and Environmental Protection
http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 11 nr 4 (2009), p- 9-22
Energetyczne wykorzystanie biomasy do celów grzewczych w budownictwie jednorodzinnym
Kwiatkowski M.1, Polak R.2
1
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Paliw i Energii,
Al. Mickiewicza 30,
30-059 Kraków, tel.(0 12) 617 41 73, e-mail: kwiatkow@agh.edu.pl
2
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Międzywydziałowa Szkoła Energetyki,
Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków
Streszczenie
W artykule przedstawiono analizę możliwości zastąpienia systemu grzewczego domu jednorodzinnego wykorzystującego gaz ziemny na system oparty na energetycznym wykorzystaniu biomasy. Podczas opracowywania systemu wzięto pod uwagę wiele kryteriów takich jak koszt zakupu, transportu i składowania paliwa, koszt instalacji oraz codzienny komfort użytkowania. Na podstawie przeprowadzonej analizy i obliczeń, wykonany został i zainstalowany system grzewczy, a wnioski z testów jego eksploatacji przedstawiono w niniejszym artykule. W podsumowaniu dokonano analizy ekonomicznej całego przedsięwzięcia, określono obszar zastosowań i przedyskutowano wady oraz zalety zaproponowanych rozwiązań.
Abstract
Energy using biomass for heating destinations in the single-family housing
The paper analyzes the possibility to replace the natural gas heating system in a single-family house with the system based on the utilization of biomass for the purpose of producing energy. The system was developed taking into account a number of criteria, such as the cost of purchasing, transporting and storing the fuel, the cost of installing the system and the comfort of its daily use. A heating system was developed and installed on the basis of the presented analysis and calculations, and the conclusions from the utility tests of that system are presented in the paper. The summary involves an economic analysis of the project, defining of the scope of usage of the system and a discussion of the pros and cons of the proposed solutions.
1. Wstęp
Dynamiczny wzrost liczby ludności w skali globalnej oraz znaczący wzrost tempa rozwoju światowej gospodarki pociągają za sobą coraz większą konsumpcję energii, której znaczącym źródłem są wydobywane na wielką skalę paliwa kopalne. Wzrostowi zapotrzebowania paliw kopalnych do produkcji energii towarzyszy z roku na rok coraz mniejsza liczba nowo odkrywanych złóż oraz coraz większe koszty wydobycia, związane między innymi z koniecznością eksploatacji złóż na większych głębokościach i w trudniejszych warunkach, dlatego też nie można traktować zasobów paliw kopalnych tak, jak gdyby były one nieograniczone[1].
Wykorzystanie paliw kopalnych do produkcji energii nierozerwalnie wiąże się także z emisją gazów cieplarnianych do atmosfery w tym głównie ditlenku węgla, co stanowi jedną z przyczyn globalnego ocieplenia i związanych z tym zmian klimatycznych [2]. Dania 2 lutego 2007 opublikowano Czwarty Raport IPCC Międzyrządowego Zespołu do Spraw Zmian Klimatu przy ONZ, podsumowujący stan wiedzy na temat zmian klimatu[3]. W Raporcie tym Została dokonana ocena naturalnych i antropogenicznych czynników wpływających na klimat, a w tym na globalne ocieplanie się klimatu. Raport miał wykazać czy nauka jest w stanie określić, jakie czynniki wpływają na zmiany klimatu i jaka sytuacja odnośnie zmiany klimatu będzie w przyszłości. Jednym z najważniejszych wyników pracy pierwszej grupy roboczej IPCC jest stwierdzenie, że globalne ocieplenie klimatu, jest w 90% związane z emisją gazów cieplarnianych przez człowieka.
Według omawianego Raportu do 2080 r. liczba lubości odczuwającej brak dostępu do wody potnej zwiększy się o 3 miliony, z kolei, aż kilkaset milionów osób będzie odczuwać niedobór żywności. Średnia globalna temperatura wzrośnie od 1,8 w wariancie optymistycznym do 6,4oC w wariancie pesymistycznym [3]. Zakłada się jednak, że już wzrost temperatury o 4oC spowoduje spadek światowego PKB od 1,5 do 5%, a globalny wzrost średniej temperatury o 2,4oC, może już spowodować ogólnoświatowy kryzys[3]. W raporcie zwraca się uwagę, że każdego roku będzie wzrastała gwałtownie także liczba ludności narażonej na duże powodzie.
