Doc. Dr. Vincenc BUTALA, Dr. Uroπ STRITIH, Gregor ZUPAN Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojniπtvo, AπkerËeva 6, Ljubljana DALJINSKO OGREVANJE: ENERGIJSKA ALTERNATIVA LESNA BIOMASA PROTI FOSILNIM GORIVOM V Sloveniji je daljinsko ogrevanje prisotno predvsem v mestih. Kot vir energije se uporabljajo razliëna fosilna goriva, katerih zaloge so omejene, zahteve glede emisij pa Ëedalje stroæje. Slovenija je bogata z lesom, kar predstavlja izjemno narodnogospodarsko bogastvo. Tudi pri nas moramo, tako kot v Avstriji, na Finskem in na vedskem, priëeti organizirano uporabljati (lesno) biomaso, saj imamo relativno velik potencial (gozdovi, lesno predelovalna industrija, itn.), ki pa je πe vedno v veliki meri energijsko neizkoriπëen in tako predstavlja neizkoriπëen domaëi vir energije. Uporaba lesne biomase v energijski namen lahko pomembno vpliva na gospodarnost - zmanjπevanje slovenske energijske uvozne odvisnosti (do 24 % nadomesti kurilno olje EL) in pomaga pri realizaciji Kiotskega protokola (prispevek 1,6 % k zahtevanemu 8 % zmanjπanju). Sodobne tehnologije za pretvorbo notranje energije (lesne) biomase v toploto so popolnoma avtomatizirane, energijsko visoko uëinkovite ter okolju prijazne. na lesno biomaso se Ëedalje bolj uveljavlja. Z ustreznimi subvencijami je mogoëe preseëi viπje investicijske stroπke, kot so pri uporabi fosilnih goriv. je naëin preskrbe z energijo, pri katerem se medij (voda) na enem centralnem mestu greje v (toplarni TO, termoelektrarni-toplarni TE-TO) in se s pomoëjo Ërpalk in razvodne mreæe distribuira do porabnika. Nosilec toplote v vroëevodnem sistemu je kemiëno pripravljena vroëa voda. Temperatura vode v omreæju je odvisna od zunanjih temperatur zraka in je v dovodnem vodu najveë 13 C in najmanj 7 C. na biomaso daje pomembne prednosti: okoliπke koristi (CO 2 nevtralno, obnovljiv vir energije, Ëisto gorivo ), ekonomske prednosti (nizke cene goriv v primerjavi s konvencionalnimi fosilnimi gorivi; 1,5 do 4-krat ceneje) (1), poveëanje lokalne zaposlitve, prispevek h gospodarjenju z gozdovi, optimizacija proizvodnje energije, ki temelji na biomasi. Energija je osnovni pogoj za razvoj neke deæele. Razvitost dræave se kaæe v sploπni rabi energije in rabi na enoto proizvoda. VeËino toplote za ogrevanje stavb pridobimo na osnovi zgorevanja fosilnih goriv. Zaloge fosilnih goriv so omejene. Dokazane dosegljive rezerve fosilnih goriv in njihova primerjava s sedanjim Ërpanjem rezerv so podane v preglednici 1. BIOMASA ZA DALJINSKO OGREVANJE Danes je biomasa v svojem najπirπem pomenu Ëetrti najveëji energijski vir v svetu. Predvideva se, da bo v letu 22 iz biomase pridobljeno 4727 PJ (113 Mtoe) energije. K tej biomasi lahko priπtejemo πe 46 PJ (11 Mtoe) energije komunalnih odpadkov, kar skupaj predstavlja zelo pomemben energijski vir. Izrazit porast uporabe biomase je predviden predvsem zaradi poveëanja rabe tekoëih biogoriv ter na podroëju izkoriπëanja biomase za proizvodnjo elektriëne energije. Lesna biomasa poleg hidro potenciala v Sloveniji trenutno predstavlja najveëji energetski potencial med obnovljivimi viri energije (OVE). Izdelane so πtevilne pravne in programske podlage za izkoriπëanje lesne biomase, ki se pribliæujejo evropskim pogledom [3]. Bela knjiga COM(97) 599, Energy for the Future, Renewable Sources of Energy) je dokument EU, ki daje izredno teæo izrabi lesne biomase. V njej je predvideno zmanjπanje emisij CO2 za 255 mio ton/leto do leta 21, kar predstavlja veë kot 6 % zmanjπanje emisij CO2, ki ga lahko prispevajo vsi viri OVE. EU naërtuje podvojitev deleæa OVE na 12 % v celotni energetski oskrbi dræav do leta 21. Resolucija o strategiji rabe in oskrbe Slovenije z energijo doloëa poveëanje lesne biomase v deleæu primarne energije s 4,2 % (leto 1996) na 8 do 1 % leta 21. Ocena kumulativne proizvodnje do 199 (Gtoe*) ni podatkov ni podatkov 86 Ocena rezerv leta 199 v odnosu na letno proizvodnjo (leta) Ocena dokazanih rezerv v letu 199 (Gtoe*) 496 11 137 18 Premog (brez lignita) Lignit Nafta 197 293 56 Preglednica 1 Dokazane rezerve fosilnih goriv in razmerja med rezervami in proizvodnjo (2). 24 1/24
