Biomasa i biopaliwa – pelet drzewny

„Wzrost poziomu życia oraz ogólny rozwój niesie ze sobą zwiększenie zapotrzebowania na energię cieplną. Znaczna część energii wytwarzana jest przez spalanie paliw kopalnych, takich jak węgiel kamienny, węgiel brunatny, paliwa ropopochodne oraz gaz. Zasoby naturalne poszczególnych paliw w sposób oczywisty kurczą się, zaś w najbliższych dziesięcioleciach zostaną wyczerpane złoża, które uznawane są za łatwo dostępne. Zwiększające się zapotrzebowanie na energię oraz kurczące się zasoby paliw powodują stały wzrost ich cen. Wykorzystanie paliw kopalnych niesie różnego rodzaju niebezpieczeństwa, między innymi zachwianie bilansu w ekosystemie pomiędzy produkcją a pochłanianiem dwutlenku węgla, mogące wpływać na ogólne ocieplenie klimatu, zanieczyszczenie atmosfery itd. Alternatywę dla powyższego stanu w wybranym zakresie małych i średnich mocy może stanowić pozyskiwanie energii cieplnej ze źródeł odnawialnych, np. przez spalanie biopaliw w specjalnie przeznaczonych do tego kotłach” [1].

Biomasa i biopaliwa

Substancją wyjściową do produkcji biopaliw jest biomasa. Wyróżnić można biomasę pochodzenia leśnego, rolnego oraz biomasę z odpadów organicznych. Ustawodawca rozszerza pojęcie biomasy o biomasę pochodzenia zwierzęcego oraz pozostałe odpady ulegające biodegradacji [2]. Zgodnie z rozporządzeniem z 2008 roku w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii [3]: Biomasa to 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.

Nowa definicja biomasy znajduje się w ustawie o odnawialnych źródłach energii z 2015 roku [10], która podlegała kolejnym nowelizacjom (DzU 2018, poz. 2389 i 2245, DzU 2019, poz. 42, 60, 730, 1495, 1524). Wprowadza ona pojęcie biomasy i biomasy pochodzenia rolniczego – pod pojęciem biomasy należy rozumieć: 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.

Natomiast za biomasę pochodzenia rolnego uznaje się: biomasę pochodzącą z upraw energetycznych, a także odpady lub pozostałości z produkcji rolnej oraz przemysłu przetwarzającego jej produkty.

Biopaliwa

Biopaliwa powstają z przetwórstwa biomasy; ze względu na ich stan skupienia można je podzielić na biopaliwa stałe, gazowe i ciekłe. Obecnie największe znaczenie energetyczne mają biopaliwa stałe pochodzenia leśnego i rolnego w postaci niskoprzetworzonej biomasy (np. drewno kawałkowe), zrębki drzewne, brykiety, pelety, ziarna zbóż, trawa, słoma itp. Do tej grupy można zaliczyć przetworzone odpady przemysłu drzewnego i spożywczego. Jako biopaliwo stałe traktuje się także biodegradowalną frakcję odpadów komunalnych. Nie uznaje się natomiast za paliwo odnawialne suszonego lub brykietowanego torfu, ponieważ torf jest paliwem kopalnym.

Pochodną biomasy stałej jest gaz powstający ze zgazowania biomasy stałej, np. gaz drzewny, z niemiecka nazywany także holzgazem, który powstaje w wyniku suchej destylacji drewna (tzw. destylacja rozkładowa). Do biopaliw gazowych zaliczamy również biogaz otrzymywany w procesie fermentacji beztlenowej biomasy, zawierający duże ilości metanu, oraz gaz wysypiskowy.

