Index of /rozprawy2/11717

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE WYDZIAŁ ZARZĄDZANIA. mgr inż. Marta Wesołowska. ROZPRAWA DOKTORSKA Model zarządzania logistyką biomasy na cele energetyczne w Polsce Promotor Dr hab. Joanna Kulczycka, prof. AGH. KRAKÓW 2019. 1.

(2) Uprzedzona o odpowiedzialności karnej na podstawie art. 115 ust. 1 i 2 ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych (t.j. Dz.U. z 2006 r. Nr 90, poz. 631 z późn. zm.): „ Kto przywłaszcza sobie autorstwo albo wprowadza w błąd co do autorstwa całości lub części cudzego utworu albo artystycznego wykonania, podlega grzywnie, karze ograniczenia wolności albo pozbawienia wolności do lat 3. Tej samej karze podlega, kto rozpowszechnia bez podania nazwiska lub pseudonimu twórcy cudzy utwór w wersji oryginalnej albo w postaci opracowania, artystyczne wykonanie albo publicznie zniekształca taki utwór, artystyczne wykonanie, fonogram, wideogram lub nadanie.”, a także uprzedzona o odpowiedzialności dyscyplinarnej na podstawie art. 211 ust. 1 ustawy z dnia 27 lipca 2005 r. Prawo o szkolnictwie wyższym (t.j. Dz. U. z 2012 r. poz. 572, z późn. zm.) „Za naruszenie przepisów obowiązujących w uczelni oraz za czyny uchybiające godności doktoranta, doktorant ponosi odpowiedzialność dyscyplinarną przed komisją dyscyplinarną albo przed sądem koleżeńskim samorządu studenckiego, zwanym dalej "sądem koleżeńskim"”, oświadczam, że niniejszą rozprawę doktorską wykonałam osobiście i samodzielnie i że nie korzystałam ze źródeł innych niż wymienione w pracy. …………………………………………………… podpis autora pracy. Autorka był stypendystą w ramach projektu. DoktoRIS - Program stypendialny na rzecz innowacyjnego Śląska oraz stypendystką Fortum P&H Finlandia Zarządzanie Logistyka Biomasy 2.

(3) Szczególne wyrazy wdzięczności kieruję do mojej Promotorki dr hab. Joanny Kulczyckiej i mojego opiekuna naukowego prof. dr hab. inż. Wojciecha Nowaka, dziękując za naukową opinię, życzliwość, wyrozumiałość, cierpliwość oraz poświęcony czas na dyskusję i cenne wskazówki udzielone mi podczas realizacji mojej pracy doktorskiej. Składam serdeczne podziękowania Panu dr hab. inż. Jarosławowi Krzywańskiemu, prof. Uniwersytetu Humanistyczno-Przyrodniczego im. Jana Długosza w Częstochowie, za pomoc merytoryczną i poświęcony czas przy modelowaniu i miłą atmosferę ułatwiającą mi zrealizowanie tej pracy. Dziękuję również Fortum Heat and Power Polska za umożliwienie udziału w stażu i w badaniach, bez których niniejsza rozprawa nie mogła by powstać oraz New Energy Transfer Sp z o.o. za wyrozumiałość w czasie realizacji tej rozprawy. Pragnę podziękować także tym, których nie wymieniłam, a którzy chociażby w najmniejszym stopniu poprzez swoją pomoc, radę lub uwagę przyczynili się do ukończenia tej pracy.. 3.

(4) Spis treści Streszczenie………………………………………………………………………….……...….5 Abstract………………………………………………………………………...........................8 Wstęp……………………………………………………...………….....................................11 1.. 2.. 3.. 4.. Uwarunkowania dostępności biomasy na cele energetyczne w Polsce wraz z prognozą zapotrzebowania………………………………………………............14 1.1. Charakterystyka i klasyfikacja biomasy….………………………………......14 1.1.1. Definicja oraz rodzaje i formy wykorzystania biomasy………………16 1.1.2. Właściwości biomasy jako paliwa oraz korzyści z jej stosowania…………………………………………………………….17 1.2. Wybrane regulacje i bariery prawne……………………………….……...…28 1.3. Wykorzystanie biomasy na cele energetyczne….....…………………….......36 1.4. Zasoby biomasy drzewnej do celów energetycznych.…………………….…49 1.4.1. Biomasa pochodząca z Lasów Państwowych………………………...49 1.4.2. Biomasa odpadowa z przetwórstwa leśnego…………………….........52 1.4.3. Zasoby biomasy leśnej z innych źródeł……………………….………53 1.5. Zasoby biomasy rolnej do celów energetycznych…………………………...58 1.5.1. Szacowane zasoby biomasy ze słomy……………………….………..59 1.5.2. Zasoby biomasy z przetwórstwa spożywczego…………..……...……61 Model zarządzania biomasą na cele energetyczne wraz z identyfikacją i hierarchizacją komponentów logistyki w łańcuchu wartości…...……….…...68 2.1. Uwarunkowania technologiczne, ekonomiczne i środowiskowe – wilgotność biomasy……….………………………………………………………..…….68 2.2. Koszty transport w systemie logistycznym pozyskania i przetworzenia biomasy na cele energetyczne…………...…………………………………..70 2.2.1 Propozycja modelowego ujęcia kosztów transportu……………….....72 2.2.2 Założenia do obliczeń kosztów magazynowania zrębek wierzby….…74 2.2.3 Koszty transportu peletów…………………………………….………78 2.2.4 Koszty transportu ze słomy i miskanta………………………..………80 2.3. Techniki i ryzyko zakłóceń w łańcuchu dostaw biomasy…...…………….…82 2.4. Cel badawczy, hipotezy i zakres pracy.………….…………………………..86 2.5. Metodyka badań………………………………………………................…...92 Monitorowanie kosztów, planowanie zasobów i dostaw biomasy dla energetyki dla wybranej lokalizacji………………….………………………………………95 3.1. Zarządzanie logistyką biomasy w oparciu o system MHG ERP……………97 3.2. Zarządzanie logistyką biomasy z wykorzystaniem sztucznej inteligencji…104 3.3. Struktura modelu i założenia..……………………………………...............108 3.4. Łańcuch logistyczny od źródła do odbiorcy……………………………….110 3.5. Wyniki modelowania z wykorzystaniem sieci neuronowych……….…......116 3.6. Zastosowanie MFCA do ilościowego określanie strumienia odpadów po spalaniu biomasy…………………………………………………………...126 Analiza procesu spalania i współspalania drewna pohydrolitycznego z węglem brunatnym w warunkach cyrkulacyjnej warstwy fluidalnej………………...129 4.1 Badania doświadczalne………………………………………………..…..129 4.

(5) 4.2. Analiza uzyskanych wyników……………………………………..............135 5. Uwarunkowania jakościowe i eksploatacyjne materiału dodatkowego (piasku)...……………………………………………………………………...…141 5.1. Analiza jakości materiału inertnego (piasku) na pracę elektrociepłowni.....146 5.2. Symulacje modelowe zarządzaniem materiałem uzupełniającym (piasek) dostawy biomasy niezbędnym dla prawidłowej pracy bloku energetycznego…..………………………………….………….………….148 5.3. Opis modelu i wyniki z symulacji……………………………….……..….150 6. Podsumowanie i wnioski……………..…………..………………......................155 Literatura………………..……………………………………………………………….160 Wykaz tabel, rysunków…………….………………….…………………………...........169 Załącznik 1…………..…………………………………………………………………..173. Streszczenie Opracowanie modelu wspomagającego proces zarządzania dostawami biomasy dla przedsiębiorstw energetycznych jest o tyle skomplikowane, iż każdy rodzaj biomasy wymaga indywidualnego doboru procesu logistycznego obejmującego etapy zbierania, przetwarzania, magazynowania czy dostawy. Dodatkowo z innymi urządzeniami i barierami ma się do czynienia w przypadku przetwarzania biomasy stałej, a z innymi w przypadku biopaliw płynnych czy produkcji biogazu. Ponadto, w niektórych technologiach np. fluidalnych poza biomasą trzeba stosować materiał inertny (piasek), który ma istotne znaczenie przy spalaniu biomasy, a często jest pomijany w analizach logistycznych. Ze względu na bezpieczeństwo i optymalizację procesów zarządzanie dostawami powinno dotyczyć całego łańcucha wartości, co powoduje, iż dla biomasy rolnej, leśnej i odpadowej uwzględnia się szereg procesów jednostkowych. Tak skomplikowany i rozbudowany system, aby był skuteczny, wymaga: 1.. koordynacji w czasie i przestrzeni z wykorzystaniem nowoczesnych mobilnych, internetowych, mapowych i innych narzędzi,. 2.. opracowania odpowiednich technologii i narzędzi obliczeniowych do analizy i optymalizacji złożonych procesów wytwarzania energii z biomasy,. 3.. uwzględnienia zmiennych warunków rynkowych. W ostatnich latach wraz z rozwojem wymiany zagranicznej biomasą widoczny jest. wzrost wykorzystania biomasy pochodzącej z niestandaryzowanych i niekomercyjnych źródeł, często odpadowych, o niższej cenie rynkowej. Katalizatorem wzrostu zainteresowania rynkiem jest przede wszystkim pakiet energetyczno-klimatyczny i zobowiązania państw członkowskich 5.