Dalsza rabunkowa gospodarka i nieefektywne wykorzystanie zasobów paliw kopalnych może doprowadzić do szybkiego wyczerpania dostępnych złóż oraz lawinowej propagacji wspomnianego efektu cieplarnianego i towarzyszących mu zjawisk. Aktualnie nie ma rozsądnej alternatywy dla paliw kopalnych, gdyż nowe źródła taniej i ekologicznej energii, jak np. synteza termojądrowa są jeszcze na etapie badań i opracowań. Przyszłość naszej planety jak na razie maluje się w czarnych barwach, w związku z tym nasuwa się pytanie czy jest jakaś szansa na powstrzymanie lub spowolnienie tego katastrofalnego trendu? Taką szansą jest wykorzystanie na większą skalę odnawialnych źródeł energii i zwiększenie efektywności wykorzystania paliw i energii[4,5].
Jak się powszechnie podkreśla w Polsce brak jest możliwości znaczącego rozwoju energetyki wiatrowej, co związane jest z dużą zmiennością parametrów i ogólnie małymi jego średnimi prędkościami. Polska posiada także ograniczone możliwości energetycznego wykorzystania energii wód lądowych oraz słabe warunki do energetycznego wykorzystania energii słonecznej na większą skalę. W związku z powyższym największe znaczenie praktyczne ma energetyczne wykorzystanie biomasy, a jednym z najbardziej pożądanych
kierunków energetycznego wykorzystania biomasy jest wykorzystanie jej w lokalnych i przydomowych ciepłowniach, dzięki czemu unika się między innymi konieczności transportowania biomasy na duże odległości. Jak się powszechnie podkreśla uprawy roślin na cele energetyczne rozwijają się zbyt wolno, a potencjalne źródła biomasy cechują się znacznym rozproszeniem terytorialnym, aby zaspokoić potrzeby elektroenergetyki z uwzględnieniem aspektów ekonomicznych. Ponadto zwraca się uwagę, iż współspalanie biomasy z węglem stwarza wiele problemów natury technicznej i jest kontrowersyjne od strony ekonomicznej[6-11].
2. Założenia opracowanego systemu
Jako przykładowe rozwiązanie energetycznego wykorzystania biomasy w do ogrzewania budynku jednorodzinnego, przedstawiona została w niniejszym artykule koncepcja zastąpienia gazowego systemu ogrzewania 20 letniego domu jednorodzinnego o powierzchni 170 m2 i kubaturze ok. 500 m3, systemem opartym na energetycznym wykorzystaniu biomasy stałej. Średni koszt ogrzewania analizowanego budynku gazem wynosił w przeliczeniu na obecne ceny około 3300 zł za sezon grzewczy. Ponadto, gdy dodatkowo uwzględniono wzrost cen gazu od stycznia 1999 z 0,75 zł do 1,62 zł w styczniu 2009, czyli 9% rocznie oraz niepewną sytuację w zakresie bezpieczeństwa energetycznego Polski w ostatnich latach, powstała idea zastąpienia istniejącego systemu grzewczego opartego na wykorzystaniu jako paliwa gazu ziemnego na system wykorzystujący lokalne zasoby biomasy stałej.
System ten w swoim założeniu powinien spełniać kilka warunków: po pierwsze powinien wykorzystywać tanie lokalne zasoby łatwo dostępnej biomasy - najlepiej odpadowej; biomasa ta powinna być dowożona z jak najmniejszej odległości; koszt wykonania i instalacji powinien być niski, a ponadto system powinien być łatwy w obsłudze i bezawaryjny.