Biopaliwa ciekłe to paliwa z ekstrakcji roślin oleistych (biodiesel, olej roślinny) oraz paliwa z fermentacji alkoholowej (metanol, etanol), wykorzystywane do napędu silników spalinowych w transporcie. Do tej grupy można zaliczyć także drzewne żywice, oleje i benzyny. Obecnie najpowszechniej wykorzystywane poza biopaliwami stałymi są tzw. biopaliwa I rodzaju, które są produkowane z roślin używanych także do produkcji żywności. Biopaliwa mogą występować w formie:

• wysokoprzetworzonej, takiej jak pelet, brykiety, biodiesel, alkohole, oleje, benzyny,
• niskoprzetworzonej, takiej jak zrębki, zagęszczone i osuszone osady ściekowe, trawy, słoma, gaz drzewny lub gaz z fermentacji,
• naturalnej (tzn. że nie zostały poddane rozdrobnieniu lub uszlachetnieniu składu): ziarna roślin, torf, gaz wysypiskowy, żywice.

Paliwa wysokoprzetworzone charakteryzują się stabilną i wysoką wartością opałową, stałym składem fizycznym i chemicznym, stałymi parametrami technicznymi oraz niską zawartością zanieczyszczeń. Ze względu na wysoki stopień przetworzenia cechuje je też relatywnie wysoka cena. Paliwa niskoprzetworzone oraz występujące w stanie naturalnym mają mniejszą wartość opałową, większą i zmienną zawartość wilgoci, a także zmienny skład fizyczny i chemiczny.

Zawierają więcej zanieczyszczeń i trudniej z nich wytworzyć energię cieplną. Ze względu na niski stan przetworzenia są tańsze w wytworzeniu w stosunku do paliw wysokoprzetworzonych. Podstawowymi produktami spalania biopaliw pochodzenia roślinnego są dwutlenek węgla (CO₂) i woda (H₂O). Spalanie biopaliw nie powoduje zachwiania bilansu dwutlenku węgla w powietrzu, ponieważ wcześniej CO₂ z powietrza zostało pobrane do wzrostu roślin w procesie fotosyntezy 6CO₂+6H₂O->C₆H₁₂O₆+6O₂. Spalanie biopaliw pochodzenia drzewnego w stanie wysokoprzetworzonym lub w stanie naturalnym powoduje niską emisję SO₂ i NO_x do atmosfery w związku ze śladowymi ilościami tych pierwiastków w paliwie. Paliwa te nie zawierają żadnych szkodliwych substancji chemicznych, będących składnikami klejów czy lakierów [2]. W przypadku spalania takich biopaliw stałych jak owies można się spodziewać zwiększonej emisji tlenków azotu w związku z azotem zawartym w białku. Trwają prace nad modyfikacjami genetycznymi mającymi na celu wytworzenie owsa niskobiałkowego do celów energetycznych.

Pobierz bezpłatnie poradnik: Bezpłatny e-book Kotły na pellet i drewno kawałkowe | RynekInstalacyjny.pl

Pelety

Obecnie najbardziej popularnym biopaliwem stałym jest pelet. Pelet drzewny występujący w postaci brykiecików wizualnie przypomina kołki stolarskie. Ma najczęściej kształt walca o średnicy 6 lub 8 mm i długości od 3,15 do 50 mm [4–6, 12]. Mogą być również wytwarzane pelety o średnicy do 25 mm. Jest to zagęszczona uformowana biomasa drzewna z dodatkami lub bez, ze złamanymi końcami. Najpowszechniejszy jest pelet wytwarzany z drewna (fot. 1), gdzie surowcem jest drewno z lasów, plantacji i inne surowe, pozostałości z przemysłu drzewnego, produkty uboczne, nieprzetworzone chemicznie drewno użytkowe. Przeznaczony jest on do użytku nieprzemysłowego, np. spalania w kotłach małej mocy, oraz przemysłowego spalania w kotłach średniej i dużej mocy, np. na cele energetyczne i/lub technologiczne.