(6) UE w zakresie produkcji energii ze źródeł odnawialnych wynikające z unijnej dyrektywy. Pojawia się jednak problem czy będzie zapewniona podaż biomasy dla sektora energetycznego, skoro ma ona coraz szersze zastosowanie w różnych dziedzinach. Rozwiązaniem, szczególnie w krajach UE w tym w Polsce, gdzie wprowadzane są założenia gospodarki o obiegu zamkniętym powinno być zwiększenie wykorzystania surowców, które dotąd traktowane były jako odpady. Wymaga to szczegółowej oceny rynku (popyt i podaż w tym ocena zasobów biomasy z uwzględnieniem pochodzenie biomasy: biomasa „leśna” i biomasa „agro” z kraju i z zagranicy) wraz z oceną uwarunkowań prawnych, środowiskowych, logistycznych i finansowych. Pomimo, iż w Polsce w ostatnich dwóch latach znacząco obniżyło się wykorzystanie biopaliw stałych w energetyce (nieznacznie ponad 30% podaży OZE) to dostępność biomasy agro pogorszyła się w porównaniu z latami poprzednimi - jej ilość na rynku jest mniejsza, a ceny są wyższe. Biomasy leśnej jest natomiast nadwyżka, jednak nie spowodowało to znaczącej obniżki cen. Nie należy wykluczać, że jeżeli zostanie utrzymany rosnący stosunek biomasy agro do biomasy leśnej przy współspalaniu lub przy instalacjach opalanych w 100% biomasą, to wówczas, albo wejdzie na polski rynek biomasa agro z importu, albo nie będzie można produkować energii, która otrzyma zielony certyfikat, ponieważ będzie miała nieodpowiedni stosunek biomasy agro do biomasy leśnej. Niestety nie ma prostej odpowiedzi na pytanie: czy jeśli wszystkie te inwestycje zostaną oddane, to w Polsce wystarczy biomasy? Są ograniczone zasoby biomasy na rynku polskim i w krajach sąsiedzkich, jak Ukraina czy Słowacja. Polskę może czekać scenariusz z państw zachodnich, gdzie biomasę sprowadza się z zagranicy. W związku z tym w pracy uwzględniono rzeczywiste uwarunkowania i identyfikując kluczowe czynniki mające wpływ na proces zarządzania dostawami biomasy dla energetyki w Polsce jako główny cel przyjęto opracowanie nowatorskiego modelu zarządzania logistyką biomasy na cele energetyczne w Polsce. Dla jego realizacji zaproponowano następujące cele cząstkowe: 1.. Ocena zasobów dostępnej biomasy i jej transportu oraz kosztów.. 2.. Opracowanie modelu zarządzania logistyką biomasy w oparciu o sieci neuronowe w warunkach polskich, co pozwoli na dostarczenia biomasy do wybranego przedsiębiorstwa energetycznego w sposób wydajny i ekonomiczny.. 3.. Pokazanie możliwości zagospodarowania biomasy odpadowej na przykładzie lignocelulozy.. 6.

(7) 4.. Symulacje modelowe zarządzaniem materiałem uzupełniającym (piasek) dostawy biomasy są niezbędne dla prawidłowej pracy bloku energetycznego. W zarządzaniu dostawami biomasy powinno uwzględniać się kluczowe czynniki. występujące w całym łańcuchu wartości poszczególnych procesów jednostkowych. Tak skomplikowany i rozbudowany system wymaga koordynacji w czasie i przestrzeni z wykorzystaniem nowoczesnych modeli z wykorzystaniem sieci neuronowych. Zarządzanie powinno być powiązane z zaopatrzeniem przedsiębiorstwa energetycznego z dostawami dodatkowego materiału (piasku) niezbędnego do właściwej eksploatacji bloku energetycznego. Dostępność biomasy jest jednym z kluczowy czynników wpływających na rynek energetyczny.. Stąd. dalszy. wzrost. wykorzystania. biomasy. będzie. bazował. na. niestandaryzowanych i niekomercyjnych biomasach odpadowych, o najniższej cenie rynkowej, jednak poziom ich dostaw powinien uwzględniać aspekty środowiskowe np.. wpływ transportu na środowisko. Dla realizacji tez pracy, bazując na doświadczeniach i danych z rynku europejskiego, oceny podaży różnych rodzajów biomasy w Polsce i UE, a także uwzględniając oceny techniczno-ekonomiczne i środowiskowe opracowano założenia modelu logistyki biomasy z wykorzystaniem sztucznej inteligencji (AI). Model stanowi oryginalne podejście autorki w temacie zarządzania logistyką biomasy na cele energetyczne zwłaszcza, że zebrane dane zostały opracowane z wykorzystaniem sieci neuronowych. Aby zoptymalizować transport biomasy uwzględniono również odległość dostawców od wybranej elektrociepłowni. Opracowany model stanowi narzędzie do modelowania dostaw biomasy i ma funkcję utylitarną i może być wykorzystany na poziomie operacyjnym w procesach zarządzania, gdyż mając aktualne informacje o sytuacji u dostawców biomasy oraz bieżące na nią zapotrzebowanie można w sposób ciągły optymalizować dostawy i zarządzać bazą surowcową. W modelu uwzględniono również koszty produkcji biomasy oraz jej parametry fizykochemiczne. Wszystkie opisane elementy składają się na kompleksowy projekt bazy surowcowej. Zaproponowany algorytm i model został. ujęty w pełną infrastrukturę. informatyczną. Model AI jest symulacją łańcucha logistycznego od źródła do odbiorcy. Składa się on z sieci modułów operacyjnych, w tym warstwy wejściowej, warstwy ukrytej oraz warstwy wyjściowa tworząc kompletną sieć łańcucha logistycznego biomasy. Cały system jest środowiskiem dynamicznym, a nie statycznym. Oznacza to, że w sytuacji zmian istotnych parametrów (rynkowych, cen na biomasę, zapotrzebowania na biomasę, jej zmiennych parametrów fizyko-chemicznych) nie będzie konieczność częstego odnawiania systemu. 7.

(8) Abstract The development of a model supporting the process of biomass supply management for power companies is so complicated that each type of biomass requires an individual selection of the logistic process including the stages of collection, processing, storage and delivery. In addition, other facilities and barriers are encountered in the processing of solid biomass and in the processing of liquid biofuels or biogas production. In addition, in some technologies, such as fluidized bed technologies, it is necessary to use an inert material (sand), which is essential for biomass combustion and is often omitted from logistic analyses. For safety reasons and process optimization, supply management should cover the entire value chain, which means that for agricultural, forest and waste biomass a number of individual processes are taken into account. So complicated system requires: 1. coordination in time and space with the use of modern mobile, web, map and other tools, 2. develop appropriate technologies and calculation tools for analyzing and optimizing complex processes for producing energy from biomass, 3. to take account of changing market conditions. In recent years, along with the development of foreign biomass trade, the use of biomass from non-standardized and non-commercial sources, often waste, with a lower market price, has increased. The catalyst for the growth of interest in the market is primarily the energy and climate package and the obligations of EU Member States with regard to the production of energy from renewable sources resulting from the EU directives. However, the problem arises as to whether the supply of biomass for the energy sector will be ensured, as it is increasingly being used in various areas. The solution, especially in EU countries, including Poland, where the assumptions of a circular economy are being introduced, should be to increase the use of raw materials, which until now have been treated as waste. This requires a detailed assessment of the market (supply and demand, including the assessment of biomass resources taking into account the origin of biomass: "forest" and "agro" biomass from Poland and abroad) together with an assessment of legal, environmental, logistic and financial conditions. Although in Poland in the last two years the use of solid biofuels in the power industry has significantly decreased (slightly over 30% of the RES supply), the availability of agro biomass has deteriorated in comparison with the previous years - its volume on the market is lower and prices are higher. On the other hand, there is a surplus of forest biomass, but this did not result in a significant reduction in prices. It cannot be ruled out that if the growing ratio of agro biomass to forest biomass is maintained by co-firing or 100% biomass-fired installations, then 8.

(9) either the imported agro biomass will enter the Polish market or it will not be possible to produce energy which will be awarded a green certificate, because it will have an inappropriate ratio of agro biomass to forest biomass. Unfortunately, there is no simple answer to the question: if all these investments are completed, will there be enough biomass in Poland? There are limited biomass resources on the Polish market and in neighboring countries such as Ukraine and Slovakia. Poland may face a scenario from western countries, where biomass is imported from abroad. Due to the importance of legal regulations, economic and financial evaluations of large biomass combustion projects are also burdened with high risk, hence the importance of finding solutions aimed at optimizing supplies. Therefore, the thesis takes into account the actual conditions and identifies the key factors influencing the process of biomass supply management for power industry in Poland as the main objective to develop an innovative model of biomass logistics management for power industry in Poland. The following partial objectives have been proposed for its implementation: 1. evaluation of available biomass resources, transport and costs, 2. developing a model of biomass logistics management based on neural networks in Polish conditions, which will allow to deliver biomass to a selected energy company in an efficient and economical way, 3. showing the possibilities of waste biomass management on the example of lignocellulose, 4. model simulations of biomass supply management of supplementary material (sand) which is necessary for proper operation of the power unit. Biomass supply management should take into account the key factors in the whole value chain of individual unit processes. Such a complex system requires coordination in time and space with the use of modern models using neural networks. The management should be linked to the supply of the energy company with the supply of additional material (sand) necessary for the proper operation of the power unit. Availability of biomass is one of the key factors influencing the energy market. Therefore, further increase in biomass use will be based on nonstandardized and non-commercial waste biomass with the lowest market price, but the level of their supply should take into account environmental aspects, e.g. the impact of transport on the environment. In order to implement the thesis, based on the experience and data from the European market, to assess the supply of various types of biomass in Poland and the EU, and taking into 9.