3. Zapotrzebowanie energii na cele grzewcze
Podstawą do obliczenia średniego zapotrzebowania energii na cele grzewcze było zużycie gazu (łącznie 14504 m3) przez okres około 6 lat (2201 dni), podczas gdy dom był opalany jedynie tym paliwem (Rys. 1). W analizowanym domu używana jest kuchenka gazowa oraz gazowy podgrzewacz wody w związku z tym uwzględniono ich wpływ rozpatrując miesiąc, gdy zużycie energii na cele grzewcze jest najmniejsze tj. lipiec-sierpień, średnie zapotrzebowanie dzienne końcowo wyniosło 5,57 m3 gazu na dobę, co daje łącznie liczbę 61 GJ energii dostarczanej rocznie niezbędnej do ogrzania budynku.
Warto zaznaczyć, iż nie są to wartości teoretyczne dobrane w przeliczeniu na m2 lub m3, które mogłyby cechować się znacznym błędem wynikającym z faktycznego stanu izolacji oraz klasy energetycznej budynku, lecz są to empiryczne wielkości energii gwarantujące zachowanie istniejącego komfortu cieplnego.
Ogrzewanie budynków z wykorzystaniem drewna było dawniej bardzo popularne szczególnie na wsi, w mniejszych miejscowościach oraz podmiejskich domach jednorodzinnych, co było związane przede wszystkim z aspektami ekonomicznymi i technicznymi oraz ogólną dostępnością surowca. Obecnie przy dużych wzrostach cen
gazu ziemnego, coraz więcej właścicieli zastanawia się nad zmianą drogich w eksploatacji systemów ogrzewania opartych na gazie ziemnym, na tańsze rozwiązania wykorzystujące węgiel oraz drewno i inne postacie biomasy. Niestety większość domów zaprojektowana do ogrzewania gazem ziemnym, nie jest przystosowana do wykorzystania innego paliwa opałowego w tym biomasy stałej. Między innymi zbyt wąskie przewody kominowe mogłyby powodować osadzanie się sadzy i w konsekwencji niebezpieczeństwo jej zapalenia się. Brak jest ponadto w większości przypadków pomieszczeń przystosowanych do pełnienia funkcji kotłowni i magazynu paliwa. Modne w ostatnich latach wykorzystanie kominków nie rozwiązuje w pełni tego problemu z uwagi na wiele niedoskonałości i wad tych rozwiązań. Ogrzewanie domu za pomocą kominka wiąże się między innymi z osadzaniem sadzy na ścianach pomieszczenia, w którym się znajduje, ponadto kominek jest postrzegany jako dość niebezpieczne źródło ognia w domu.
0 5 10 15 20 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 m3/doba 0 100 200 300 400 500 600 Lata MJ/doba
Rys. 1. Średnie dobowe zużycie gazu i energii na potrzeby grzewcze budynku.
W analizowanym budynku znajduje się kominek jednak między innymi z wymienionych powyżej względów pełni on bardziej funkcję ozdobną niż grzewczą. Ponadto sam transport drewna z miejsca jego składowania do kotłowni jest dość uciążliwy szczególnie w przypadku, gdy zachodzi konieczność wnoszenia go bezpośrednio do części mieszkalnej domu jak to ma miejsce w przypadku kominków.
Z wykorzystaniem kominków i prostych pieców na paliwa stałe wiążą się też problemy związane z okresowym charakterem pracy tych urządzeń i komfortem ich użytkowania. Klasyczne piece i kominki wymagają częstej obsługi w ciągu dnia, np. paliwo załadowane wieczorem spala się przez okres 4-6 godzin, w czasie których temperatura w grzejnikach C.O. połączonych z piecem, w krótkim czasie uzyskuje wysoką wartość, co skutkuje gwałtownym wzrostem temperatury w pomieszczeniach ponad poziom optymalny jednak po wygaśnięciu paleniska, temperatura równie szybko spada i nad ranem w pomieszczeniach jest już znacznie odczuwalny spadek temperatury.
4. Analiza wykorzystania jako paliwa drewna
W okolicy analizowanego domu znajduje się tartak, w związku z tym możliwe jest pozyskanie drewna po relatywnie niskim koszcie. Niestety jest to zazwyczaj miękkie drewno, często w postaci długich na 2-3 metry ścinek, których transport do domowej kotłowni i przygotowanie do spalenia może być uciążliwe. Wykorzystanie drewna miękkiego jako paliwa nastręcza także szereg problemów eksploatacyjnych związanych z dużą kinetyką procesu spalania, co z kolei wiąże się z koniecznością częstego uzupełniania paliwa. Ze spalaniem miękkiego drewna wiążę się także znaczna ilość wytwarzanej sadzy, a co za tym idzie duża tendencja do zapychania się kominów.
