Charakterystyka rynku kotłów na biomasę ze względu na emisyjność i dyrektywę Ecodesign (Ekoprojektu)

(1)

Instytut Techniki Cieplnej Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

Charakterystyka rynku kotłów na biomasę ze względu na emisyjność i dyrektywę

Ecodesign (Ekoprojektu)

Dr inż. Krystyna Kubica, Politechnika Śląska, Instytut Techniki Cieplnej kkubica@interia.pl

VII Forum Przemysłu Energetyki Słonecznej i Biomasy

Racibórz, 12-13 Czerwca 2014

(2)

Cele pakietu energetyczno-klimatycznego:

▪ zwiększenie efektywności energetycznej o 20%,

▪ zwiększenie udziału energii ze źródeł odnawialnych o 20%,

▪ redukcja emisji gazów cieplarnianych o 20% do końca 2020 roku.

Redukcja emisji CO

₂

, wzrost efektywności energetycznej → zazwyczaj zmniejszenie emisji zanieczyszczeń powietrza, związanych ze spalaniem paliw; poprawa jakości powietrza - zbieżność efektów.

Wzrost udziału energii ze źródeł odnawialnych – biomasy → może powodować, w zależności od zastosowanej technologii, wzrost emisji zanieczyszczeń z jej spalania; pogorszenie jakości powietrza .

Polityka klimatyczna Unii Europejskiej

- związek z jakością powietrza

(3)

Inwentaryzacja emisji w UE – główne źródła emisji PM

Pye S. at al.; Costs and environmental …. AEAT/ED48256/ Final Report Issue 2;

http://ec.europa.eu/environment/archives/cafe/pdf/final_report_aeat.pdf

Emission of PM; Kubica K., Kubica R., Pacyna J., NILU Polska, Brussels, Sept. 2005

(4)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

pellets chips logs coal

% shares of grains fractions

fuels

> 10 2,5 - 10 1 - 2,5

<1

grai size mm

Rodzaj paliwa i techniki spalania ma kluczowy wpływ na rozkład uziarnienia emitowanego pyłu

Emisja PM z instalacji spalania małej mocy – znaczenie rodzaju paliwa/techniki spalania

Średnica ziarna

Pellet Zrębki Dr. kawałkowe Węgiel Paliwa

Udziały frakcji ziarnowych, %

(5)

Prawodawstwo UE → poprawa zdrowia i stanu środowiska

CAFE - Clean Air for Europe – Strategia tematyczna Jakości Powietrza

COM(2005) 446 final Bruksela, 21.9.2005

„Instalacje spalania małej mocy zasilane węglem i biomasą: źródło emisji pyłu (PM10 and PM2.5), które winno być adresowane priorytetowo”

Cel długoterminowy – obniżenie emisji pierwotnych PM2.5 (cząstki emitowane bezpośrednio do atmosfery) o 59% w 2020 względem 2000

http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=COM:2 005:0446:FIN:EN:PDF

Dyrektywa 2008/50/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 21 maja 2008 r. w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy Zanieczyszczenia: PM2,5 ; PM10, C₆H₆, NOx, SO₂, Pb, CO, O₃(„niska emisja”)

Cel: średnioroczne stężenia PM 2.5

o 27 µg/m³ w 2012

o 26 µg/m³ w 2013 i 2014

o 25 µg/m³ w 2015

o 20 µg/m³ w 2020 Narzędzia:

o techniczne

o prawne (dyrektywy, krajowe uregulowania)

o pozatechniczne (dobre praktyki, edukacja)

(6)

Prawodawstwo UE – Źródła emisji

Źródła przemysłowe:

▪ Dyrektywa 2010/75/EC Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 24 listopada 2010 r. w sprawie emisji przemysłowych (zintegrowane zapobieganie

zanieczyszczeniom i ich kontrola) (wersja przekształcona IPPC)

▪ Dyrektywa 2000/76/EC Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 4 grudnia 2000 r.