(10) account technical, economic and environmental assessments, the assumptions of the model of biomass logistics with the use of artificial intelligence (AI) were developed. It is the author's original approach to the management of biomass logistics for energy purposes, especially since the collected data were prepared using neural networks. In order to optimize the transport of biomass, the distance between suppliers and the selected heat and power plant was also taken into account. The developed model is a tool for modeling biomass supplies and has a utilitarian function and can be used at the operational level in management processes, because having upto-date information on the situation of biomass suppliers and current demand for biomass, it is possible to continuously optimize supplies and manage the raw material base. The model also takes into account the costs of biomass production and its physical and chemical parameters. All the described elements make up a comprehensive project of the raw material base. The proposed algorithm and model has been included in the full IT infrastructure. The AI model is a simulation of the logistic chain from the source to the recipient. It consists of a network of operational modules, including an input layer, a hidden layer and an output layer, creating a complete network of the biomass logistics chain. The whole system is a dynamic environment, not a static one. This means that in the event of changes in important parameters (market parameters, biomass prices, demand for biomass, its variable physical and chemical parameters), there will be no need to frequently renew the system.. 10.

(11) Wstęp Opracowanie modelu wspomagającego proces zarządzania dostawami biomasy dla przedsiębiorstw energetycznych jest o tyle skomplikowane, iż każdy rodzaj biomasy wymaga indywidualnego doboru procesu logistycznego obejmującego etapy zbierania, przetwarzania, magazynowania czy dostawy. Dodatkowo z innymi urządzeniami i barierami ma się do czynienia w przypadku przetwarzania biomasy stałej, a z innymi w przypadku biopaliw płynnych czy produkcji biogazu. Ponadto, w niektórych technologiach np. fluidalnych poza biomasą trzeba stosować materiał inertny (piasek), który ma istotne znaczenie przy spalaniu biomasy, a często jest pomijany w analizach logistycznych. Ze względu na bezpieczeństwo i optymalizację procesów zarządzanie dostawami powinno dotyczyć całego łańcucha wartości, co powoduje, iż dla biomasy rolnej, leśnej i odpadowej uwzględnia się szereg procesów jednostkowych. Tak skomplikowany i rozbudowany system, aby był skuteczny, wymaga: 1. koordynacji w czasie i przestrzeni z wykorzystaniem nowoczesnych mobilnych, internetowych, mapowych i innych narzędzi, 2. opracowania odpowiednich technologii i narzędzi obliczeniowych do analizy i optymalizacji złożonych procesów wytwarzania energii z biomasy, 3. uwzględnienia zmiennych warunków rynkowych. W ostatnich latach wraz z rozwojem wymiany zagranicznej biomasą widoczny jest wzrost wykorzystania biomasy pochodzącej z niestandaryzowanych i niekomercyjnych źródeł, często odpadowych, o niższej cenie rynkowej. Katalizatorem wzrostu zainteresowania rynkiem jest przede wszystkim pakiet energetyczno-klimatyczny i zobowiązania państw członkowskich UE w zakresie produkcji energii ze źródeł odnawialnych wynikające z unijnej dyrektywy. Pojawia się jednak problem czy będzie zapewniona podaż biomasy dla sektora energetycznego, skoro ma ona coraz szersze zastosowanie w różnych dziedzinach. Rozwiązaniem, szczególnie w krajach UE w tym w Polsce, gdzie wprowadzane są założenia gospodarki o obiegu zamkniętym powinno być zwiększenie wykorzystania surowców, które dotąd traktowane były jako odpady. Wymaga to szczegółowej oceny rynku (popyt i podaż w tym ocena zasobów biomasy z uwzględnieniem pochodzenie biomasy: biomasa „leśna” i biomasa „agro” z kraju i z zagranicy) wraz z oceną uwarunkowań prawnych, środowiskowych, logistycznych i finansowych. Pomimo, iż w Polsce w ostatnich dwóch latach znacząco obniżyło się wykorzystanie biopaliw stałych w energetyce (nieznacznie ponad 30% podaży OZE) to dostępność biomasy agro pogorszyła się w porównaniu z latami poprzednimi - jej ilość na 11.

(12) rynku jest mniejsza, a ceny są wyższe. Biomasy leśnej jest natomiast nadwyżka, jednak nie spowodowało to znaczącej obniżki cen. Nie należy wykluczać, że jeżeli zostanie utrzymany rosnący stosunek biomasy pochodzenia rolniczego (agro) do biomasy leśnej przy współspalaniu lub przy instalacjach opalanych w 100% biomasą, to wówczas, albo wejdzie na polski rynek biomasa agro z importu, albo nie będzie można produkować energii, która otrzyma zielony certyfikat, ponieważ będzie miała nieodpowiedni stosunek biomasy agro do biomasy leśnej. Niestety nie ma prostej odpowiedzi na pytanie: czy jeśli wszystkie te inwestycje zostaną oddane, to w Polsce wystarczy biomasy? Są ograniczone zasoby biomasy na rynku polskim i w krajach sąsiedzkich, jak Ukraina czy Słowacja. Polskę może czekać scenariusz z państw zachodnich, gdzie biomasę sprowadza się z zagranicy, głównie z Kanady [1]. Jest to o tyle prawdopodobne, iż obecnie na rynku UE pojawiają się dostawy biomasy z krajów Afryki, Azji czy Ameryki Południowej, a niektóre kraje, np. Indonezja czy Malezja stosują specjalne zachęty dla przedsiębiorców do odbioru niezagospodarowanych surowców, np. pozostających z produkcji z palm oleistych [2]. Jednak po uwzględnieniu wpływu transportu na środowisko efekt ekologiczny z ich spalania jest ograniczony lub zniwelowany. W związku z tym w pierwszej kolejności powinno się utylizować paliwa lokalne i raczej budować mniejsze źródła zagospodarowując lokalne źródła biomasy. Wysokim ryzykiem – ze względu na istotne znaczenie regulacji prawnych – obarczone są też oceny ekonomiczne i finansowe dużych projektów inwestycyjnych spalania biomasy, stąd tak istotne jest poszukiwanie rozwiązań mających na celu optymalizację dostaw. W związku z tym w pracy uwzględniono rzeczywiste uwarunkowania i identyfikując kluczowe czynniki mające wpływ na proces zarządzania dostawami biomasy dla energetyki w Polsce jako główny cel przyjęto opracowanie nowatorskiego modelu zarządzania logistyką biomasy na cele energetyczne w Polsce. Dla jego realizacji zaproponowano następujące cele cząstkowe: 1. Ocena zasobów dostępnej biomasy i jej transportu oraz kosztów. 2. Opracowanie modelu zarządzania logistyką biomasy w oparciu o sieci neuronowe w warunkach polskich, co pozwoli na dostarczenia biomasy do wybranego przedsiębiorstwa energetycznego w sposób wydajny i ekonomiczny. 3. Pokazanie możliwości zagospodarowania biomasy odpadowej na przykładzie lignocelulozy.. 12.

(13) 4. Symulacje modelowe zarządzaniem materiałem uzupełniającym (piasek) dostawy biomasy są niezbędne dla prawidłowej pracy bloku energetycznego. W zarządzaniu dostawami biomasy powinno uwzględniać się kluczowe czynniki występujące w całym łańcuchu wartości poszczególnych procesów jednostkowych. Tak skomplikowany i rozbudowany system wymaga koordynacji w czasie i przestrzeni z wykorzystaniem nowoczesnych modeli z wykorzystaniem sieci neuronowych. Zarządzanie powinno być powiązane z zaopatrzeniem przedsiębiorstwa energetycznego z dostawami dodatkowego materiału (piasku) niezbędnego do właściwej eksploatacji bloku energetycznego. Dostępność biomasy jest jednym z kluczowy czynników wpływających na rynek energetyczny.. Stąd. dalszy. wzrost. wykorzystania. biomasy. będzie. bazował. na. niestandaryzowanych i niekomercyjnych biomasach odpadowych, o najniższej cenie rynkowej, jednak poziom ich dostaw powinien uwzględniać aspekty środowiskowe np.. wpływ transportu na środowisko. Dla realizacji tez pracy, bazując na doświadczeniach i danych z rynku europejskiego, oceny podaży różnych rodzajów biomasy w Polsce i UE, a także uwzględniając oceny techniczno-ekonomiczne i środowiskowe opracowano założenia modelu logistyki biomasy z wykorzystaniem sztucznej inteligencji (AI). Stanowi on oryginalne podejście autorki w temacie zarządzania logistyką biomasy na cele energetyczne zwłaszcza, że zebrane dane zostały opracowane z wykorzystaniem sieci neuronowych. Aby zoptymalizować transport biomasy uwzględniono również odległość dostawców od wybranej elektrociepłowni. Opracowany model stanowi narzędzie do modelowania dostaw biomasy i ma funkcję utylitarną i może być wykorzystany na poziomie operacyjnym w procesach zarządzania, gdyż mając aktualne informacje o sytuacji u dostawców biomasy oraz bieżące na nią zapotrzebowanie można w sposób ciągły optymalizować dostawy i zarządzać bazą surowcową. W modelu uwzględniono również koszty produkcji biomasy oraz jej parametry fizykochemiczne. Wszystkie opisane elementy składają się na kompleksowy projekt bazy surowcowej. Zaproponowany algorytm i model został. ujęty w pełną infrastrukturę. informatyczną. Model AI jest symulacją łańcucha logistycznego od źródła do odbiorcy. Składa się on z sieci modułów operacyjnych, w tym warstwy wejściowej, warstwy ukrytej oraz warstwy wyjściowa tworząc kompletną sieć łańcucha logistycznego biomasy. Cały system jest środowiskiem dynamicznym, a nie statycznym. Oznacza to, że w sytuacji zmian istotnych parametrów (rynkowych, cen na biomasę, zapotrzebowania na biomasę, jej zmiennych parametrów fizyko-chemicznych) nie będzie konieczność częstego odnawiania systemu. 13.