5. Analiza wykorzystania jako paliwa słomy zbożowej
Drewno pozyskiwane jest z lasów, które stanowią w Polsce ok. 9 mln ha, wg danych GUS z 2005 roku jednak niewiele mniej, bo ok. 7,9 mln ha zajmują uprawy zbóż, a w tym sama pszenica (ok. 2,2 mln ha). Z 1 ha uzyskuje się od 5, do nawet 9 ton słomy pszenicznej, natomiast ze spalenia 5 ton słomy ze sprawnością 66% uzyskuje się, 50 GJ energii cieplnej. W związku z tym jak widać, obszar ok. 1,22 ha słomy pszenicznej może pokryć, całkowicie zapotrzebowanie analizowanego domu na ciepło.
Co więcej, gdyby dla średniego rocznego nasłonecznienia rzędu 1100 KWh/m2 obliczyć sprawność produkcji energii cieplnej, wyniosłaby ona w przypadku słomy tylko 0,13% energii słonecznej dostarczonej do powierzchni upraw, co w porównaniu do sprawności na poziomie ok. 50% uzyskiwanych w przypadku próżniowych kolektorów słonecznych wydaje się miernym rezultatem. Nie należy jednak zapominać o obszarze, jaki zajmują zboża oraz tym, iż słoma jest jedynie produktem ubocznym a co za tym idzie jej cena i możliwości pozyskania są bardzo atrakcyjne. Przykładowo za cenę 1 m2 instalacji solarnej pozyskać można słomę z obszaru 7 do 10 ha zboża, czyli ekwiwalent energii cieplnej uzyskanej w ciągu 150-200 lat pracy 1 m2 wspomnianej instalacji.
Natura sama rozwiązuje problem nie tylko budowy kolektora, ale i również magazynowania letnich nadwyżek energii, dostarczając gotowe do spalenia, łatwopalne paliwo, które często traktowane jest jako odpad i pozostawiane lub wypalane na polach. Przykładowo w rejonach południowo-wschodnich Polski cena słomy pszenicznej wynosi około 150 zł/tonę, w przypadku małych ilości tj. do 10 ton często zostaje odstąpiona za cenę stanowiącą koszt balowania i transportu, czyli ok. 60 zł/tonę - jest to cena, po której udałoby się ją pozyskać na potrzeby analizowanego domu. Jednak z energetycznym wykorzystaniem słomy jako paliwa, wiąże się konieczność zakupu specjalnego kotła. Istotny problem stanowi także umiejscowienie wspomnianego kotła do energetycznego wykorzystania słomy, ponieważ nie może się on znajdować się ze względów bezpieczeństwa w obrębie budynku mieszkalnego.
Znacznych problemów nastręcza także składowanie słomy z uwagi na jej małą gęstość, łatwopalność i sypkość. Wymienione problemy wynikające z natury fizycznej słomy jako paliwa sprawiają, iż jej wykorzystanie jest zalecane raczej w lokalnych ciepłowniach, a nie do ogrzewania indywidualnych domów jednorodzinnych. Nie bez znaczenia jest fakt, iż większe kotły na słomę mogą stanowić nawet zagrożenie wybuchowe, dlatego rolnicy
przeważnie jako źródło ciepła dla swoich budynków gospodarczych i szklarni stosują inne rozwiązania systemów grzewczych, chociaż sami są producentami znacznych ilości słomy.