w sprawie spalania odpadów

▪ Instalacje spalania średniej mocy; MCP Medium Combustion Plants 1-50MW Propozycja dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady ustanawiająca

graniczne wielkości emisji określonych zanieczyszczeń do powietrza z instalacji spalania średniej mocy (MCP Directive); Bruksela 18.12.1013, COM (2013) 919 final, 2013/0442 (COD);

http://ec.europa.eu/environment/air/pdf/clean_air/Medium%20Combustion%20Plants_EN_annexes.pdf

Instalacje pozaprzemysłowe – Instalacje spalania malej mocy ≤ 1MW:

▪ Dyrektywa 2009/125/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 21 października 2009 r. ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów zużywających energię zwana Dyrektywą EuP (ang. Energy using Products).

http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ; http://www.eceee.org/ecodesign

Normy produktowe; EN 303-5:2012 itd.

(7)

ISMM (ang. SCIs) i ISM (ang. MCPs) – definicje i zakres

Dyrektywa 2009/125/WE Dyrektywa MCPs 1-50MW ISMM <0,5MW/ 0,5MW

5 kW 15 kW 300 kW 5 MW 50 MW

Piece

Kotły domowe

Kotły średniej mocy Instiytucje/Usługi Kominki

Rodzaje Sektory

20 MW

Kotły dużej mocy / Usługi, Instytucje i Przemysł

Mieszkalnictwo Usługi Przemysł

Kotły małej mocy; Usługi

50 kW

Preparatory Studies for Eco-design Requirements of EuPs (II) [TREN/D3/390-2006/Lot15/2007/S07.74922] 2007-2009;

S. Mudgal, L. Turunen BIO IS France, R. Stewart M. Woodfield, AEAT UK, K. Kubica, R. Kubica SUT Poland;

http://www.eceee.org/ecodesign/products/solid_fuel_small_combustion_installations/BIO_EuP_Lot%2015_Task1_Final.pdf

Emisja zanieczyszczeń (PICs) ↔ Techniki spalania

1 MW/0,5MW

(8)

Instalacje Spalania Małej Mocy – rodzaje paliw stałych i emisje

Emisja zanieczyszczeń ↔ jakość paliwa / zawartość A, V, N, S, Cl, C, metali ciężkich (ang. HM) rozmiar „ziarna”, uziarnienie i jego dystrybucja

Preparatory Studies for Eco-design Requirements of EuPs (II) [TREN/D3/3902006/Lot15/2007/S07.74922]; S.

Mudgal, L. Turunen BIO IS France, R. Stewart M. Woodfield, AEAT UK, K. Kubica, R. Kubica SUT Poland;

http://www.eceee.org/ecodesign/products/solid_fuel_small_combustion_installations/BIO_EuP_Lot%2015_T ask1_Final.pdf

Biomasa Słoma Pelety Antracyt Torf Brykiety Brunatny Koks Bitumiczny Naftowy (np. drewno) i inne węgiel węgiel koks

Cząstki stałe SO

₂

NH

₃

NO

_X

CO LZO WWA Dioksyny i Furany

(TSP, PM10, PM2.5)

Inne Paliwa

Emisje

(9)

▪ Kategoria urządzeń → przenoszenie ciepła:

- bezpośrednie: kominki,

ogrzewacze pomieszczeń, piece - pośrednie: kotły

▪ Rodzaj urządzenia → zasilanie w paliwo:

- ręczne

- automatyczne

Organizacja procesu spalania:

paliwo ↔ powietrze spalania:

- przeciwprądowy - prąd krzyżowy

- współprądowy (BAT)

Kubica K., at al., Small combustion instalations: Techniques…

EUR 23214 EN, ISBN 978-92-79-08203-0; http://publications.jrc.ec.europa.eu/

Instalacje spalania małej mocy opalane biomasą <1MW Klasyfikacja

Kotły ręcznie zasilane

(10)