Pelet drzewny jest paliwem odnawialnym, standaryzowanym, wysokoprzetworzonym, uzyskiwanym ze sprasowania suchych kawałków drewna w formie trocin, wiórów, zrębków lub innych odpadków w postaci naturalnej bez kory. Peletyzacja nazywana bywa także granulacją, aglomerowaniem lub produkcją minibrykiecików. Proces ten polega na zagęszczaniu, prasowaniu i wysokociśnieniowym formowaniu przygotowanych materiałów sypkich i włóknistych. Aglomeryzacja jest tu procesem łączenia pylastego materiału w kształt cylindrycznych minibrykietów o pożądanym kształcie, składzie chemicznym i strukturze. Podstawowe etapy produkcji to suszenie surowca drzewnego, mielenie do odpowiedniej wielkości ziarna, prasowanie i chłodzenie. Przygotowany surowiec poddaje się działaniu wysokiego ciśnienia z dodatkiem pary wodnej lub wody, od 15 do 60 MPa. W procesie technologicznym z zasady nie stosuje się żadnych dodatków chemicznych ani sztucznych lepiszczy. Niekiedy dla obniżenia parametrów sprasowywania, poprawienia sprawności produkcji oraz stabilności mechanicznej dodawane są nieznaczne ilości (1–3%) substancji organicznych, takich jak mąka ziemniaczana, skrobia, mąka kukurydziana, odpady alkoholowe, odpady z przemysłu papierniczego, olej roślinny, lignina lub melasa. Dopuszcza się dodatki poprawiające właściwości spalania lub zmniejszające emisję.

W celu uzyskania dobrej jakości peletu należy wykorzystywać naturalną spoistość drewna. W drewnie znajduje się lignina [26] stanowiąca naturalne plastyczne spoiwo włókien celulozy. Śladowe ilości środka smarującego, które ze względów technologicznych są wprowadzane do strumieni przetwarzanego paliwa jako część operacji mielenia, nie są uważane za dodatki.

Na rynku dostępny jest pelet uzyskiwany z różnego rodzaju biomasy. Na znaczeniu zyskują pelety na bazie biomasy niedrzewnej: słomy (fot. 2), nasion słonecznika (fot. 3), miskantu cukrowego (fot. 4), rzepaku, pestek owoców, siana i innych naturalnych substancji palnych.

Wytwarzane są także pelety toryfikowane, które powstają dzięki łagodnej przeróbce biomasy w zakresie temperatur 200–300°C.

Pelety drzewne charakteryzuje wysoka wartość opałowa – 2,1 kg peletu zastępuje 1 litr oleju opałowego. Wartość opałowa peletu sięga ponad 70% wartości opałowej najlepszych gatunków węgla. Pelet jest paliwem ekologicznym, spalanym w kotłach o wysokiej sprawności. W wyniku spalania uzyskuje się niewielką ilość popiołu, który jest odprowadzany z palnika kotła do zbiornika magazynowego. Niewielka jego część unoszona ze spalinami osadza się w komorach osadczych kotła. W kotłach o średniej i dużej mocy montowane są specjalne urządzenia do wychwytywania popiołu ze spalin (cyklony, multicyklony). Ponadto popiół ze spalenia peletu stanowi doskonały nawóz dla rolnictwa lub ogrodnictwa.

Specyfikację klas peletów drzewnych zawierają normy przedmiotowe, w których określono podstawy klasyfikacji, klasy paliwa, wymiary geometryczne, zawartość wilgoci, zawartość popiołu, wytrzymałość mechaniczną, zawartość nad- i podfrakcji, wartość opałową, gęstość nasypową, temperaturę spiekania, deformacji, półkuli i temperaturę płynięcia w warunkach utleniających oraz zawartość pierwiastków, takich jak azot, siarka, chlor, arsen, kadm, chrom, miedź, ołów, rtęć, nikiel i cynk. W normach przedmiotowych znaleźć można rekomendacje co do zawartości, certyfikatów i metody badań.