6. Porównanie trzech systemów grzewczych wykorzystujących różne paliwa
W przeprowadzonej analizie przyjęto, że średnia wartość opałowa drewna miękkiego wynosi 13 MJ/kg, a sprawność jego spalania możliwą do uzyskania założono na poziomie 70%. Z kolei dla słomy pszenicznej przyjęto średnią wartość opałową 15 MJ/kg oraz prawność spalania możliwą do uzyskania na poziomie 66%. Gęstość drewna kawałkowego oscyluje w granicach 380 - 640 kg/m3, w analizie przyjęto średnio 550 kg/m3, natomiast dla słomy przyjęto zmierzoną empirycznie wartość gęstości 90 kg/m3. Cena drewna z tartaku znajdującego się w pobliżu analizowanego domu wynosi 120 zł/tonę (koszt zakupu drewna łącznie z transportem) natomiast koszt pozyskania słomy wynosi 62 zł/tonę (koszt robocizny i transportu) w przypadku jej odstąpienia przez rolnika lub posiadania własnych upraw.
Na Rysunku 2, przedstawione zostały średnie roczne koszty ogrzewania analizowanego budynku za pomocą ścinków drewnianych, słomy pszenicznej i gazu ziemnego. Jak łatwo zauważyć, ogrzewanie budynku opalanego ścinkami drewnianymi jest około cztery razy tańsze od rozwiązania wykorzystującego gaz ziemny i wynosi około 800 zł. Natomiast w przypadku wykorzystania słomy do celów grzewczych analizowanego, koszt paliwa w przypadku słomy pszenicznej jest aż ok. dziewięć razy mniejszy, w stosunku do gazu ziemnego i wynosi około 380 zł. Przykładowy dzienny koszt ogrzewania w najzimniejszym okresie tj. w styczniu 2003 dla gazu wynosił około 30 zł dla drewna, 7,3 zł, a dla słomy 3,5 zł - różnica jest więc znacząca. Zapotrzebowanie na paliwo w poszczególnych dniach okresu grzewczego, obliczono na podstawie okresu od 17 października 2002 do 11 kwietnia 2003 (Rysunek 3). [zł] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
ścinki drewniane słoma pszeniczna gaz ziemny
Rys. 2. Średnie roczne koszty ogrzewania analizowanego budynku za pomocą ścinków drewnianych, słomy pszenicznej i gazu ziemnego.
0 5 10 15 20 17.10.2002 -18.12.2002 18.12.2002 -01.01.2003 01.01.2003 -22.01.2003 22.01.2003 -11.04.2003 [m3/doba] 0 100 200 300 400 500 600 [MJ/doba]
Rys. 3. Średnie dobowe zużycie gazu na cele grzewcze oraz odpowiadające temu zapotrzebowanie domu na ciepło.
Z kolei na Rysunku 4 przedstawione zostało dzienne zapotrzebowanie na poszczególne paliwa do ogrzewania analizowanego domu.
0 20 40 60 80 100 120 140 17.10.2002 -18.12.2002 18.12.2002 -01.01.2003 01.01.2003 -22.01.2003 22.01.2003 -11.04.2003 [kg] 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 [m3] Masa słomy Masa drewna Objętość słomy Objętość drewna
Rys. 4. Dzienne zapotrzebowanie na poszczególne paliwa do ogrzewania analizowanego domu.
Na podstawie rocznego średniego zapotrzebowania na energię do ogrzewania analizowanego budynku obliczono średnie roczne masowe i objętościowe zapotrzebowanie na biomasę do celów grzewczych dla analizowanego budynku, a wyniki obliczeń
przedstawiono na Rysunkach 5 i 6. Wyraźnie, widać różnicę w zajmowanej objętości pomiędzy ścinkami drewnianymi, a słomą pszeniczną.
[tona] 0 1 2 3 4 5 6 7 8
ścinki drewniane słoma pszeniczna
Rys. 5. Średnie roczne masowe zapotrzebowanie na biomasę do celów grzewczych dla analizowanego budynku. [m3] 0 10 20 30 40 50 60 70 80
ścinki drewniane słoma pszeniczna
Rys. 6. Średnie roczne objętościowe zapotrzebowanie na biomasę do celów grzewczych dla analizowanego budynku.