Preglednica 2 Karakteristike dræav s podobno pogozdenostjo (2). Avstrija vedska Finska Slovenija tevilo prebivalcev (1) 853 8815 599 1988 Povrπina dræave (km 2 ) 83.857 449.964 338.145 2.256 Pogozdenost (%) 46 54 65 55 Temperaturni primanjkljaj (K.dan) 3821 385 4324 3334 Dolæina ogrevalne sezone (mesec) 7-8 8-9 8-9 6-7 tevilo gospodinjstev (1) 27 3763 2119 6 ZGOREVANJE UPLINJANJE PARNI PROCES OGREVANJE ELEKTRIKA Slika 1 Tehnologije za daljinsko ogrevanje na biomaso Relativno velika pogozdenost Slovenije omogoëa primerjavo s podobnimi evropskimi dræavami, npr. z Avstrijo, vedsko ali Finsko (preglednica 2). na biomaso je verjetno najlaæja pot k poveëanju deleæa v primarni energijski bilanci. Omejena uporaba kapacitet v daljinskem ogrevanju na biomaso v juæni Evropi in visoka cena elektriëne energije odpira moænosti kombinacije pridobivanja toplotne in elektriëne energije (slika 1). Tudi iz eksergijskega vidika mora imeti soproizvodnja toplotne in elektri- Ëne energije prednost pred izkoriπëanjem lesne biomase neposredno v ogrevalni namen. Toploto, nastalo pri soproizvodnjem procesun je treba uporabiti v sistemu daljinskega ogrevanja. Tehnologije temeljijo na zgorevanju biomase in proizvodnji pare pri visokem tlaku, proizvodnji elektriëne energije v parnih turbinah in nato uporabi pare za ogrevanje. Preseæek proizvedene pare poveëa proizvodnjo elektrike. Uplinjanje biomase je tehnologija, ki postaja komercialna. Ta tehnologija omogoëa uporabo motorjev ali turbin z notranjim zgorevanjem in odpira vrsto novih naëinov ogrevanja, zaradi viπje entalpije pare. Uplinjanje se lahko uporabi v parnih ali kombiniranih procesih. PRIMERI DALJINSKEGA OGREVANJA StatistiËni podatki za dræave, ki za daljinsko ogrevanje vse bolj uporabljajo obnovljive vire energije, predvsem lesno biomaso Avstrija Celotna raba primarne energije v Avstriji znaπa 1187 PJ (leta 1998), kjer prevladujejo fosilna goriva (slika 2). Kar 23 % (275 PJ) celotne rabe predstavljajo obnovljivi viri energije. VeË kot 57 % od vse biomase je samo lesnih polen, ki so tako glavni vir biogoriv v Avstriji (slika 3). Okoli 11 % (125 PJ) primarne energije v Avstriji je pridobljeno z biomaso. NajveËji del te energije se rabi v tradicionalnih peëeh in kotlih (kurjenje z lesnimi poleni). V zadnjih 2 letih je bila vpeljana nova tehnologija za pridobivanje toplote - daljinsko ogrevanje, za katero se kot gorivo uporabljajo lesni sekanci, industrijski lesni ostanki in slama. Do leta 21 je bilo postavljenih veë kot 6 sistemov daljinskega ogrevanja na biomaso. V 51 sistemu daljinskega ogrevanja se proizvede pribliæno 172 GWh daljinske toplote (slika 4). Okoli 3 majhnih in zelo majhnih sistemov (pod 1 kw) je bilo zgrajenih predvsem v zadnjih nekaj letih in niso vkljuëeni v sliki (5). Gorivo Lubje Æamanje Lesni sekanci Æaganje Poraba v 1 Srm 88 465 462 232 61 228 1/24 Poraba v % 23 23 11 3 1 Preglednica 3 Goriva, uporabljena za daljinsko ogrevanje na biomaso (5) Plin 284 PJ 24% Nafta 494 PJ 4 Lesna polena 57,4% 16 12 8 Burgenland Vodna energija 134 PJ 1 Biomasa 125 PJ 1 Slika 2 Raba primarne energije v Avstriji (1998) (4) Gorljivi odpadki 7,8% Carinthia Bioplin, odpadni plin 1, Slika 3 Bioenergijski viri v Avstriji (1998) (4) tevilo sistemov daljinskega ogrevanja Inπtalirane naprave v MW Spodnja Avstrija Zgornja Avstrija Salzburg Ostanki 1 PJ Ostali obnovljivi viri 6 PJ Premog 134 PJ 1 Stranski proizvod pri predelavi papirja 16,5% Slama tajerska Tirolska Briketi 1,9% Lubje 5% Biodiesel,4% Peleti,4% Æaganje 4, Lesni sekanci 4% Slika 4 tevilo sistemov daljinskega ogrevanja na biomaso (na zaëetku leta 2) Vorarlberg 25