Kubica K., at al., Small combustion instalations: Technique, emissions and measures for

emission reduction., EUR 23214 EN, ISBN 978-92-79-08203-0; http://publications.jrc.ec.europa.eu/

A) Przeciwprądowy

B) Prąd krzyżowy

C) Współprądowy

Organizacja procesu spalania - emisje

A) B) C)

(11)

213 41

31 28 26 24 23 22 20 17 Polska

Republika Czeska Rumunia Turcja Rosja Niemcy Kraje bałtyckie Słowacja Austria Francja

Sprzedaż kotłów na paliwa stałe w Europie

wg Bosch Markt

2007 rok wartości w tys.

sztuk

Kotły na paliwa stałe w Europie i w Polsce - rynek

Źródło: „Solid Fuel Boilers, Poland” BRG Building Solutions , maj 2013

▪ kotły komorowe/zasypowe (ręczne zasilanie) od 2010 roku notują powolny spadek

sprzedaży

▪ wg prognoz kotły na paliwa stałe utrzymają wysoki udział w rynku do roku 2017 ze sprzedażą na poziomie ~170- 180 tyś. sztuk rocznie

(12)

Dwa rodzaje metod redukcji zużycia energii i emisji

zanieczyszczeń:

▪ pierwotne – organizacja procesu spalania, jakość paliwa stałego BAT

▪ wtórne – odpylanie, redukcja OGC, NOx i SOx (katalityczne, tzw. post-combustion)

KOSZTY ↔ EFEKTY

Techniczne środki zmniejszenia redukcji emisji z SCIs - biomasa

Preparatory Studies for Eco-design Requirements of EuPs (II); S. Mudgal, L. Turunen BIO IS France, R. Stewart M. Woodfield, AEAT UK, K. Kubica, R. Kubica SUT Poland;

http://www.eceee.org/ecodesign/products/solid_fuel_small_combustion_installations/

BIO_EuP_Lot%2015_Task1_Final.pdf

(13)

Pierwotne metody ograniczania emisji – wpływ techniki spalania BAT na emisje

Redukcja emisji toksycznych

zanieczyszczeń wskutek zastosowania rozwiązań typu BAT

Bez wtórnych metod ograniczenia emisji (bez układu odpylania)

Kubica K., at al., Small combustion instalations: Technique, emissions and measures for emission reduction., EUR 23214 EN, ISBN 978-92-79-08203-0; http://publications.jrc.ec.europa.eu/

CO LZO PM TOC WWA B(a)P

Stopień redukcji

(14)

Parametry kotłów typu BAT automatycznie zasilanych peletami/zrębkami

Preparatory Studies for Eco-design Requirements of EuPs (II) [TREN/D3/390- 2006/Lot15/2007/S07.74922] 2007-2009; S. Mudgal, L. Turunen BIO IS France, R.

Stewart M. Woodfield, AEAT UK, K. Kubica, R. Kubica SUT Poland;

http://www.eceee.org/ecodesign/products/solid_fuel_small_

combustion_installations/BIO_EuP_Lot%2015_Task6_Final.pdf

Parametr Jedn. BAT

Sprawność energetyczna

% 94/92

Emisja, 13%O2

CO mg/m³ 30

Emisja TSP (bez odpylania)

mg/m³ 10/20

Emisja NOx mg/m³ 90

Emisja OGC mg/m³ 1,5

(15)

Parametry kotłów typu BAT ręcznie zasilanych drewnem kawałkowym

Preparatory Studies for Eco-design Requirements of EuPs (II) [TREN/D3/390- 2006/Lot15/2007/S07.74922] 2007-2009; S. Mudgal, L. Turunen BIO IS France, R.