Wykorzystanie energetyczne słomy wiąże się z koniecznością instalacji specjalnego kotła, przystosowanego do spalania tego typu paliwa w ilości ok. 0,6m3 oraz znaczącej powierzchni magazynowej. Z kolei wykorzystanie odpadów z tartaku wymaga zastosowania odpowiedniej konstrukcji pieca, która umożliwiałaby załadunek cienkich i długich ścinek, bez konieczności częstego uzupełniania paliwa. W obu przypadkach
umiejscowienie kotła lub pieca w analizowanym domu jednorodzinnym jest niemożliwe ze względów technicznych, takich jak duże gabaryty urządzeń, rozdrobnienie i łatwopalność biomasy oraz uciążliwy transport z miejsca składowania oraz ze względów bezpieczeństwa. Rozważana koncepcja budowy oddzielnego budynku przeznaczonego na kotłownie, z uwagi na znaczne koszty została zaniechana.
7. Koncepcja kotła
Powszechnie wiadomo, że energetyczne wykorzystanie słomy lub drewna odpadowego jest opłacalne, jednak wiąże się z tym szereg trudności technicznych i konieczność zainwestowania środków finansowych w odpowiednie kotły. Ponadto uzależnianie się od jednego rodzaju paliwa niesie za sobą szereg potencjalnych problemów w przyszłości. Z związku z tym, powstała idea zaprojektowania uniwersalnego kotła mogącego spalać zarówno słomę, odpady drzewne jak i inne postacie biomasy stałej o konstrukcji umożliwiającej umieszczenie go na zewnątrz budynku. Urządzenie to po fazie projektów zostało zainstalowane i z powodzeniem jest eksploatowane. Jest to kocioł niskotemperaturowy wyposażony w płaszcz wodny o objętości 2,7 m3 z paleniskiem o pojemności 0,25m3 umożliwiającym opał kostkami słomy lub załadunek znacznej ilości drewna oraz posiadające długą na 1,5 m komorę spalania gazów przystosowaną do spalania słomy.
Jak wynika z przeprowadzonych obliczeń dzienne zapotrzebowanie na energię w miesiącu grudniu wynosi ok. 1,9 m3 wody o temperaturze podniesionej z 21°C do 81°C, kocioł ten stanowi więc sam w sobie zbiornik akumulacyjny. Jednocześnie jest w pełni uniezależniony od konstrukcji domu i posiada własny komin, małe pomieszczenie techniczne przy palenisku, zadaszenie, wbudowany wymiennik ciepła oraz regulator ciągu w kominie. Kocioł ten przystosowany jest do spalania zarówno biomasy w postaci kostek słomy jak również odpadów drzewnych, dendromasy, gałęzi itp.
Proces spalania w opracowanym kotle jest samoistny, regulowany ciągiem kominowym. Ze względu na budowę pieca podawanie powietrza odbywa się górnym kanałem, a w przypadku słomy w sposób zbliżony do przeciwprądowego oraz od dołu w przypadku zastosowania jako paliwa drewna. Dużym plusem takiej konstrukcji jest jej duża bezwładność termiczna, dzięki której sam proces spalania trwa od 3-5 godzin dziennie, a wytworzona w ten sposób gorąca woda krąży w obiegu zamkniętym z odpowiednią szybkością regulowaną przez umieszczoną w domu pompę C.O. Rozwiązanie takie znacznie ułatwia zapewnienie komfortu cieplnego, gdyż dużo łatwiej jest sterować pracą pompy niż procesem spalania, w ten sposób uwalnia się energię w momencie, gdy jest potrzebna natomiast kocioł sam w sobie jest magazynem przechowującym dzienne zapotrzebowanie na energię. Dzięki temu można ograniczyć nadmierny wzrost temperatury pomieszczeń wieczorem i utrzymać odpowiednią temperaturę rano, zapewniającą właściwy komfort cieplny. Ponadto sam rozruch kotła umożliwia szybki wzrost temperatury w instalacji c.o., za sprawą umieszczenia wężownicy umożliwiającej wymianę ciepła bezpośrednio nad paleniskiem.
a)
b)
Rys. 7. Komora spalania i palenisko opracowanego kotła: a) podczas spalania słomy i b) podczas spalania drewna.
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 20 24 4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 T [°C]
Rys. 8. Wykres dobowy temperatury na kotle.
