7. Biomasa

7.1 Co to jest biomasa, biopaliwo i biogaz

Biomasa należy do najstarszych paliw wykorzystywanych do celów energetycznych, głównie do produkcji ciepła. Obecnie jest to najszerzej wykorzystywane odnawialne źródło energii. Według prawa biomasa to:

• podatne na rozkład biologiczny frakcje produktów, odpady i pozostałości przemysłu rolnego (łącznie z substancjami roślinnymi i zwierzęcymi), leśnictwa i związanych z nim gałęzi gospodarki, jak również podatne na rozkład frakcje odpadów miejskich i przemysłowych (Dyrektywa 2001/77/WE)
• stałe lub ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także przemysłu przetwarzającego ich produkty, a także części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji (Dz. U Nr 267, poz. 2656)

Z kolei biopaliwo to:

• biomasa, która została przygotowana do wykorzystania w celach energetycznych.  Przetwarzanie biomasy w celach energetycznych może odbywać się metodami: fizycznymi, chemicznymi, biochemicznymi. Są to np. oleje roślinne, bioetanol, biodiesel.

A biogaz to:

• jest to mieszanka różnych gazów z przewagą metanu (ok. 40%); w zakresie efektywności energetycznej i składu jest bardzo podobna do gazu ziemnego. Zwykle powstaje z gnojowicy, osadów ściekowych i składowisk odpadów.

7.2 Skąd się bierze energia w biomasie

Rośliny, aby wzrastać i rozwijać się, pobierają wodę z gleby i dwutlenek węgla z powietrza. Następnie, pod wpływem promieniowania słonecznego w postaci fotonów zawierających energię, cząsteczki wody i dwutlenku węgla są przekształcane w cząsteczki glukozy oraz uwalniany jest tlen, który jest produktem ubocznym i dostaje się do atmosfery. Cząsteczki glukozy dostarczają organizmom dwa istotne elementy: energię i węgiel potrzebny do budowy komórek i tkanek.

Biomasa jest więc produktem procesu fotosyntezy, dzięki której następuje wzrost rośliny. Aby wykorzystać zgromadzoną w nich energię słoneczną, przeprowadza się różne procesy konwersji biomasy. W ten sposób węgiel, będący składnikiem budulcowym roślin, jest przekształcany w energię świetlną i cieplną, które można przekształcić w energię elektryczną lub energię do ogrzewania.

7.3 Rodzaje biomasy

Biomasa zatem są to pozostałości i odpady organiczne , które mogą zostać wykorzystane energetycznie. Do biomasy zaliczamy również rośliny specjalnie uprawiane charakteryzujące się dużym przyrostem rocznym i niewielkimi wymaganiami glebowymi. Są to tak zwane rośliny energetyczne. Głównymi źródłami biomasy są:

Drewno czyli:

• odpady leśne np. pozostałości po wyrębie lasu typu zrębki i ścinki;
• opał drzewny typu polana, kawałki drewna (do palenia w piecach i kominkach);
• odpady i produkty przemysłu drzewnego w tartakach np. kora, trociny, wióry;
• rośliny energetyczne np. wierzba wiciowa, miskant olbrzymi;
• odpady drzewne powstające w mieście np. z przycinek drzew, krzewów, odpady z przydomowych ogródków.

Słoma i odpady rolnicze:

• słoma zbóż, roślin oleistych (rzepak), oraz strączkowych;
• pozostałości po zbiorach np. kolby kukurydzy, łuski orzechów kokosowych;
• odpady z przemysłu przetwórczego np. cukrowniczego, owocowo – warzywnego.

Pozostałe odpady organiczne:

• odchody zwierzęce;
• gnojowica;
• osady ściekowe pochodzące z gospodarstw domowych;
• substancja organiczna występująca na składowiskach odpadów komunalnych

Aby wykorzystać biomasę w celach energetycznych, należy dokonać jej konwersji w biopaliwa. Biopaliwa występują w postaci stałej, płynnej i gazowej.

Do biopaliw stałych zaliczamy:

• drewno odpadowe z leśnictwa, przemysłu drzewnego oraz drewniane opakowanie odpadowe;
• słomę z roślin oleistych, strączkowych oraz siano;
• plony z plantacji roślin energetycznych;
• odwodnione ścieki;
• brykiety i pelety.

Do biopaliw gazowych zaliczamy:

• biogaz z odpadów organicznych z gospodarstw rolnych;
• biogaz z wysypisk komunalnych;
• biogaz z bio upraw np. burak cukrowy, pszenżyto, kukurydza, lucerna.

Do biopaliw płynnych zaliczamy:

• biodiesel;
• etanol;
• metanol;
• oleje roślinne;
• butanol.