Stewart M. Woodfield, AEAT UK, K. Kubica, R. Kubica SUT Poland;

http://www.eceee.org/ecodesign/products/solid_fuel_small_combustion_installations/BIO_EuP_Lot%2015_Task6_Final.pdf

Parametr Unit BAT

% 92

Emisja, 13%O2

CO mg/m³ 100

TSP (bez odpylania) mg/m³ 20

NOx mg/m³ 90

OGC mg/m³ 4

(16)

Norma produktowa dla kotłów ≤ 0,5 MW – PN-EN 303-5:2012

PALIWO

Nominalna moc cieplna

w kW

Graniczne wartości emisji, mg/m³ przy 10 % O₂*¹

CO OGC pył

Klasa Klasa Klasa

Załadunek ręczny 3 4 5 3 4 5 3 4 5

Biopaliwo

 50 5000

1200 700

150

50 30

150

75 60

> 50 do 150 2500 100 150

>150 do 500 1200 100 150

Paliwo kopalne

≥ 50 5000 150 125

> 50 do 150 2500 100 125

>150 do 500 1200 100 125

Załadunek automatyczny 3 4 5 3 4 5 3 4 5

Biopaliwo

 50 3000

1000 500

100

30 20

150

60 40

80 150

> 50 do 150 2500

>150 do 500 1200 80 150

Paliwo kopalne

≥ 50 3000 100 125

> 50 do 150 2500 80 125

>150 do 500 1200 80 125

*1 odniesiona do spalin suchych, 0°C, 1013 mbar

(17)

Dyrektywa 2009/125/EC dot. wymagań ekoprojektu kotłów opalanych paliwami stałymi

Dyrektywa 2009/125/EC Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 21 października 2009 r.

ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów ekoprojektu dla produktów zużywających energię - kotłów; http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ

Working Document on a Draft COMMISSION REGULATION (EU) No …/..of XXX implementing Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for solid fuel boilers, http://www.eceee.org/ecodesign

▪ 0,5MW - rozszerzenie do 1 MW

▪ jako podstawa EN 303-5:2012

Paliwa stałe: drewno kawałkowe, zrębki drzewne, kompaktowane drewno w postaci pelet i brykietów oraz trociny drzewne

▪ graniczne wartości sezonowej sprawności energetycznej, „ŋ”, (GWSSE)

▪ graniczne wartości sezonowej emisji (GWSE) CO, OGC, TSP i NOx

GWSE (GWSSE) = 0,85 x wartość emisji (ŋ) dla mocy częściowej (30% mocy nominalnej dla kotłów z automatycznym zasilaniem i 50% dla ręcznego zasilania) + 0,15 x

wartość emisji (ŋ) dla mocy nominalnej

(18)

Rodzaj stałego paliwa

Rok obowiązywania od 2022⁽¹⁾

GWSSE

Emisja zanieczyszczeń, GWSE, Graniczne wartości emisji, mg/m³ przy 10 % O₂

Pył (PM) ⁽²⁾ OGC CO NO_x

% mg/m³ mg/m³ mg/m³ mg/m³

Automatyczne zasilanie paliwem

Biopaliwa 77; 75⁽³⁾ 20 20 300 200

Kopalne 77; 75⁽³⁾ 40 20 300 350

Ręcznie zasilane paliwem

Biopaliwa 77; 75⁽³⁾ 20 30 500 200

Kopalne 77; 75⁽³⁾ 40 30 500

350

Wymagania techniczne „Dyrektywy 2009/125/WE dla kotłów na paliwa stałe o mocy ≤ 500kW”, uzgodnione w trybie dyskusji na posiedzeniu KR w dniu 10 marca 2014r.

(1) Państwa Członkowskie UE mogą wdrożyć do prawa narodowego wcześniej, przed rokiem 2022; (2) dla kotłów o mocy ≤ 20kW oznaczany tylko dla mocy nominalnej; (3) dla kotłów o mocy ≤ 20kW.