Powyższy wykres (Rysunek 8) przedstawia dzienne temperatury na kotle dla zapotrzebowania domu na ciepło na poziomie 5,6 kW/h obliczonych dla okresu dwóch tygodni grudnia 2002 roku. Uzupełnianie surowca w kotle odbywa się wtedy co godzinę od 16:00 począwszy do 20:00 czyli łącznie zużywa się pięć 10 kilogramowych kostek. Moc pieca wynosi w tym przypadku 42 kW, natomiast moc z uwzględnieniem sprawności na poziomie 66% wynosi 28 kW. W ciągu doby przy stałym zapotrzebowaniu na moc grzewczą 5,6 kW dla domu temperatura na kotle spada o 33°C czyli z 82°C do 49°C natomiast o 6 rano, czyli 9 godzin po zakończeniu palenia wynosi jeszcze 66°C. Dodatkowo gdy uwzględni się fakt, iż poborem ciepła można sterować wychodzi na to, iż nie koniecznie trzeba budzić się, lub wracać po pracy do zimnego domu.
8. Realizacja i eksploatacja
Sama koncepcja od początku zawierała założenie, iż ma być to rozwiązanie o prostej i taniej konstrukcji, stąd nakłady inwestycyjne wyniosły jedynie 3000 zł, a koszt wykonania wyniósł także 3000 zł. Piec został optymalnie ocieplony i obudowany, a następnie umieszczony na drewnianych podstawach, z zabudowaną częścią paleniska. Na podstawie wykonanych pomiarów pomiar, okazało się, że w ciągu doby tak dobrane ocieplenie zapewnia jedynie spadek temperatury na poziomie ok. 3°C w najbardziej mroźne dni, co zostało uwzględnione dodatkowo przedstawionym wcześniej wykresie dobowych temperatur. W wyniku przeprowadzonych prób, okazało się, iż najbardziej stabilny proces spalania uzyskuje się dla słomy pszenicznej i dla drewna. Uniwersalna budowa kotła umożliwia jednak wykorzystanie paliwa mieszanego np. rozpalanie słomą, a następnie opalanie drewnem lub dendromasą, czyli gałęziami drzew o średnicy do 3 cm. W miarę potrzeby dzięki obszernemu palenisku możliwe jest także wykorzystanie jako materiału opałowego roślin energetycznych, takich jak wierzba energetyczna, ślazowiec pensylwański i topinambur. Możliwy jest również opał peletami i brykietem słomianym,
jednak paliwo to jest przystosowane do spalania w zwykłych piecach i przez to jest znacznie droższe od nieprzetworzonej słomy lub drewna.
W przyszłej rozbudowie systemu grzewczego z kotłem, rozważana jest koncepcja wyposażenia instalacji w rekuperację energii odpadowej oraz w wymiennik umożliwiający uzyskanie ciepłej wody użytkowej.
9. Analiza ekonomiczna przedsięwzięcia
Analizy ekonomicznej przedsięwzięcia dokonano dla obliczonego rocznego zapotrzebowania na ciepło przyjmując stopę dyskontową równą 7 %, podwyżkę roczną gazu na bieżącym poziomie tj. 9%, podwyżkę cen słomy na poziomie 5 % rocznie, koszt inwestycji równy 6000 zł (materiały + robocizna) oraz roczny koszt pracy pompy C.O. równy 50 zł. Wskaźnik prostej stopy zwrotu całości nakładów wyniósł dla budowy kotła i opalania słomą 51 %, dla ścinek 45 % w stosunku do dalszego ogrzewania gazem. Sumę NPV, która końcowo wyniosła 24 095 zł w 10 roku eksploatacji prezentuje poniższy wykres (Rysunek 9).