(14) 1. Uwarunkowania dostępności biomasy na cele energetyczne w Polsce wraz z prognozą zapotrzebowania 1.1.. Charakterystyka i klasyfikacja biomasy. Konwencjonalne nośniki energii ulegają stopniowemu wyczerpaniu, a także ograniczaniu stosowania, szczególnie w krajach UE, ze względu na zwiększające się wymagania z zakresu ochrony środowiska.. Zwiększający się poziom życia, a także. przewidywany przyrost liczby ludności powoduje iż utrzymuje się stałe zapotrzebowanie na energię. Wskaźniki zapotrzebowania na energię, w przeliczeniu na 1 mieszkańca w różnych częściach świata są wprawdzie zróżnicowane (Tabela 1), ale wszędzie wciąż rosną. Zastosowanie energooszczędnych urządzeń gospodarstwa domowego, czy produkcja zużywających mniej paliwa samochodów nie prowadzi do mniejszego zapotrzebowania na energię w ogóle - tj. na świecie, czy w danym kraju - choć w pojedynczych gospodarstwach domowych taka oszczędność występuje. Tabela 1. Produkcja brutto energii elektrycznej w przeliczeniu na 1 mieszkańca [2]. Kraj Zapotrzebowanie energetyczne kWh/mieszkańca Polska 4 146 Ukraina 4 220 Niemcy 6 332 Republika Czeska 8 639 Stany Zjednoczone 13 606. Warto w tym miejscu podkreślić, że największe zapotrzebowanie na energię w bilansie kraju, czy świata występuje w przemyśle. Ogromne ilości energii potrzebuje też transport towarowy, a nie tylko osobowy, jak się często to eksponuje.. Należy zatem określać i. analizować sprawność energetyczną produkcji i przetwarzania biomasy, a następnie jej zastosowania jako nośnika energii. Na przykład, w warunkach europejskich sprawność energetyczna produkcji mleka wynosi mięsa wołowego 0,06-0,12, mięsa wieprzowego 0,200,26; oznacza to, oczywiście, że ilość energii zawarta w produkcie końcowym jest znacznie mniejsza niż ilość energii potrzebnej do jego wytworzenia [3]. Sprawność energetyczna fotosyntezy, jako procesu wiązania energii słonecznej w masę roślinną, wynosi zaledwie ok. 14.

(15) 0,5-1%. Zatem z około 3600 MJ energii jakie dociera do powierzchni 1m2 Ziemi w ciągu roku, w naszej szerokości geograficznej, możemy uzyskać (brutto) ok. 0,5-10 kWh/m/rok. Mówimy tu o tzw. plonie użytkowym, a nie plonie biologicznym, gdzie ilość energii związanej w biomasie może wynosić ponad 5% [4]. Plon użytkowy, to ten jaki możemy wykorzystać (łodygi, nasiona, bulwy, gałęzie itd.), podczas gdy plon biologiczny obejmuje te fragmenty roślin, jakie nie są zbierane (np. korzenie roślin, liście itp.) Zakładając, że teoretycznie z powierzchni 1m2 można zgromadzić w biomasie 5-10 kWh energii, a sprawność wytwarzania i dystrybucji energii elektrycznej wynosi łącznie ok. 35%, to dla wyprodukowania ok. 4500 kWh energii, jaką zużywa się w Polsce w ciągu roku, w przeliczeniu na 1 mieszkańca należałoby przeznaczyć ok. 2570 m2 powierzchni uprawnej (4500 kWh/rok: 5 kWh/m2/rok: 0,35) - 1285 m2 (4500 kWh/rok: 10 kWh/m2/rok: 0,35), tj. ok. 0,13-0,26 hektara powierzchni na wytworzenie biomasy, jako jedynego paliwa w elektrowniach. Obliczenie to ma jedynie charakter szacunkowy. Sprawność fotosyntezy jest zatem bardzo mała, zwłaszcza jeśli porównać ja ze sprawnością urządzeń do pozyskania energii innymi sposobami. Sprawność maleje jeszcze, gdy energia chemiczna w biomasie przetwarzana jest na inny rodzaj energii (np. ciepło, czy energię elektryczną) [5]. W Tabeli 2 pokazano sprawność energetyczną niekonwencjonalnych metod gromadzenia i przetwarzania energii słonecznej w biomasie. Tabela 2. Sprawność energetyczna niekonwencjonalnych metod gromadzenia i przetwarzania energii słonecznej w biomasie [6]. Metoda Sprawność energetyczna [%] Fotoogniwa 13,33 Kolektory słoneczne 36,19 Ciepło z biogazu (kukurydza) 0,37 Energia elektryczna z biogazu (kukurydza) 0,15 Energia elektryczna ze spalania drewna 0,02. Z energetycznego punktu widzenia następujące argumenty przemawiają za wykorzystaniem biomasy na cele energetyczne: • energię słoneczną, skumulowaną w biomasie, można magazynować tak długo, jak to jest potrzebne i nie ulega rozproszeniu, • energię słoneczną, skumulowaną w biomasie można łatwo transportować w dowolnym momencie i dowolne miejsce typowymi środkami transportu, • istnieją stosunkowo nieskomplikowane sposoby technologicznego jej przetwarzania w biopaliwa gazowe, płynne i stałe o parametrach użytkowych zbliżonych do paliw konwencjonalnych — co umożliwia zastosowanie biopaliw w urządzeniach 15.

(16) technicznych konstrukcyjnie przystosowanych do spalania paliw konwencjonalnych (silnikach spalinowych, kotłach). System analizy nakładów i kosztów na wytwarzanie biomasy rozumiany jest jako zespół elementów wzajemnie ze sobą powiązanych i realizujących określony cel. W takim definicyjnym ujęciu system wytwarzania i przetwarzania biomasy oznacza czynności, jakie należy wykonać w określonej kolejności, aby wytworzyć w efekcie tych czynności biopaliwo (gazowe, płynne lub stałe). Analiza ma wykazać, że czynności składające się na daną technologię produkcji są uzasadnione — energetycznie i finansowo. Wynik takiej analizy jest podstawą podejmowania decyzji, czy daną technologię produkcji należy wprowadzić, czy też z niej zrezygnować. W istocie podjęcie decyzji o produkcji biomasy i przetwarzanie w biopaliwa nie różni się niczym od podejmowania decyzji w każdej innej działalności gospodarczej [7].. 1.1.1. Definicja oraz rodzaje i formy wykorzystania biomasy Biomasa poszczególnych gatunków roślin energetycznych znacząco różni się zarówno zawartością popiołu, jak i jego składem pierwiastkowym. Szczególnie istotna jest zawartość metali alkalicznych i chloru, warunkujących m.in. obniżenie temperatury topliwości popiołu. Zróżnicowanie to należy brać pod uwagę planując wykorzystanie biomasy w procesie spalania lub współspalania z węglem. Biomasa może być używana do celów energetycznych w następujących formach [8]: •. przetworzonych mechanicznie w nieznacznym stopniu, jak drewno surowe, słoma, zrębki, znacznym stopniu obróbki mechanicznej: brykiety, pelety, po obróbce mechanicznej i cieplnej: węgiel drzewny; paliw gazowych: biogazu,. •. gazu z procesu pirolizy oraz zgazowania,. •. paliw ciekłych z chemicznego przetworzenia biomasy (np. oleje, alkohole). Głównymi pierwiastkami chemicznymi, tworzącymi biomasę są węgiel, wodór i tlen.. Występują one w biomasie w postaci związków nazywanych sacharydami i polisacharydami (węglowodany, wielocukry). Dzieli się je na monosacharydy, czyli cukry proste, oligosacharydy, w których skład wchodzi od 2 do 10 monosacharydów oraz polisacharydy zbudowane z dużej liczby monosacharydów (nawet rzędu 1000). Dla procesów energetycznego wykorzystania biomasy kluczowe znacznie mają polisacharydy, z których najważniejsze to celuloza, hemiceluloza [9]. 16.