(19)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

0 50 100 150 200 250 300

moc kW

CO [mg/m3]

klasa 3 EN 303-5:2012 klasa 4 EN 303-5:2012 klasa 5 EN 303-5:2012 wymagania Ecodesign

0 20 40 60 80 100 120

0 50 100 150 200 250 300

moc kW

OGC [mg/m3]

klasa 3 klasa 4 klasa 5 Ecodesign

Kotły peletowe

0 20 40 60 80 100 120 140 160

0 50 100 150 200 250 300

moc kW

PM[mg/m3]

klasa 3 klasa 4 klasa 5 Ecodesign LRTAP

0 100 200 300 400 500 600

0 50 100 150 200 250 300

moc kW

NOx [mg/m3]

wymagania Ecodesign

(20)

Kotły aut. – pelety, zrębki, Kotły ręcz. – drewno

kawałkowe (zgazowujące) A) Przeciwprądowy

B) Prąd krzyżowy

C) Współprądowy BAT

Przyszłość kotłów o mocy do 0,5MW, wg dyrektywy Ecodesign

PICs - metody pierwotne BAT PM- wtórnemetody;

redukcji elektrofiltry

Kotły ręcznie zasilane – grawitacyjne

Source: RUFTEC Gmbh, www.ruftec.com

Pol. Śląska – TECH Andrychów;

R.Kubica, robert.kubica@polsl.pl;

Nowoczesne układy odpylania dla instalacji spalania małej mocy..

(21)

Wymagania techniczne Dyrektywy 2009/125/WE z dnia 21.10.2009 r.

dla ogrzewaczy pomieszczeń na paliwa stałe, uzgodnione w trybie dyskusji na posiedzeniu KR w dniu 11.03.2014r.

Urządzenie

Rok obowiązywania 2022⁽¹⁾

SSE

Emisja zanieczyszczeń GWSE,

Pył (PM) OGC CO NO_x

% mg/m^{3 (2)} g/kg ⁽³⁾ mg/m³ mg/m³ mg/m³

Ogrzewacze

pomieszczeń, otwarte 30 50 5 100 1800 200

Ogrzewacze pomieszczeń, zamknięte

65 40 5 100 1250

200⁽⁴⁾ 300⁽⁵⁾

Piece peletowe 79 20 2,5 40 250 200

Kuchnie 65 40 5 100 1500

200⁽⁴⁾ 300⁽⁵⁾

(1) Państwa Członkowskie UE mogą wdrożyć do prawa narodowego wcześniej/ przed rokiem 2022;

(2) oznaczany metodą grzanego filtra;

(3) oznaczany metodą tunelu rozcieńczającego;

(4) dla stałych biopaliw, (4) dla stałych paliw kopalnych.

(22)

Prawodawstwo UE

– GWE dla instalacji spalania średniej mocy MCPs

Emisja

dopuszczalna;

graniczne wielkości emisji GWE, mg/Nm

³

dla instalacji spalania

średniej mocy

Biomasa Inne paliwa stałe Ciekłe, inne niż ciezki olej opałowy Ciezki olej opałowy Gaz ziemny Gazowe inne niż gaz ziemny

SO₂ 200 400 170 350 - 35

NO_x 650 650 200 650 200 250

PM 30¹ 30 30 30 - -

SO₂ 200 400 170 350 - 35

NO_x 300 300 200 300 100 200

PM 20² 20 20 20 - -

1 45 mg/Nm³ dla instalacji o mocy poniżej 5MW; ² 25 mg/Nm3 dla instalacji o mocy poniżej 5MW

Istniejące instalacja

Nowe instalacje

(23)

Możliwości spełnienia wymagań dyrektywy ECODESIGN i dyrektywy MCP

Dyrektywa ECODESIGN

▪ emisje CO, OGC, NOx, PM → implementacja pierwotnych metod redukcji emisji - technologii spalania BAT

▪ emisje PM → wtórne metody redukcji emisji, odpylanie

Dyrektywa MCP

▪ emisje SO₂, NOx, PM → implementacja pierwotnych metod redukcji emisji - technologii spalania BAT

▪ emisje PM → wtórne metody redukcji emisji – odpylanie, (odsiarczanie, odazotowanie)

Charakterystyka rynku kotłów na biomasę ze względu na emisyjność i dyrektywę Ecodesign (Ekoprojektu)