Początkowo specyfikację klas peletów określały normy krajowe, np. austriacka ÖNORM M-7135 [4], niemiecka DIN 51731 [5], szwedzka SS 187120 [6] lub włoska CTI-R 04/5 [7]. Przez wiele lat w Europie brakowało jednej wspólnej normy dla jednoznacznej klasyfikacji peletów pochodzenia drzewnego. Taki stan rzeczy nieco komplikował egzekwowanie parametrów jakościowych paliwa i każdorazowo wymagał deklarowania zgodności z konkretną normą krajową. W wielu punktach normy narodowe znacząco się różniły między sobą. W największym stopniu znormalizowane były zagadnienia związane z biopaliwami w Austrii, gdzie dodatkowo dwie normy ÖNORM M-7136 [8] i ÖNORM M-7137 [9] poświęcone były odpowiednio logistyce oraz przechowywaniu paliw. Należy dodać, że najbardziej restrykcyjną z nich jest norma austriacka ÖNORM M-7135, np. w zakresie zawartości popiołu. Niezależnie od tego w 2002 roku powstał system DINplus, ustanowiony przez organizację DIN Certco GmbH (Niemiecki Instytut Certyfikacji) [27], który w znacznej części bazuje na austriackiej normie [4] poszerzonej o analizę pierwiastkową normy niemieckiej [5]. W ramach tego systemu nadawane są certyfikaty potwierdzające spełnienie wymagań EN 14961-2 w klasie A1 dla peletów drzewnych przeznaczonych do kotłów centralnego ogrzewania. Certyfikat przyznawany jest na 5 lat, obejmuje proces produkcji oraz paliwo i jest najbardziej rozpowszechniony w Niemczech i Austrii. Producent jest zobowiązany do cotygodniowego dokumentowania wyników badań  sprawdzających poziom wilgotności, ścieralności, gęstości, zawartości wypełniaczy i podlega niezapowiedzianym kontrolom inspektorów jednostek certyfikujących. W latach 2010–2012 pojawiła się grupa norm europejskich PN-EN 14961 dotycząca biopaliw stałych [11–16]. Jedna z nich określa parametry peletów drzewnych do zastosowań nieprzemysłowych [12]. W 2010 roku opracowano system certyfikacji ENplus, nadzorowany przez European Pellet Associations (Europejskie Stowarzyszenie Pelletu), który potwierdza zgodność z EN 14961-2 w klasie A1, A2, B. System ten został zbudowany w oparciu o standard ISO 17225-2, certyfikacji podlega także proces produkcji oraz łańcuch dostaw. W 2017 roku w oparciu o system ENplus wyprodukowano ok. 6 mln ton certyfikowanego peletu w 41 krajach na pięciu kontynentach.

W 2014 roku wprowadzono nową serię norm europejskich PN-EN ISO 17225 dotyczących biopaliw [16–23], które zastępują normy grupy PN-EN 14961. Certyfikacja peletu nie jest obowiązkowa, dlatego obecnie różni producenci peletu deklarują zgodność z różnymi normami. Najnowsza norma dotycząca specyfikacji peletów drzewnych [18] przewiduje klasy A1, A2, B. Różnią się one m.in. dopuszczalną zawartością popiołu w stanie suchym, która wynosi odpowiednio: A1 ≤ 0,7%; A2 ≤ 1,2%; B ≤ 2,0%. Dla każdej z klas przewidziano następujące zastosowanie:

• A1 – pelety używane do kotłów, pieców, palników i kominków;
• A2 – pelety z większą zawartością popiołów dla urządzeń dużej mocy;
• B – pelety przemysłowe.

Ogólne cechy i parametry modelowe peletu drzewnego podano w tabeli 1.

W Polsce specjalne jednostki badawcze analizują pelet pod względem zgodności z normami i wydają stosowne certyfikaty. Właściwości użytkowe peletów drzewnych potwierdzane są także odpowiednimi certyfikatami zagranicznymi, np. DIN Plus. Wysoka i stabilna jakość paliwa gwarantowana jest przez producenta dzięki stałej kontroli procesu wytwarzania.