Jak widać inwestycja całkowicie zwraca się na początku 3 sezonu grzewczego. Stopa zwrotu całości nakładów wskazuje, że w rozpatrywanym czasie eksploatacji 10 lat rocznie kocioł średnio zwraca w zależności od paliwa 45-51% nakładów poniesionych na inwestycje dla porównania uwzględniony niżej zestaw solarny zwraca 4,5%. Rysunek 9 przedstawia koszty jednostkowe produkcji 1GJ energii w okresie 10 lat dla poszczególnych inwestycji. Uwzględniona została budowa kotła na biomasę, dalsze opalanie gazem oraz zakup na potrzeby ciepłej wody użytkowej oraz wspomagania C.O. zestawu solarnego o wysokiej wydajności rocznej 2900 KWh i cenie 12 500 zł. W przypadku kotła na biomasę i opalania słomą koszt 1 GJ energii wynosi niecałe 16 zł, w przypadku dalszego ogrzewania gazem 79 zł natomiast dla montażu instalacji solarnej dostarczającej średnio 10,4 GJ energii rocznie wynosiłby 123 zł.
-10 000 -5 000 0 5 000 10 000 15 000 20 000 25 000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 NPV [zł]
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 budowa kotła na biomasę dalsze opalanie gazem montaż instalacji solarnej [zł]
Rysunek 10. Jednostkowy koszt produkcji 1GJ energii.
10. Posumowanie
Zaprojektowany i wykonany kocioł wraz z systemem grzewczym c.o. jest szczególnie atrakcyjny dla małych gospodarstw wiejskich o średnim zapotrzebowaniu na ciepło, gdzie charakter pracy mieszkańców umożliwia ręczne uzupełnianie surowca. Ponadto wymagana jest odpowiednia powierzchnia do zainstalowania tego kotła oraz odpowiednie miejsce do przechowywania paliwa (ok. 36m2). Atrakcyjność zaproponowanego rozwiązania uwarunkowana jest możliwością zakupienia taniego paliwa lub posiadanie własnych zasobów słomy lub drewna odpadowego. Opracowany system, po wdrożeniu spełnił w pełni oczekiwania i potwierdziły się założenia projektowe. System ten jest interesującym rozwiązaniem, w aspekcie ekomomicznym, ale i także ekologicznym. Należy zwrócić uwagę także na uniezależnienie się od jednego rodzaju paliwa opałowego, a co za tym idzie wzrost bezpieczeństwa energetycznego w skali lokalnej.
Wykonano w ramach działalności Koła Naukowego GREEN ENERGY oraz prac statutowych AGH WEiP Nr 11.11.210.156.
Literatura
[1] Campbell C.J., The coming oil crisis, Multi-Science Publishing and Pertoconsultants (2004)
[2] Kwiatkowski M., Bachniak M., Chachaj K., Lorens J., Efekt cieplarniany – i co dalej? Materiały konferencji pt. „Paliwa i Energia Dziś i Jutro - 2001, Kraków 12-13 czerwca 2001”, Wyd. IGSMiE PAN, s. 243-245 (2001)
[3] Climate Change, Synthesis Report, Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Core Writing Team, Pachauri, R.K. and Reisinger, A. (Eds.) IPCC, Geneva, Switzerland. pp 104 (2007)
[4] Lewandowski W.M., Proekologiczne źródła energii odnawialnej, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2002.
[5] Hoogwijk M.; Faaija A., van Den Broek R., Berndes G.,Gielen D.,Turkenburg, Exploration of the ranges of the global potential of biomass for energy. Biomass & Bioenergy 25,119-133 (2003)
[6] Jenkins B.M., Baxter L.L., Miles Jr. T.R., Miles T.R., Combustion Properties of Biomass. Fuel Processing Technology 54, 17-46 (1998)
[7] Haykin-Acma H., Combustion characteristics of different biomass materials. Energy Conversion and Management 44, 155-162 (2003)
[8] Demirbas A., Combustion characteristics of different biomass fuels. Progress in Energy and Combustion Science 30, 219-230 (2004)
[9] Kobyłecki R., Bis Z., Aspekty współspalania paliw alternatywnych z węglem w kotłach fluidalnych - szansa czy zagrożenie? Gospodarka paliwami i energią 2, 2-9 (2003)
[10] Kruczek H., Miller R., Tatarek A., Spalanie i współspalanie biomasy – korzyści zagrożenia. Gospodarka paliwami i energią 3, 13-19 (2003)
[11] Golec T., Współspalanie biomasy w kotłach energetycznych. Energetyka i Ekologia 437-445 (2004)