(17) Celuloza jest najważniejszym polisacharydem, pełniącym funkcję budulca. Tworzy ona ścianki komórek roślinnych. Ma postać białych, elastycznych włókien, nie posiada smaku i zapachu, nie rozpuszcza się w wodzie. Poza celulozą i hemiceluloza biomasa zawiera również ligninę - polimer o dużym ciężarze cząsteczkowym, w której skład wchodzą nienasycone alkohole i fenole.. 1.1.2. Właściwości biomasy jako paliwa oraz korzyści z jej stosowania Planowanie łańcucha dostaw w sektorze produktów leśnych obejmuje szeroki zakres złożonych decyzji na różnych poziomach planowania, które zazwyczaj są podejmowane i wspierane przy pomocy narzędzi wspomagających podejmowanie decyzji opartych na optymalizacji i modelowaniu. Efektywne projektowanie i planowanie leśnych zakładów energetycznych wykorzystujących biomasę oraz zarządzanie nimi odgrywa kluczową rolę w obniżaniu kosztów wytwarzania energii oraz w uczynieniu z niej realnego źródła energii. Takie modelowanie przepływu biomasy z miejsc jej pozyskiwania do wybranej wymaga znajomości jej właściwości fizykochemicznych. Model winien również uwzględniać możliwości dostaw innych paliw, np. osadów ściekowych oraz odpadów komunalnych. Do szczegółowej analiza struktury kosztów, a zwłaszcza przy wyborze dostawcy potrzebna jest znajomość przede wszystkim wartości opałowej i zawartości wilgoci w biomasie. Te parametry uwzględnione zostaną w dalszej części pracy przy modelowaniu z użyciem sieci neuronowych. Zawartość wilgoci i wartość opałowa są najważniejszym sterowalnymi parametrami w określaniu wydajności transportu biomasy. Wilgotność jest kluczowym atrybutem biomasy drzewnej, zmniejszenie ilości wody w drewnie obniża koszty transportu (więcej drewna i mniej wody może być dostarczone na jeden ładunek) i zwiększa efektywność spalania, ponieważ mniej energii jest potrzebne podczas spalania do odparowania wody. Wysoka zawartość wilgoci. zwiększa również masę i koszt transportowanego materiału oraz prowadzi do. większego zapotrzebowania na biomasę. Ponadto zwiększa liczbę potrzebnych transportów oraz objętość popiołu, który należy zdeponować po zakończeniu procesu przetwarzania. Suszenie poprzez magazynowanie zwiększa zawartość energii w biomasie i zmniejsza objętość pozyskiwanego surowca. W związku z tym, aby zapewnić dostępność wysokiej jakości biomasy w krótkim okresie, łańcuchy dostaw biomasy powinny być zaprojektowane w taki sposób, aby promować również naturalne suszenie drewna w trakcie procesów jego pozyskiwania jako metodę efektywną pod względem kosztów. Chociaż korzystanie z terminali 17.

(18) może poprawić jakość biomasy poprzez zminimalizowanie jej zawilgocenia, a tym samym zwiększenie zawartości energii, ale wydaje się iż włączenia terminali do łańcucha dostaw będzie kosztowo nieopłacalne. Typowy skład masowy biomasy roślinnej przedstawia się następująco [10]: •. celuloza: 40 - 50%,. •. hemiceluloza: 20 - 30%,. •. lignina: 20 - 25%,. •. popiół: l - 5%. Każdy ze składników ma inną wartość opałową, która orientacyjnie wynosi dla. hemicelulozy 16,2 MJ/kg, celulozy 17,3 MJ/kg, ligniny - 28,8 MJ/kg i żywic 36,0 MJ/kg. Średnia wartość opałowa suchej masy drewna wynosi 18,5 MJ/kg. Budowa chemiczna oraz właściwości fizyczne biomasy mają kluczowe znaczenie dla przebiegu oraz konwersji termicznej tego paliwa, takich jak spalanie czy zgazowanie. Zasadniczy wpływ na wartość opałową biomasy ma udział wilgoci. W Tabeli 3 przedstawiono wybrane właściwości fizykochemiczne biomasy.. Własności fizykochemiczne biomasy powodują, że jest ona. trudnym paliwem do spalania w kotłach energetycznych. Różni się ona znacznie od innych paliw kopalnych, a ponadto jej skład i właściwości mogą być zmienne w różnych dostawach. W praktyce przydatność biomasy określa się obecnie głównie eksperymentalnie na drodze długookresowych testów. W literaturze brak jest prostych modeli, które pozwalałyby przewidzieć wszystkie efekty pracy kotłów energetycznych zasilanych biomasą, co jest konieczne do wykonania projektów układu i instalacji towarzyszących. Stąd w Tabeli 7 zamieszczono właściwości tych paliw, które można wykorzystać przy modelowaniu logistycznym biorąc pod uwagę ich parametry i dostępność.. 18.

(19) Tabela 3. Właściwości fizykochemiczne biomasy [11]. Udział wilgoci (materiał surowy), % 50-60 45-55. Wartość opałowa substancji suchej, MJ/kg s. m. 18,5-20 18,5-20. Wartość opałowa substancji wilgotnej, MJ/kg 6-9 6-9. Gęstość nasypowa, kg/m3. Zrębki z pnia. 40-55. 18,5-20. 6-9. 250-350. Zrębki z pnia. 30-50. 18,5-20. 6-9. 200 – 300. Zrębki z pniaka. 50-65. 18,5-20. 6-9. 250-350. Zrębki z tarcicy. 10-50. 18,5-20. 6-9. 150-300. Odpad z cięcia piłą. 45-60. 18,5-20. 6-10. 250 – 350. Pył z cięcia piłą. 45-60. 19-19,2. 6-10. 250-350. Zrębki z cięcia tarcicy Pył z mielenia tarcicy. 5-15. 19-19,2. 13-16. 80-120. 5-15. 19- 19,2. 15-17. 100-150. Odpady ze sklejki. 5-15. 19-19,2. 15-17. 200-300. Tarcica. 15-30. 18-19. 12-15. 150-250. Słoma żółta sieczka. 15. 18,2. 14,4. 50-80. Słoma szara sieczka. 15. 18,2. 15. 50-80. Rodzaj biomasy. Zrębki z gałęzi Zrębki z całego drzewa. odpadów. 250 – 400 250-350. Biomasa ma pewne uwarunkowania w aspekcie jej termicznego wykorzystania: •. stosunkowo duża zawartość wilgoci,. •. duża zawartość substancji lotnych (ok. 70-86% w odniesieniu do substancji suchej),. •. stosunkowo niska temperatura wymagana dla inicjacji procesów fizykochemicznych,. •. istotny udział etapu odgazowania (pirolizy) w całkowitym procesie konwersji termicznej,. •. stosunkowo duża szybkość procesów fizykochemicznych,. •. stosunkowo mała zawartość popiołu,. •. obecność takich składników mineralnych, jak wapń Ca, sód Na, potas K i fosfor P, a także chlor Cl,. •. inny od węgla skład popiołu (dominujące z węgla: SiO2, i Fe2O3; z biomasy: CaO, K2O i SiO2),. •. niższa niż dla węgla temperatura mięknięcia popiołu (nie dla wszystkich rodzajów biomasy), powstawanie w procesie obróbki termicznej substancji smolistych (węglowodorów wyższych rzędów), par metali alkalicznych, amoniaku, związków siarki, związków chloru,. •. stosunkowo niska gęstość nasypowa,. •. wymagana odpowiednia logistyka zapewnienia ciągłości dostaw,. •. znaczne wymagania transportu i składowania. 19.

(20) Istotnym elementem charakterystyki biomasy jest udział w niej substancji niepożądanych, głównie zanieczyszczeń. Powodują one zwykle w systemie poważne problemy korozyjne i erozyjne, a także pojawianie się osadów na powierzchniach wymienników ciepła. Stąd też zwykle występuje konieczność oczyszczania gazów np. przy zgazowaniu czy pirolizie, z których usuwane są substancje smoliste, związki siarki, amoniak, a także substancje alkaliczne. W przypadku biomasy mogą również wystąpić problemy spowodowane niższą niż dla innych paliw temperaturą mięknięcia popiołu. Analiza chemiczna popiołów ze spalania biomasy wykazuje obecność następujących związków i ich grup CaO, A12O3, Fe2O3, Na20, H20, MgO, fosforany, węglany (przeliczone na CO2). Przykładowo, mieszanina eutektyczna CaSO4CaS ma temperaturę topnienia 850°C. Niższe temperatury topnienia mają Na2S2O7 (401°C), K2S2O7 (325°C), Na3K3Fe2(SO4)6 (552°C), Na2SO4-NaCl (625°C) i Na2S-FcS (640°C). Zwiększenie ryzyka powstawania osadów na powierzchniach ogrzewalnych występuje zatem przy spalaniu paliw bogatych w sód Na i potas K. Udział popiołu w zależności od rodzaju biomasy mieści się w przedziale od poniżej l% do nawet kilkunastu procent. Również udział poszczególnych składników popiołu jest inny dla różnych rodzajów biomasy. Większym udziałem popiołu charakteryzują się rośliny trawiaste, mniejszym biomasa drzewna. W Tabeli 4 przedstawiono udział podstawowych zanieczyszczeń w biomasie. Tabela 4. Zanieczyszczenia we wsadzie (udziały masowe) [12]. Rodzaj Biomasa drzewna, odpady z Wierzba, słoma zanieczyszczenia zakładów papierniczych. Osady ściekowe, odpady komunalne. Popiół, %. 1-5. 4-11. 10-45. Siarka, %. <0,1. 0,1-0,3. 0,1-1. 0,4 - 0,7. 0,5-3. 0,5-6. <0,1. 0,1 -0,25. 0,1-1. 0,05 - 0,4. 0,3-3. n. a.. Azot, % Chlor, ,% Metale alkaliczne (Na+K). W procesie konwersji termicznej biomasy, ze względu na duży udział wilgoci i substancji lotnych, wyróżnić można następujące fazy: •. do temperatury 170°C następuje odparowanie wody,. •. w przedziale temperatur od 170 do 270°C rozpoczyna się wydzielanie gazów (CO, CO2), powstaje przy tym także niewielka ilość par zawierających kwas octowy i metanol oraz zaczynają się wydzielać w małych ilościach substancje smoliste (węglowodory wyższych rzędów), 20.