7.4 Sposoby konwersji i wykorzystania biomasy

Energię zawartą w biomasie można pozyskać na kilka sposobów. Najprostszym i najczęściej wykorzystywanym sposobem jest jej spalanie. Można w ten sposób wytworzyć zarówno energię cieplną jak i energię elektryczną. Poniżej przedstawiono proces uzyskiwania biopaliw.

Najczęstszymi metodami uzyskiwania energii z biomasy są:

• Bezpośrednie spalanie biomasy – może być przeprowadzone w paleniskach otwartych np. ogniskach lub zamkniętych – w odpowiednich kotłach. Spalanie polega na zamianie energii zawartej w paliwach na energię cieplną przy udziale tlenu. Biomasę można spalać bezpośrednio, jako paliwo samodzielne lub dodawać ją np. do węgla. Spalanie biomasy z węglem sprawia, że do powietrza dostaje się mniej szkodliwych gazów i pyłów.
• Gazyfikacja – proces, w którym w wysokiej temperaturze przy ograniczonym dostępie tlenu lub powietrza zachodzi przemiana biomasy w gaz drzewny. Spalając go produkuje się energię cieplną. Powstały gaz można również wykorzystywać w kuchenkach gazowych, turbinach produkujących energię elektryczną.
• Piroliza – proces rozkładu substancji organicznej bez udziału tlenu. Powstaje biopaliwo ciekłe zwane bioolejem. Właściwości powstałego biooleju zależą od rodzaju biomasy – jej składu oraz sposobu prowadzenia procesu pirolizy, czyli temperatury procesu, czasu, obecności wody, tlenu i gazów.
• Zgazowanie – proces polegający na rozkładzie biomasy o dużej zawartości węgla do paliwa gazowego. Ilość dostarczanego powietrza, tlenu lub pary wodnej jest kontrolowana. W tym procesie z biomasy powstaje gaz syntezowy (mieszanina głównie wodoru i tlenku węgla). Wytworzone gazy można spalać i produkować energię elektryczną.
• Fermentacja beztlenowa (metanowa). W jej wyniku powstaje biogaz, którego głównym składnikiem jest metan, dwutlenek węgla i azot. Podczas fermentacji ponad połowa odpadów organicznych zamieniana jest w biogaz. Spalając biogaz można uzyskać energię cieplną lub elektryczną.
• Fermentacja alkoholowa, w której enzymy wytwarzają alkohol etylowy i dwutlenek węgla. Powstały alkohol po usunięciu z niego wody może być dodawany do benzyn.
• Produkcja biopaliw z olejów roślinnych. Z nasion roślin oleistych tłoczony jest olej, który jest odpowiednio oczyszczany. Następnie jest on poddawany kolejnym procesom, a produktem jest biopaliwo zwane biodieslem.

7.5 Charakterystyka energetyczna biomasy, a paliw konwencjonalnych

Poniżej przedstawiono charakterystykę energetyczną drewna, słomy w porównaniu do węgla i oleju opałowego.

7.6 Zalety i wady biomasy

Zakłada się, że przy energetycznym wykorzystaniu biomasy w tym procesie spalania biopaliwa, biomasa posiada zerowy bilans emisji CO₂. Oznacza to, że emisja dwutlenku węgla równa jest pochłanianiu CO₂ przez wzrastające rośliny na drodze fotosyntezy. Dlatego zaletami zastosowania biopaliw są:

• Zerowy bilans emisji CO₂
• Niska zawartość siarki w biomasie, sprawia, że do atmosfery dostaje się mniej tlenków siarki podczas spalania;
• Podczas spalania powstaje mało popiołów;
• Stałe dostawy biomasy, możliwość jej składowania;
• Możliwość wykorzystania surowców odpadowych np. słomy;
• Rozwija się lokalny rynek pracy, zwiększa się zatrudnienie;
• Przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa energetycznego kraju. 

Do wad biopaliw należą:

• Przy spalaniu emitowane są gazy szkodliwe i toksyczne takie jak H₂S, SO₂, tlenki azotu NO_x, benzopireny i węglowodory aromatyczne, których emisję należy kontrolować.
• Podczas spalania biomasy   zanieczyszczonej pestycydami związkami chloru, czy innymi chemikaliami do atmosfery mogą dostać się związki rakotwórcze;
• Duże zawilgocenie biomasy negatywnie wpływa na efektywność procesu spalania oraz niższą wartość opałową;
• Popiół niektórych biopaliw topi się w temperaturze spalania i może powodować zaślepianie (zalepianie) rusztów paleniska;
• Wstępne przetwarzanie biomasy na paliwa ciekłe lub gazowe związane jest z dużymi nakładami inwestycyjnymi, zalecane jest więc wykorzystanie blisko miejsc pozyskiwania;
• Zmniejsza się bioróżnorodność w wyniku prowadzenia plantacji roślin energetycznych.