjavanjem zrakom, zbog smanjene koncentracije dušika koji je negoriv plin. U slučaju rasplinjavanja biomase sa zrakom dobije se ogrjevna vrijednost generatorskog plina 4-6 MJ/mn

3, dok rasplinjavanjem s kisikom ogrjevna vrijednost generatorskog plina iznosi 15-20 MJ/mn

3 (mn3 – normni kubni metar) [7].

Kako bi se izgaranjem generatorskog plina dobila električna i toplinska energija, koriste se plinski motor, plinska turbina, organski Rankinov ciklus (ORC), Stirlingov motor i Rankinov ciklus [8]. Na Slici 2 prikazana je shema sustava za rasplinjavanje na kojoj se može vidjeti slijed procesa od ubacivanja biomase u generator plina, hlađenja i čišćenja generatorskog plina do upotrebe generatora plina u plinskom motoru s ciljem dobivanja električne i toplinske energije.PROIZVODNJA ELEKTRIČNE I TOPLINSKE ENERGIJEPlinski motori pogonjeni generatorskim plinom rade na isti način kao i dizelski motori. Kombiniranjem plinskog motora i kotla na ispušne dimne plinove može se postići visok stupanj djelovanja. Takav primjer postoji u Danskoj, u kogeneraciji kapaciteta 5,4 MW električne te 11,5 MW toplinske snage. U toj se kogeneraciji kao gorivo koriste drvni peleti čijim rasplinjavanjem nastaje generatorski plin koji izgara u plinskim motorima. Budući da dimni plinovi iz plinskih motora izlaze s visokom temperaturom, odvode se u kotao za ispušne plinove gdje im se snizuje temperatura, odnosno dimni plinovi predaju toplinu radnom mediju koji nadalje predaje toplinu potrošačima. Tako se postiže stupanj djelovanja električne energije od 30 %, a zajedno s toplinskom energijom ukupni stupanj djelovanja iznosi 90 %. Važno je napomenuti da je ovaj stupanj djelovanja sveden na donju ogrjevnu vrijednost generatorskog plina, a ne biomase. Na Slici 2 prikazana je pojednostavljena shema sustava za rasplinjavanje s plinskim motorom.Visok stupanj djelovanja može se postići i korištenjem plinske turbine. Nju pokreću dimni plinovi nastali izgaranjem smjese generatorskog plina i prethodno stlačenog zraka. Kako bi se povećao stupanj djelovanja električne energije, plinskom ciklusu dodaje se parni ciklus. Dimni plinovi zagrijavaju vodu ili organski medij koji isparava i pokreće turbinu pa se tako dodatno dobiva električna energija. Kako bi se zadovoljile potrebe korisnika za toplinskom energijom, turbina ekspandira do tlaka čija je temperatura zasićenja jednaka potrebnoj temperaturi radnog medija koji prenosi toplinu potrošačima. Drugi način za

74

ENERGETSKA UČINKOVITOST

pokrivanje toplinskih potreba je odvajanje pare prije ulaska u turbinu ili među stupnjevima turbine, ovisno o potrebnoj temperaturi.Kod Stirlingovog motora radni medij zatvoren je u cilindru. Hlađenjem cilindra radni plin se komprimira, a grijanjem cilindra vrućim dimnim plinovima nastalim izgaranjem generatorskog plina, radni plin ekspandira. Zatvoreni ciklus omogućuje korištenje plina koji bolje prenosi toplinu od zraka. Toplina dovedena cilindru, umanjena za odvedenu toplinu hlađenjem, pretvara se u tehnički rad. Toplinska energija za potrebe potrošača dobavlja se hlađenjem motora i dimnih plinova.POTICAJNE CIJENEKogeneracije na rasplinjavanje biomase posebno su zanimljive većim potrošačima toplinske energije kao što su bolnice, starački domovi, škole, stambene zgrade, postrojenja za sušenje itd. Proizvođači električne energije iz takvih kogeneracija mogu

ostvariti status Povlaštenog proizvođača električne energije te istu, prema važećem cjeniku, mogu prodati po cijeni od 1,3 kn/kWh za elektrane do 300 kWe, 1,25 kn/kWh za elektrane od 300 kWe do uključivo 2 MWe te 1,2 kn/kWh za elektrane instalirane snage veće od 2 MW. Proizvodna postrojenja koja postignu ukupnu godišnju učinkovitost veću od 50 % ostvaruju bonus od 20 % na redovnu otkupnu cijenu [9]. Cijena kogeneracije na rasplinjavanje biomase na europskom tržištu iznosi oko 3.000 €/kW. Kogeneracija od 30 kWe po navedenoj cijeni troši oko 30 kg/h drvne biomase (ta brojka ovisi o vrsti biomase), može raditi 7.000 h godišnje, a toplinska snaga joj je 73 kW [10].Usprkos prednostima rasplinjavanja drvne biomase, rasplinjavanje je poprilično složen i osjetljiv proces. Za konstantan rad sustava potrebno je često punjenje spremnika te čišćenje pepela (što zahtjeva zaustavljanje postrojenja). Često čišćenje te mala brzina pokretanja uzrokuju smanjen broj sati u pogonu, u usporedbi s drugim termoelektranama [11].ZAKLJUČAKBiomasa kao obnovljivi izvor energije posljednjih godina postaje sve važnija u proizvodnji toplinske i električne energije, kako u svijetu tako i u Hrvatskoj. Ona doprinosi sigurnosti i raznolikosti energetske opskrbe pojedinih država koje su ovisne o uvozu fosilnih goriva. Instaliranjem kogeneracija na rasplinjavanje biomase ostvaruje se dodatan prihod za lokalno stanovništvo i privredu. Sve to rezultira smanjenjem uvoza energenata, ulaganjem u poljoprivredu i nerazvijena područja te povećanjem sigurnosti opskrbe energije. Rasplinjavanje biomase počinje poprimati status komercijalne tehnologije zbog pada cijene postrojenja po kW instalirane snage. Zbog niskih emisija čestica, ali i visokog stupnja djelovanja, pitanje je vremena kada će početi zauzimati značajan udio u proizvodnji električne i toplinske energije u Hrvatskoj.

SLIKA 2

Shema sustava za rasplinjavanje s

plinskim motorom

Izvor: Micro and small-scale CHP

from biomass (< 300 kWe) for distributed energy, OPET RES-e

– NNE5/37/2002

SLIKA 2

SLIKA 3

Kogeneracijsko postrojenje na rasplinjavanje

drvne biomase

Izvor: http://info.aee.net/hs-fs/

hub/211732/file-2070043438-jpg/

blog/Tech_Report_photos/1-Generation/

Biomass_plant.jpg