Słoma energetyczna

Słoma wykorzystywana do celów energetycznych wchodzi w skład grupy paliw odnawialnych, które wraz z biogazem i biopaliwami płynnymi, tworzy grupę biopaliw.

W Polsce w strukturze produkcji dominuje słoma:

  • zbóż (92,6%),
  • roślin oleistych jak rzepak (5,1%) oraz 
  • roślin strączkowych (2,3%).

Tabela przedstawia skład słomy wybranych zbóż.

Analiza elementarna słomy wybranych zbóż, w %

Słoma

Popiół

Węgiel

Wodór

Tlen

Azot

Siarka

pszenna

6,53

48,53

5,30

39,08

0,28

0,05

jęczmienna

4,30

45,67

6,50

38,26

0,43

0,11

kukurydziana

5,77

747,09

5,40

39,79

0,81

0,12

 

Spalaniu słomy towarzyszy śladowa emisja S02, a wartość emisji NOx jest porównywalna z emisją z kotłowni węglowych. Pozostałości w postaci popiołu stanowią 3-5% ilości spalanej słomy. Głównym składnikiem popiołu jest potas, dlatego też popiół ten może być wykorzystany jako nawóz.

Roczna wielkość produkcji słomy może ulegać znacznym wahaniom,  decyduje o tym powierzchnia upraw roślin, wielkości plonów, gatunek i odmiana roślin, nawożenie, warunki pogodowe. Zbiory słomy przewyższają zapotrzebowanie na nią wynikające z produkcji zwierzęcej (pasza, ściółka). Produkcja słomy w Polsce wynosi średnio 29,3 mln ton rocznie, przy nadwyżkach średnio 11,5 mln ton, co jest równoważne 7,7 mln ton węgla średniej jakości. Nadwyżki są przyorywane bądź palone na polach. Do wykorzystania energetycznego służyć może cała słoma rzepakowa.

W rejonach dominujących upraw zboża, rzepaku i roślin strączkowych mogą być one w znacznym stopniu wykorzystane energetycznie. Potencjał energetyczny słomy w kraju jest duży, a pełne wykorzystanie nadwyżek produkcji słomy może pokryć aż 4% zapotrzebowania Polski na energię pierwotną. Energia chemiczna 1 kg słomy o wilgotności 15% wynosi 14,3 MJ, co odpowiada energii chemicznej zawartej w 0,81 kg drewna opałowego lub 0,41 m3 gazu ziemnego wysoko-metanowego. Pod względem energetycznym 1,5 tony słomy równoważne jest jednej tonie węgla średniej jakości. W Polsce słoma może być wykorzystana jako paliwo do ogrzewania mieszkań, budynków inwestorskich w gospodarstwach rolnych, jak i kotłowniach komunalnych.

Kotły do spalania słomy

Jako paliwo dostarczane do kotła słoma jest niejednorodna, z różną zawartością części mineralnych i wilgoci. Lotne składniki słomy sięgają 70%. Zawartość części niepalnych zależy od lokalnych warunków uprawy oraz od sposobu zbioru słomy i przygotowania bel (czasem nazywanych balotami). Słoma bezpośrednio po zbiorze (tzw. słoma „żółta”) może mieć ponad 5% a nawet 10% części niepalnych (popiołu). Słoma prasowana jako „szara” po kilkudniowym (-tygodniowym) okresie przebywania na polu i przemywania przez deszcz posiada zawartość popiołu obniżoną do 1-3% i znacznie lepsze własności jako paliwo.

Słoma jest paliwem trudnym do prawidłowego spalania. Przy konwencjonalnym spalaniu, podobnym do spalania węgla, sprawności procesu wynoszą od zaledwie 35 % do 70%. Przyczyną jest niewystarczające wymieszanie paliwa z powietrzem, wskutek czego wiele części palnych nie ulega spalaniu. Warunkiem spalania słomy jest utrzymanie jej wilgotności poniżej 20%, najlepiej ok. 15%.

Nowoczesne kotły do spalania słony pozwalają na spalanie słomy i innych biopaliw ze sprawnością 80-90% i przy bardzo niskiej emisji gazów.

Systemy energetyczne opalane słomą rozwinęły się intensywnie w niektórych krajach zachodnich, głównie Danii. Doświadczenia duńskie wskazują, że jest możliwe prawidłowe spalanie słomy w małych i średnich kotłach o odpowiedniej konstrukcji. Produkowane są kotły na słomę o mocy zainstalowanej od kilkudziesięciu kW dla zasilania pojedynczych gospodarstw do elektrociepłowni o mocy ponad 30 MW.