Pelet może być konfekcjonowany [24] w zależności od przeznaczenia w małych workach, zawierających paliwo o masie 10, 15, 16, 20, 25 kg, lub dużych workach, tzw. BAG-ach, o masie 700, 800 lub 1000 kg. W przypadku paliwa konfekcjonowanego transport odbywa się na typowych paletach. Pelet może być także dostarczany luzem, bez konfekcjonowania, wówczas transport odbywa się za pomocą cystern samochodowych o ładowności do 24 000 kg (fot. 5).

Załadunek do cystern może się odbywać pneumatycznie lub za pomocą odpowiednich ramp załadowczych [24]. Wyładunek zawsze jest pneumatyczny w układzie jedno- lub dwururowym. W Polsce wyładunek zazwyczaj odbywa się w systemie jednorurowym, analogicznie jak przy wyładunku innych materiałów sypkich, takich jak zboże czy cement, z wykorzystaniem króćców załadowczych i szybkozłączek DN 100 (fot. 6). Pelet może być magazynowany w workach, w pomieszczeniach przeznaczonych wyłącznie na magazyny peletu lub w silosach podziemnych. Pelet jest odporny na samozapłon, dlatego nie stwarza problemów przy magazynowaniu. Należy jednak pamiętać, że w trakcie załadunku pneumatycznego w magazynie zawieszony pył drzewny z peletu tworzy atmosferę wybuchową. Wysokość składowania może wynosić do 3 m. Jest on także odporny na procesy gnilne, a jego gładka powierzchnia utrudnia pochłanianie wilgoci z powietrza, co korzystnie wpływa na trwałość oraz stabilność biologiczną. Jednak okres magazynowania nie powinien być dłuższy niż rok. Dzięki regularnej budowie i odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej pelet jest materiałem łatwym w magazynowaniu i transporcie. Magazyn paliwa powinien być pomieszczeniem suchym, nie wymaga ogrzewania, wystarczy wentylacja grawitacyjna, nie jest wymagana instalacja elektryczna poza oświetleniem i zasilaniem urządzeń załadowczych, jeżeli występują. Jeżeli planuje się załadunek pneumatyczny, instalacja elektryczna powinna być w wykonaniu przeciwwybuchowym.

Powyższe cechy powodują, że pelet doskonale nadaje się do spalania w kotłach działających automatycznie, niewymagających stałej obsługi. Nie bez znaczenia jest także aspekt ekonomiczny w skali regionu. Produkcja i ogrzewanie przy wykorzystaniu peletu często ma charakter lokalny i pobudza miejscowy rynek w zakresie wytwarzania biomasy i jej przetwarzania na biopaliwo. W regionie rozwija się wówczas gospodarka poprzez tworzenie nowych miejsc pracy oraz wykorzystanie środków finansowych na cele własne. Ze względu na wysokie walory użytkowe, ekonomiczne oraz ekologiczne pelet drzewny stanowi podstawowe biopaliwo stałe w energetyce małej i średniej.