(21) •. w temperaturach z przedziału od 270 do 280°C zmniejsza się wydzielanie CO2 i CO, a zwiększa się wydzielanie metanolu, kwasu octowego i węglowodorów, proces zaczyna nabierać charakteru egzotermicznego (proces z wydzieleniem ciepła),. •. w temperaturach od 280 do 400°C zaczyna wydzielać się wodór, następuje wydzielanie bardzo dużych ilości węglowodorów,. •. powyżej temperatury 500°C rozpoczyna się dysocjacja węglowodorów i następuje wzbogacanie gazu w wodór, równocześnie zwiększa się ilość wydzielanego tlenku węgla. Reakcje spalania węglowodorów wyższych rzędów charakteryzują się mniejszymi. szybkościami spalania, co powoduje, że czas reakcji ulega wydłużeniu. Różnica wartości opałowej drewna różnych gatunków drzew jest niewielka. Udział różnych składników, a także to, jaka to jest część drzewa (kora itd.), również nie mają większego wpływu na wartość opałową. W przypadku, gdy zawartość wilgoci wynosi 0%, przyjmuje się, że wartość opałowa paliwa drzewnego wynosi około 19 GJ na tonę suchej masy. W Tabeli 5 przedstawiono przykładowe wielkości wartości opałowej dla zrębków drzewnych w zależności od ich wilgotności i zagęszczenia. Ze względu na wilgotność rozróżnia się drewno w stanie świeżym, o średniej wilgotności 60-80% oraz drewno w stanie powietrzno-suchym, o wilgotności 15-25%, w zależności od pory roku. Przykładowo, wartość opałowa sosny wynosi w stanie powietrznosuchym (przy wilgotności 15-25%) 17,8-16,1 MJ/kg, a w stanie świeżym po ścięciu (przy wilgotności 80%) - 10,7 MJ/kg. W Tabeli 6 przedstawiono wartość opałową różnych gatunków drewna liściastego i drewna iglastego. Ze względu na duży udział części lotnych oraz związków aromatycznych i fenolowych stosunkowo trudne jest całkowite i zupełne spalanie drewna.. 21.

(22) Tabela 5. Wpływ zawartości wilgoci na wartość opałową zrębków [13]. Wilgoć. Gęstość Niezagęszczone. Wartość opałowa Zagęszczone. Niezagęszczone. kg s.m./m3. kg /m3. kg s.m./m3. kg /m3. MJ/m3n. MJ/m3n. 0. 450. 450. 180. 180. 2,4. 0,96. 0. 400. 400. 160. 160. 2,13. 0,85. 30. 450. 600. 180. 234. 2,1. 0,82. 30. 400. 520. 1l60. 2081. 1,81. 0,73. 40. 450. 630. 180. 252. 1,83. 0,73. 40 50. 400 450. 560 675. 160 180. 224 270. 1,62 1,55. 0,65 0,62. 50. 400. 600. 160. 240. 1,38. 0,55. %. Tabela 6. Wartość opałowa i gęstość różnych gatunków drewna liściastego [14]. Rodzaj drewna Gęstość Wartość opałowa, kJ/kg 3 kg/m Brzoza Buk Dąb Grab Jawor Jesion Kasztan Lipa Olcha czarna Topola czarna Wiąz Drewno liściaste średnio Jodła sezonowana Jodła świeża Modrzew Sosna Świerk Wejmutka Drewno iglaste średnio. 0,6-0,7 0,7 0,69-0,74 0,77 0,63 0,71 0,52 0,45 0,65 -. 20110 20101 18598 17618 18426 18426 18837 18728 17974 17920 17849 18251. 16731 16710 15433 14600 15287 15287 15634 15542 14902 14856 14797 15948. 0,6 0,46 0,38. 193433 18820 18502 18577 19163 20410 19339. 16065 15622 15350 15417 15915 16974 16061. -. Słoma Do spalania może być użyta słoma wszystkich gatunków zbóż, rzepaku oraz gryki. W strukturze polskiej produkcji dominuje słoma: •. ze zbóż (96,2%),. •. z roślin oleistych takich jak np. rzepak (5,1%),. •. z roślin strączkowych (2,3%). 22.

(23) Ze względu na właściwości najbardziej przydatna jest słoma żytnia, pszenna, rzepakowa i gryczana oraz słoma i osadki kukurydzy. Słoma owsiana ze względu na bardzo niską temperaturę topnienia popiołu nie jest zalecana jako paliwo. W porównaniu z innymi nośnikami energii słoma jest niewygodnym surowcem energetycznym. Stanowi ona materiał niejednorodny i posiada niższą wartość energetyczną w odniesieniu do jednostki objętości. Zwiększona zawartość krzemu i potasu powoduje problemy ze spiekaniem i usuwaniem żużla z paleniska. Wilgotność słomy zależy od gatunku rośliny, sposobu zbioru, transportu i magazynowania tego surowca. Zbyt wysoka wilgotność słomy wiąże się z problemami jej magazynowania, transportu, rozdrabniania oraz podczas podawania do kotła. Słoma świeża zawiera zwykle wiele metali alkaicznych i związków chloru, które przyśpieszają procesy korozji i powodują powstawanie osadów na powierzchniach. Słoma wykorzystywana do celów energetycznych powinna być poddawana procesowi więdnięcia, podczas którego opady atmosferyczne wymywają szkodliwe związki. Stopień zwiędnięcia mówi o czasie pozostawania słomy na polu i poddawaniu jej zmiennym warunkom atmosferycznym, a potem wysuszeniu. Słoma o dużym stopniu zwiędnięcia to tzw. słoma szara. Jest ona bardziej przydatna do celów energetycznych niż słoma świeża. Ostatecznie na przydatność słomy do procesu produkcji energii wpływają: •. wartość opałowa,. •. wilgotność,. •. stopień zwiędnięcia.. Wierzba krzewiasta Wierzba krzewiasta jest rośliną wieloletnią należącą do rodziny wierzbowatych (Salicaceae). Charakteryzuje się szybkim przyrostem masy organicznej, znacznie wyższym niż inne gatunki drzew. Do uprawy wykorzystywać można różne gatunki wierzb krzewiastych szybko rosnących: Salioc viminalis wierzba wiciowa, Salioc triandra wierzba migdałowa, Salioc purpurea wierzba purpurowa oraz liczne hybrydy międzygatunkowe (tzw. wiklina). Najodpowiedniejszymi do uprawy w Polsce na glebach mineralnych są formy z gatunku Salix viminalis i jej krzyżówki, nazywane wierzbą energetyczną. Są to rośliny krzewiaste, osiągające wysokość do 8 m. Cechą charakterystyczną tej odmiany jest duża dynamika wzrostu [15]. Produkcja prawidłowo założonej plantacji powinna trwać co najmniej 15-20 lat z możliwością 5- do 8-krotnego pozyskiwania drewna suchego w ilości 10 -15 Mg s.m./ha/rok (s.m. -sucha 23.

(24) masa). Plon wierzby krzewiastej w cyklu rocznym kształtuje się na poziomie 32 Mg/ha (masa wilgotna), w cyklu dwuletnim około 64 Mg/ha, a w cyklu trzyletnim około 120 Mg/ha.. Topola Topola, podobnie jak wierzba energetyczna, należy do rodziny wierzbowatych. Jest najszybciej rosnącym drzewem w naszych warunkach klimatycznych. Posiada ona zbliżone znaczenie użytkowe jak wierzba [16]. Do swego wzrostu wymaga dużo wilgoci i światła, dzięki czemu rozwija się głównie w dolinach rzek. Drewno z upraw topoli jest pozyskiwane w cyklach 4- do 6-letnich, a jego uzysk roczny wynosi 6 do 12 Mg s.m./ha. Róża wielokwiatowa Roślina nadająca się do uprawy na plantacjach energetycznych. Pędy osiągają 4 do 6 m długości, a wydajność uprawy wynosi około 10 - 15 ton z ha. Wykorzystuje się ją zwykle w postaci zrębków lub brykietów. Obecnie w kraju mamy jedynie plantacje badawcze tej rośliny.. Malwa pensylwańska Znana również pod nazwą ślazowiec pensylwański, jest rośliną dwuliścienną, wieloletnią, rosnąca w kępach łodyg o średnicy 5 do 30 mm i wysokości do 3 m. Roślina ta jest podobna do malwy polskiej i wikliny. Malwa obok wierzby jest jedną z głównych roślin przeznaczona do upraw na cele energetyczne. Ze względu na małą gęstość i dużą wilgotność dla opłacalności upraw wymagany jest duży obszar, szacowany na przynajmniej 100 ha. Roślina ta nie wykazuje szczególnych wymagań klimatycznych i można ją uprawiać praktycznie w całej strefie klimatu umiarkowanego. Malwa ma także niewielkie wymagania glebowe i można uprawiać ją nawet na glebach klas IV i V. Nie oznacza to jednak, że roślina ta będzie dawać takie same plony niezależnie od miejsca uprawy. Na słabej glebie z l ha można zebrać 15 - 20 Mg s.m., a na glebach klas I i II nawet do 50 Mg s.m.. Miskant olbrzymi Miscanthus gigantheus roślina trawiasta, wywodząca się z rodzaju Miscanthus. Jest to trawa kępowa o rozwiniętych korzeniach (do 2,5 m) i wysokości do 3,5 m. Roślina ta charakteryzuje się dużą dynamiką wzrostu, dużą wydajnością upraw (około 6 do 24 Mg s.m./ha w zależności od rodzaju gleby) i stosunkowo dużą odpornością na niskie temperatury. Koszt pozyskania miskanta jest porównywalny z kosztem pozyskiwania wierzby. Przy odpowiedniej 24.