W trakcie spalania słomy gazy palne i niedopalone części paliwa wymagają dopalenia w temperaturze ponad 800 oC, przed schłodzeniem w części wymiennikowej kotła. Konstrukcje zapewniające spełnienie tego warunku są różne, decyduje w tym przypadku przede wszystkim moc kotła. Można wyróżnić trzy główne typy kotłów na słomę:

  • Kotły ze spalaniem „cygarowym” całych bel. Przeważnie są to duże kotły zasilające sieci ciepłownicze i elektrociepłownie wyposażone w systemy załadunku całymi belami słomy, tzw. belami Hestona o masie do 500 kg.
  • Kotły ze spalaniem słomy rozdrobnionej, które są stosowane dla małych i średnich mocy cieplnych. Podawanie słomy odbywa się z sieczkarni prasowanej słomy (dostosowanej typowo do określonych bel) przez układ podajników ślimakowych lub transportem pneumatycznym. Paliwo podawane jest w sposób ciągły, a wiele operacji może być zautomatyzowanych.  Układ do podawania słomy zwiększa dość znacznie koszt instalacji.
  • Kotły ze spalaniem przeciwprądowym całych bel, które stosuje się do małych i średnich (okrągłych) beli słomy. Spalanie przeciwprądowe jest kombinacją procesów gazyfikacji biopaliwa oraz spalania gazu i cząstek paliwa w strumieniu nadmuchiwanego powietrza
  • Takie kotły, o wysokiej sprawności, są produkowane w kraju (patrz rysunek przedstawiający schemat i zdjęcie kotła ze spalaniem przeciwprądowym, przykładowo firmy EKOPAL). Stosowana w nich jest najnowsza technologia spalania przy zautomatyzowaniu procesu dostarczania powietrza do paleniska i kontroli temperatury spalin.
  • Funkcjonowanie i charakterystyka kotła ze spalaniem przeciwprądowym jest następująca:
  • Kocioł ładowany jest paliwem w postaci jednego lub kilku beli słomy, a spalanie odbywa się do całkowitego wypalenia wsadu.
  • Powietrze do spalania, nawiewane przez wentylator uderza w słomę pod kątem prostym do powierzchni balota po to, aby słoma pozostała na swoim miejscu i nie była porywana przez palące się gazy. Wylot z komory spalania do części wymiennikowej kotła odbywa się pod prąd powietrza podmuchowego, co zapewnia dopalanie gazów i niespalonych pierwotnie części palnych słomy. Odpowiedni kształt gardzieli wykonanej z ceramiki gwarantuje wysoką temperaturę spalania.
  • Konstrukcja komory spalania i dysz nawiewnych zapewnia jak najlepsze wymieszanie gazów powstających w procesie gazyfikacji i powietrza nawiewanego. Gazy w komorze spalania nie powinny być ochłodzone poniżej 800oC, zanim nie zostanie zakończone spalanie gazów i cząstek palnych.
  • Powietrze podmuchowe wprowadzane jest do komory spalania w sposób kontrolowany, tak aby zapewnić jego odpowiednią ilość niezbędną do całkowitego spalania części palnych. Nawiew powietrza regulowany jest przez sterownik z czujnikiem temperatury spalin w czopuchu.
  • W trakcie spalania balotów, gdy rośnie wolna powierzchnia słomy chłodząca płomienie, nadmuch powietrza do spalania jest zwiększany dla zapewnienia odpowiedniej temperatury w komorze spalania gazów.

 Zapewnienie tych warunków jest możliwe poprzez odpowiednią konstrukcję oraz automatyczną regulację zapewniającą utrzymanie odpowiedniej temperatury w komorze spalania. Praca kotła nie może być obciążona natomiast zmiennym zapotrzebowaniem ciepła przez odbiorniki. Dla zapewnienia właściwego spalania, pomiędzy kotłem a odbiornikami instaluje się zbiornik akumulacyjny odbierający ciepło produkowane przez kocioł. Specyfika pracy instalacji grzewczych z kotłami na słomę polega na zdolności akumulacji ciepła powstałego w procesie spalania sprasowanej słomy i następnie jego powolnym oddawaniu do instalacji centralnego ogrzewania. Sam proces spalania słomy trwa około 1, 2 godzin, po czym palenisko wygasa, a instalacja centralnego ogrzewania  zasilana jest przez ok. 4, 7 godzin ciepłem ze zbiornika akumulacyjnego.