Literatura

1. Ojczyk Grzegorz, Zima Wiesław, Spalanie biopaliw stałych – problemy eksploatacyjne, Jubileuszowa Konferencja Kotłowa 2009 z okazji 60-lecia Fabryki Kotłów RAFAKO SA w Raciborzu, Szczyrk, Orle Gniazdo, 13–15 października 2009.
2. Ojczyk Grzegorz, Kotłownia na biomasę (2). Biopaliwa stałe, „Magazyn Instalatora” nr 2/2009.
3. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii (DzU 2008, nr 156, poz. 969, z późn. zm.).
4. ÖNORM M 7135:2000 Presslinge aus naturbelassenem Holz oder naturbelassener Rinde. Pellets und Briketts. Anforderungen und Prüfbestimmungen.
5. DIN 51731 Prüfung fester Brennstoffe. Preßlinge aus naturbelassenem Holz. Anforderungen und Prüfung.
6. SS 187120:1998 Biobränslen och torv-Bränslepellets-Klassificering (Biofuels and peat-Fuel pellets-Classification), Swedish Standards Institution, Stockholm, SIS Standard.
7. CTI-R04/5 Caratterizzazione del pellet a fini energetici, 2004.
8. ÖNORM M 7136:2002 Presslinge aus naturbelassenem Holz oder naturbelassener Rinde, Pellets, Qualitäts-sicherungin der Transport- und Lagerlogistik.
9. ÖNORM M 7137:2003 Presslinge aus naturbelassenem Holz – Holzpellets, Anforderungen an die Pelletslagerung beim Endkunden.
10. Ustawa z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii (DzU 2015, poz. 478).
11. PN-EN 14961-1:2010 Biopaliwa stałe. Specyfikacje paliw i klasy. Część 1: Wymagania ogólne.
12. PN-EN 14961-2: 2011 Biopaliwa stałe. Specyfikacje paliw i klasy. Część 2: Pelety drzewne do zastosowań nieprzemysłowych.
13. PN-EN 14961-3: 2011 Biopaliwa stałe. Specyfikacje paliw i klasy. Część 3: Brykiety drzewne do zastosowań nieprzemysłowych.
14. PN-EN 14961-4: 2011 Biopaliwa stałe. Specyfikacje paliw i klasy. Część 4: Zrębki drzewne do zastosowań nieprzemysłowych.
15. PN-EN 14961-5: 2011 Biopaliwa stałe. Specyfikacje paliw i klasy. Część 5: Drewno opałowe do zastosowań nieprzemysłowych.
16. PN-EN 14961-6: 2012 Biopaliwa stałe. Specyfikacje paliw i klasy. Część 6: Pelety niedrzewne do zastosowań nieprzemysłowych.
17. PN-EN ISO 17225-1: 2014 Biopaliwa stałe. Specyfikacje paliw i klasy. Część 1: Wymagania ogólne.
18. PN-EN ISO 17225-2: 2014 Biopaliwa stałe. Specyfikacje paliw i klasy. Część 2: Klasyfikacja peletów drzewnych.
19. PN-EN ISO 17225-3: 2014 Biopaliwa stałe. Specyfikacje paliw i klasy. Część 3: Klasy brykietów drzewnych.
20. PN-EN ISO 17225-4: 2014 Biopaliwa stałe. Specyfikacje paliw i klasy. Część 4: Klasy zrębków drzewnych.
21. PN-EN ISO 17225-5: 2014 Biopaliwa stałe. Specyfikacje paliw i klasy. Część 5: Klasy drewna kominkowego.
22. PN-EN ISO 17225-6: 2014 Biopaliwa stałe. Specyfikacje paliw i klasy. Część 6: Klasy peletów nie drzewnych.
23. PN-EN ISO 17225-7: 2014 Biopaliwa stałe. Specyfikacje paliw i klasy. Część 7: Klasy brykietów niedrzewnych.
24. Lechowska Agnieszka, Maludziński Bogusław, Ojczyk Grzegorz, Audyt energetyczny na potrzeby termomodernizacji oraz oceny energetycznej budynków, Tom IV. Ochrona cieplna budynków, technologia zgazowania, źródła energii – racjonalizacja zużycia, instalacje centralnego ogrzewania, systemy zaopatrzenia w ciepłą wodę, Tabor A. red., Politechnika Krakowska, Centrum Szkolenia i Organizacji Systemów Jakości, Kraków 2009.
25. Igliński Bartłomiej, Buczkowski Roman, Cichosz Marcin, Ojczyk Grzegorz, Plaskacz-Dziuba Marta, Piechota Grzegorz, Technologie helioenergetyczne, monografia, Wydawnictwa Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, 2013.
26. Wandrasz Janusz W., Wandrasz Andrzej J., Paliwa formowalne, Seidel-Przywecki, Warszawa 2006.
27. Olsztyńska Ilona, Pellety drzewne i ich certyfikacja, SGS Polska, czerwiec 2017, https://magazynbiomasa.pl/pellety-drzewne-i-ich-certyfikacja/.