(25) uprawie można uzyskać około 8 Mg s.m. /ha już w pierwszym roku uprawy, a w trzecim nawet do 30 Mg. Ze względu na wysoką wartość opałową (wyższą od 19 MJ/kg) jest to jedna z ważniejszych roślin przeznaczonych dla energetyki.. Miskant cukrowy Roślina trawiasta osiągająca wysokość l do 2,5 m o sztywnych, wypełnionych rdzeniem źdźbłach i rozbudowanym, sięgającym do 2,5 m w głąb ziemi, systemie korzeniowym.. Spartina preriowa Amerykańska roślina trawiasta o dużych zdolnościach adaptacyjnych. Rośnie zarówno w warunkach suchych, jak i wilgotnych. Rośnie w kępach pędów o wysokości do 2 m, pokrytych długimi i szerokimi liśćmi.. Odpadowe substancje organiczne Uboczne produkty organiczne to: osady ściekowe, odpady komunalne, przemysłowe produkty uboczne - odpady zawierające substancje organiczne w ilości około 50% suchej masy charakteryzują się zbliżoną do biomasy wielkością zakumulowanej energii chemicznej [17]. Określenie składu chemicznego odpadów o charakterze organicznym, czy ich struktury chemicznej jest utrudnione, a nawet niemożliwe. Skład tych odpadów jest uzależniony od zastosowanego procesu technologicznego (przemysł chemiczny, petrochemiczny, przemysł ciężki) i pochodzenia (osady ściekowe, odpady komunalne). Tabela 7 przedstawia przykładowy skład chemiczny osadów ściekowych i odpadów komunalnych. Należy zwrócić szczególną uwagę na dużą zawartość części lotnych oraz zawartość wodoru i węgla, porównywalną do drewna. Zastosowanie nieodpowiedniej technologii termicznego przetwarzania odpadów komunalnych może powodować szereg problemów eksploatacyjnych (korozja, erozja), jak i również może być przyczyną emisji dioksyn i furanów, co spowodowane jest znaczną zawartością chloru w odpadach. Cechą charakterystyczną osadów ściekowych jest zróżnicowany stopień zagrożenia sanitarnego, największy w przypadku osadów surowych wstępnych, najmniejszy dla osadów ustabilizowanych i zhigienizowanych (poddanych pasteryzacji, wapnowaniu i suszeniu) [18]. Do głównych cech, które stawiają w wątpliwość możliwość wykorzystania osadów, należy zwiększona zawartość metali ciężkich, silnie toksycznych związków chemicznych pochodzenia organicznego, organizmów chorobotwórczych i innych. 25.

(26) Niebezpieczne dla zwierząt i ludzi może być bakteriologiczne skażenie osadów ściekowych. W osadach stwierdza się obecność szczególnie niebezpiecznych dla człowieka drobnoustrojów. W Tabeli 7 pokazano właściwości fizykochemiczne osadów ściekowych oraz odpadów komunalnych [19]. Tabela 7. Właściwości fizykochemiczne osadów ściekowych oraz odpadów komunalnych [19]. Właściwości Odpady komunalne Osady ściekowe Zawartość wilgoci [%]. 0,5. 6,8. Zawartość popiołu [%] Zawartość części lotnych [%] Zawartość C [%] Zawartość H [%]. 54,95 6,56. 16,2 57,2 30,33 3,87. Zawartość N [%] Zawartość S [%] Zawartość Cl [%] Zawartość H/C [%]. 0,32 0,12 0,231 1,42. 4,92 1,16 0,06 1,52. Wartość opałowa [kJ/kg]. 20 682. 11 836. Powyższa analiza wskazuje, iż w zasadzie jedynymi dostępnym asortymentami będą zrębki z drewna opałowego, odpadowego i pozrębowego. Sytuacja ta nakazuje wzmocnić starania o zaopatrywanie się w potrzebne ilości surowca z zasobów biomasy rolniczej. Rzecz jednak w tym, że nigdzie w Europie powierzchnia wieloletnich upraw energetycznych nie rośnie z uwagi na niską opłacalność produkcji oraz kosztowność maszyn do zbioru biomasy. Trzeba w tym kontekście wyraźnie stwierdzić, że powierzchnia upraw roślin energetycznych nie będzie rosła bez aktywnego angażowania się energetyki we współtworzenie własnych baz surowcowych. Mając na względzie opisywaną sytuację w tym podrozdziale można więc jedynie przedstawić jaki jest potencjał upraw wieloletnich roślin energetycznych w Europie. Według wyniku europejskiego projektu REFUEL5 [20] areał gruntów możliwych do wykorzystania Europie do założenia plantacji wieloletnich, wyrażony w % powierzchni użytków rolnych, jest wyraźnie zróżnicowany (Rys. 1).. 26.

(27) Rys. 1. Potencjalny udział powierzchni plantacji roślin energetycznych w powierzchni użytków rolnych [20].. Procentowo jest on największy w Polsce i na Ukrainie. W Polsce na jednego mieszkańca przypada około 0,41 ha użytków rolnych, a w UE wartość ta wynosi zaledwie 0,19 ha. Z tego względu Polska może mieć istotny udział w produkcji biomasy na cele energetyczne. Z drugiej strony według analiz wykonanych w IUNG PIB [4] wynika, że bez szkody dla produkcji żywności, polskie rolnictwo może przeznaczyć do 2020 r. 0,6 mln ha pod produkcję zbóż na bioetanol, 0,4 mln ha pod produkcję rzepaku na biodiesel, oraz około l mln ha pod produkcję biomasy dla potrzeb energetyki zawodowej (Krajowy Plan Działania w Zakresie Energii ze Źródeł Odnawialnych 2010). Warto jednak zaznaczyć, że ze względu na wymagania UE dotyczące ochrony bioróżnorodności powierzchnia upraw roślin energetycznych nie powinna być większa niż 15% całkowitej powierzchni użytków rolnych. W efekcie. można spodziewać się,. prawdopodobnie największym rynkiem biomasy w Europie będzie Ukraina.. 27. że.

(28) 1.2. Wybrane regulacje i bariery prawne Poniższe najnowsze akty prawne, dokumenty oraz źródła danych omawiają aktualną sytuację biomasy na rynku energii: •. Ustawa z 19 lipca 2019 r. o zmianie ustawy o odnawialnych źródłach energii oraz niektórych innych ustaw;. •. ocena Skutków Regulacji z dnia 19 lutego 2018 r. do projektu ustawy o zmianie ustawy o odnawialnych źródłach energii oraz niektórych innych ustaw;. •. ocena Skutków Regulacji z dnia 8 marca 2018 r. do projektu ustawy o zmianie ustawy o odnawialnych źródłach energii oraz niektórych innych ustaw. Definicja drewna energetycznego pojawiła się dopiero w 2019 r. w ustawie o OZE – i. jest to „surowiec drzewny, który ze względu na cechy jakościowo-wymiarowe posiada obniżoną wartość techniczną i użytkową uniemożliwiającą jego przemysłowe wykorzystanie, a także surowiec drzewny stanowiący biomasę pochodzenia rolniczego. Długo oczekiwany przez branżę projekt, który ma istotne znaczenie w kontekście pozyskiwanego przez wytwórców ciepła i energii z biomasy „leśnej” wsparcia w postaci zielonych certyfikatów, pojawił się na stronach RCL pod koniec stycznia br. Projekt stanowi realizację upoważnienia ustawowego zawartego w art. 119a ustawy z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii (Dz. U. z 2018 r. poz. 2389, z późn. zm.). W rozporządzeniu przyjęto kryteria, które pozwolą zaklasyfikować jako drewno energetyczne surowiec drzewny w postaci: •. drewna okrągłego (gdy spełnia co najmniej jedną z wymienionych w rozporządzeniu cech jakościowo-wymiarowych),. •. drewna łupanego (gdy spełnia co najmniej jedną z wymienionych w rozporządzeniu cech jakościowo-wymiarowych),. •. pozostałości drzewnych (sortyment, który swoim zakresem obejmuje: drewno małowymiarowe, chrust, igliwie i liście, korę, korzenie i karpy, drewno o minimalnej średnicy w górnym końcu co najmniej 5 cm bez kory (7 cm w korze), którego długość oraz cechy jakościowe nie pozwalają na zaklasyfikowanie go do pozostałych sortymentów zaliczanych do drewna użytkowego),. •. karpiny,. 28.