Dla akumulacji ciepła wytwarzanego w kotle potrzebny jest zasobnik  ciepła, którego objętość wynosi od 3 m3 dla małych kotłów do 30 m3 dla kotłów średnich na okrągłe bele.

Ciepło na potrzeby grzewcze lub ciepłej wody użytkowej przekazywane jest do obiegów połączonych bezpośrednio lub pośrednio z zasobnikami w zależności od systemu grzewczego.

Dużym problemem w dalszym rozwoju i wykorzystania biomasy może być brak maszyn dla drobnych użytkowników zarówno do granulowania lub brykietowania odpadów drewna oraz belowania (balotowania słomy).

Wykorzystanie kotłów na słomę do ogrzewania domów jednorodzinnych

Szacuje się, że do ogrzania domu jednorodzinnego potrzebne są zbiory słomy z powierzchni ok. 5 ha. Dom o powierzchni ogrzewanej 100 m2 i potrzebach energetycznych 100 kWh/m2  rok można ogrzać zużywając rocznie 5 ton słomy przy sprawności kotłów 75 %.

Kotły na słomę są w większości gospodarstw włączone do sieci centralnego ogrzewania obok tradycyjnego pieca, co pozwala zachować bezpieczeństwo energetyczne na wypadek braku słomy. Takie rozwiązanie jest możliwe w przypadku wystarczającej powierzchni pomieszczeń kotłowni.

W zabudowie zwartej można budować kotłownie opalane słomą zasilające 2 lub 3 budynki co obniża jednostkowe koszty inwestycji.

Potencjalnymi użytkownikami ciepłowni średniej i małej mocy mogą być również osiedla wiejskie, szkoły, urzędy gmin, ośrodki zdrowia i inne obiekty.

Czynnikiem ograniczającym szerokie zastosowanie słomy jako paliwa są wysokie koszty inwestycyjne, przy niższych kosztach eksploatacyjnych. Niezależne szacunki kosztów słomy do celów energetycznych wskazują, że cena pozyskania jednej tony słomy oparta na kosztach przygotowania słomy do spalania (bele prostokątne i okrągłe) wynosi od 80 do 100 zł na tonę. Istotnym warunkiem efektywności ekonomicznej jest stopień wykorzystania mocy kotła. Przeprowadzone badania w gospodarstwach rolnych, które były wyposażone w kotły o mocy 48,8 kW, wykazały ekonomiczność takiej inwestycji przy użyciu rocznym równoważnym ok. 10 ton węgla.

Prosty okres zwrotu nakładów inwestycyjnych w przypadku kotłowni opalanych na słomę wynosi ok. 6 lat.

Zastąpienie kotłowni węglowych kotłowniami opalanymi drewnem opałowym i słomą spełnia warunki ustawy o wspieraniu przedsięwzięć termomodernizacyjnych i upoważnia do otrzymania kredytu i premii termomodernizacyjnej.  Warunkiem korzystania z kredytów oraz 25-cio procentowej premii termomodernizacyjnej jest ulepszenie, w wyniku którego następuje zmniejszenie rocznych strat energii pierwotnej w lokalnym źródle ciepła i w lokalnej sieci ciepłowniczej – co najmniej o 25 %. Wymagane jest też, aby kredyt w wysokości do 80 % kosztów inwestycji mógł być spłacony w okresie do 7 lat z oszczędności uzyskanych na kosztach eksploatacyjnych, a zdyskontowana wartość netto, wynikająca z audytu energetycznego, była dodatnia. Całkowita lub częściowa zamiana konwencjonalnych źródeł energii na źródła niekonwencjonalne, w tym źródła odnawialne (wykorzystanie biomasy) umożliwia korzystanie z powyższego funduszu termomodernizacyjnego i uzyskanie premii termomodernizacyjnej w wysokości 25% zaciągniętego kredytu.

Biorąc pod uwagę możliwość uzyskania korzystnego kredytu na odnawialne źródła energii z Banku Ochrony Środowiska lub z Banku Gospodarstwa Krajowego na mocy ustawy o  wspieraniu inwestycji termomodernizacyjnych koszty budowy kotłowni opalanej biomasą mogą zwrócić się w czasie ok. 4,5 lat.