(29) •. pozostałości poprodukcyjnych (w tym odpady, będące efektem przerobu drewna – powstających w zakładach przerobu czystego drewna: trociny, wióry, zrębki, zrzyny, szczapy, lub pochodzące z przetworzenia tych postaci, w tym brykietów i peletów),. •. odpadów czystego drewna poużytkowego. (pochodzące. w szczególności. z. niezanieczyszczonych palet drewnianych i innych niezanieczyszczonych opakowań drewnianych), •. odpadów innych niż ww., a w szczególności inne niż niebezpieczne odpady z przetwórstwa drewna oraz z produkcji płyt, mebli, papieru, tektury itp. Celem rozporządzenia przygotowanego przez Ministerstwo Środowiska jest. doprecyzowanie definicji zawartej w ustawie poprzez określenie cech jakościowowymiarowych. Te cechy są następujące: 1) średnica górna drewna powinna być mniejsza niż 7 cm w korze lub 5 cm bez kory - dla długości drewna do 3 m; 2) krzywizna jednostronna drewna powinna wynosić minimum 12 cm na metr bieżący lub krzywizna wielostronna drewna powinna wynosić minimum połowę krzywizny jednostronnej drewna; 3) zgnilizna miękka drewna powinna wynosić łącznie minimum 30 % powierzchni przekroju obu czół drewna lub minimum 50 % powierzchni przekroju jednego z czół drewna; 4) brunatnica i zaparzenie powinny obejmować minimum 50 % powierzchni przekroju jednego z czół drewna: 5) występowanie ciał obcych w drewnie: 6) występowanie zwęglenia. Ministerstwo Środowiska w uzasadnieniu projektu rozporządzenia podkreśla, że „drewno energetyczne stanowi nieprzydatny przemysłowo surowiec drzewny, to w szczególności drewno: 1) będące wynikiem działania siły wyższej, jeżeli nie znalazło ono nabywcy na inne cele; 2) przelegujące w losie, nieodebrane przez nabywcę z jego winy; 3) zdeprecjonowane w stopniu sprawiającym jego nieprzydatność do celów innych niż energetyczne, w przypadku przelegiwania wynikającego z braku nabywcy". Za drewno energetyczne zgodnie z art. 2 pkt 5-7 projektu rozporządzenia uznaje się również niektóre odpady, tym samym w odniesieniu do tych postaci drewna energetycznego zastosowanie będą miały również przepisy ustawy z dnia 14 grudnia 2012 r. o odpadach. Rozporządzenie określające cechy drewna energetycznego wejdzie w życie 14 dni po ogłoszeniu w Dzienniku Ustaw. Na razie jego projekt podlega konsultacjom. Pojęcie biomasy również uległo modyfikacji w związku z wejściem w życie ustawy z dnia 7 czerwca 2018 r. o zmianie ustawy o odnawialnych źródłach energii oraz niektórych innych ustaw (Dz. U. z 2018 r. poz. 1276; dalej: „ustawa zmieniająca”). Zgodnie z treścią znowelizowanego art. 2 pkt 3 ustawy z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii 29.

(30) (dalej: „ustawa OZE”) pod pojęciem biomasy rozumieć należy „ulegającą biodegradacji część produktów, odpadów lub pozostałości pochodzenia biologicznego z rolnictwa, w tym substancje roślinne i zwierzęce, leśnictwa i związanych działów przemysłu, w tym rybołówstwa i akwakultury, przetworzoną biomasę, w szczególności w postaci brykietu, peletu, toryfikatu i biowęgla, a także ulegającą biodegradacji część odpadów przemysłowych lub komunalnych pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, w tym odpadów z instalacji do przetwarzania odpadów oraz odpadów z uzdatniania wody i oczyszczania ścieków, w szczególności osadów ściekowych, zgodnie z przepisami o odpadach w zakresie kwalifikowania części energii odzyskanej z termicznego przekształcania odpadów;”. Prezes Urzędu Regulacji Energetyki zaleca, by gromadząc dokumenty dotyczące drewna energetycznego, wytwórcy kierowali się przede wszystkim koniecznością uzyskania potwierdzenia, iż wykorzystany materiał drzewny spełnia wymagania ustawowe definicji drewna energetycznego, tj. że ze względu na cechy jakościowo-wymiarowe posiada obniżoną wartość techniczną i użytkową, uniemożliwiającą jego przemysłowe wykorzystanie. Zmiana definicji drewna energetycznego w procedowanym projekcie ustawy o OZE, która „zalicza” biomasę pochodzenia rolniczego do drewna energetycznego, z jednej strony sankcjonuje dotychczasową praktykę stosowaną w zakresie dokumentowania biomasy na cele energetyczne, a z drugiej strony wprowadza w zakłopotanie całą branżę biomasową. Otóż, pozostałości z produkcji rolnej są obecnie kwalifikowane do tzw. biomasy Agro (po nowemu biomasy pochodzenia rolniczego). Zgodnie z obowiązującymi przepisami elektrownia musi spalić odpowiednią ilość biomasy tzw. pochodzenia leśnego oraz pochodzenia Agro. Jest to określane wymaganiem: zachowania przez instalację odnawialnego źródła energii udziału biomasy Agro w całkowitej ilości zużytej biomasy na cele OZE. Jeżeli więc, ustawodawca zalicza tę grupę do definicji drewna energetycznego, to jednocześnie zalicza ją do biomasy pochodzenia leśnego, a przez to „uszczuplił” krajową bazę biomasy agro. Według znowelizowanej ustawy o OZE udział biomasy pochodzenia rolniczego w łącznym udziale wagowym biomasy powinien wynosić 85% dla instalacji spalania wielopaliwowego oraz dedykowanych instalacji spalania wielopaliwowego o mocy zainstalowanej elektrycznej wyższej niż 5 MW, a także 10% dla dedykowanych instalacji spalania biomasy oraz układów hybrydowych o mocy zainstalowanej elektrycznej wyższej niż 20 MW. Ponadto, zgodnie z dotychczasową praktyką, w przypadku surowca drzewnego pozyskiwanego poza granicami kraju, dokumenty pozwalające na zakwalifikowanie danego rodzaju drewna jako drewna energetycznego, powinny pochodzić od organów lub instytucji z 30.

(31) kraju pochodzenia. Wobec powyższego, dokumenty te powinny zostać zalegalizowane lub zgodność przedkładanych dokumentów z prawem miejsca ich wystawienia powinna zostać potwierdzona w sposób określony w art. 3 zd. 1 Konwencji Haskiej z dnia 5 października 1961 r. znoszącej wymóg legalizacji zagranicznych dokumentów urzędowych, czyli klauzulą apostille. Polityka klimatyczno-energetyczna Unii Europejskiej znajduje odzwierciedlenie w wielu dokumentach UE, w szczególności w sukcesywnie publikowanych dyrektywach. Do najważniejszych dyrektyw w tym zakresie należy dyrektywa 2009/28/EC w sprawie promocji wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Dyrektywa ta ustanowiła wspólne ramy dla promowania energii ze źródeł odnawialnych, określiła obowiązkowe krajowe cele w odniesieniu do całkowitego udziału energii ze źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto i w odniesieniu do udziału energii ze źródeł odnawialnych w transporcie. Ustanowiła zasady dotyczące transferów statystycznych i wspólnych projektów między państwami członkowskimi oraz z krajami trzecimi, gwarancji pochodzenia, procedur administracyjnych, informacji i szkoleń oraz dostępu do sieci energii elektrycznej dla energii ze źródeł odnawialnych. Określiła ona kryteria zrównoważonego rozwoju dla biopaliw. Dyrektywa zobligowała również kraje członkowskie do opracowania Narodowych Planów Działań w sprawie Energii Odnawialnej (National Renewable Energy Action Plan, NREAP). Plany te określają indywidualne cele dotyczące wykorzystania energii odnawialnej do produkcji energii elektrycznej, ogrzewania i chłodzenia oraz transportu, w tym krajowe polityki na rzecz rozwoju zasobów biomasy oraz środki dla zapewnienia, że biopaliwa stosowane dla spełnienia celów w zakresie odnawialnych źródeł energii są zgodne z kryteriami zrównoważonego rozwoju UE. Rola biomasy w przyszłej gospodarce UE została mocno podkreślona w strategicznym dokumencie Strategy and Action Plan for lnnovating for Sustainable Growth: a Bioeconomy for Europe (COM(2012) 60), w którym stwierdzono, że biogospodarka jest kluczowym elementem inteligentnego i zielonego rozwoju Europy. Zgodnie z tym dokumentem biogospodarka w Europie posiada wielki potencjał - może utrzymywać i tworzyć wzrost gospodarczy oraz miejsca pracy na obszarach wiejskich i przemysłowych, powodować zmniejszenie uzależnienia od paliw kopalnych oraz przyczyniać się do poprawy stabilności gospodarczej i środowiskowej w głównych branżach produkcyjnych i przetwórczych. W towarzyszącym powyższej strategii dokumencie roboczym SWD(2012) zdefiniowano plan działań w obszarze biogospodarki, w którym istotne miejsce zajmują sektory przemysłowe 31.