Eno-druæinska stanovanja VeË-druæinske stavbe Javne stavbe Komercialne stavbe Ostale stavbe 9 13. 1 12 25. Vir energije Les Premog/koks Kurilno olje EL Preglednica 4 Stanovanja, ogrevana z daljinsko toploto na biomaso (5). 574 61 711 437 219 164 27 2734 Preglednica 5 Ogrevanje zasebnih stanovanj (πtevilo stanovanj v tisoëih) (4). 199 68 5 781 579 26 231 29 2893 598 358 87 658 269 269 3 299 1995 572 215 843 777 312 347 56 3123 1997 514 182 863 793 38 39 98 3148 Preglednica 4 prikazuje πtevilo stanovanj, ki so ogrevana z daljinsko toploto na biomaso. Pregled stanovanjskih ogrevalnih sistemov v Avstriji kaæe, da je od zaëetka 9-ih let opazen veëji padec v rabi biomase v zelo pomembnem podroëju rabe: ogrevanju in oskrbi s toplo vodo individualnih hiπ; porast je opazen na podroëju daljinskega ogrevanja z lesno biomaso (preglednica 5). Avstrijske vasi s sistemi daljinskega ogrevanja na biomaso imajo med 5 in prebivalcev. Toplotna moë sistemov daljinskega ogrevanja na biomaso se giblje med nekaj 1 kw do 8 MW, z omreæjem med 1 metri in 2 km. Dve tretjini vseh sistemov imata moë manjπo od 15 kw. Na sliki 5 je prikazano πtevilo novo ustanovljenih sistemov daljinskega ogrevanja na biomaso v 4 pokrajinah (Spodnja Avstrija, Zgornja Avstrija, Salzburg in tajerska), kjer je zgrajena veëina sistemov v Avstriji. RdeËi stolpci kaæejo sisteme moëi preko 8 kw, ki oskrbujejo celotno naselje, vijoliëni stolpci pa kaæejo manjπe sisteme, ki ogrevajo samo nekaj veëjih stavb v centru naselij. Finska Cilj finske energijske strategije je poveëanje rabe lesa in ostalih obnovljivih virov energije. Celotna raba primarne energije je bila 1318,19 PJ leta 21, od katere je 131,8 PJ energije pridobljeno z lesnimi gorivi. Od celotne rabe primarne energije na Finskem je 2 % bioenergije. Ker je na Finskem mrzlo podnebje, traja ogrevalna sezona pribliæno 9 mesecev. Za ogrevanje stavb se porabi ena petina energije. Kar 48 % celotnega ogrevanja predstavlja daljinsko ogrevanje (leta 1999, slika 6). Polovico manjπe je bilo ogrevanje s kurilnim oljem. Danes se na Finskem uporablja daljinsko ogrevanje v veë kot 2 obëinah, v veë kot 5 obëinah pa je vgrajen sistem soproizvodnje toplotne in elektriëne energije. Celotna proizvodnja elektriëne energije v soproizvodnjih sistemih, kjer uporabljajo kot gorivo les, je 2 MWe. VeËina teh sistemov je opremljena s kurilnimi napravami, v katerih se lahko kuri veë vrst goriv (npr.: πota in les - preglednica 6). V letu 1999 je proizvodnja toplote v soproizvodnih sistemih predstavljala 75 % celotne daljinske toplote, ki je znaπala 29 TWh. tevilo enodruæinskih hiπ na Finskem, ki se ogrevajo s pomoëjo daljinske toplote, je vsako leto veë (preglednica 7). vedska V sektorju daljinskega ogrevanja na vedskem je raba energije na osnovi biomase ustvarila trg biogoriv. Raba biogoriv je leta 1996 znaπala 43 % (82,4 PJ) v daljinskem ogrevanju. Raba najbolj pogostega biogoriva - lesa je bila primerjana z lokalnim poloæajem trga z lesnimi gorivi. Rezultati kaæejo, da je uporaba lesa znotraj sistemov daljinskega ogrevanja odvisna od lokalne oskrbe z lesnimi gorivi in od konkurence sosednjih sistemov daljinskega ogrevanja. Leta 1996 je veë kot 1 sistemov daljinskega ogrevanja uporabljalo biogoriva, predvsem lesna goriva (23 % vseh goriv), obëinske trdne ostanke (9 %) in πoto (6 %) ter biogoriva v kombinaciji z ostalimi viri energije, kot so olje, premog, zemeljski plin, toplotne Ërpalke in industrijska odpadna toplota (8(. V celoti je bilo leta 21 vloæeno za proizvodnjo toplotne in elektriëne energije 57,6 TWh. Glavni vir so bila trdna biogoriva, ki so znaπala 28 % celotne porabe goriv (slika 7). Celotna uëinkovitost soproizvodnjih sistemov je bila 87 %. Do konca leta 21 je πtevilo odjemalcev daljinskega ogrevanja naraslo na 177.5, daljinska toplota je bila dovedena 1.75. stanovanjem in stanovanjskim stavbam ter 153. enostanovanjskim hiπam. Oskrba z daljinsko toploto je 21 dosegla 46,6 TWh (leto 21 je bilo nenavadno toplo, zato bi bila realna vrednost v normalnem letu πe viπja). SLOVENIJA Najbolj pomemben nosilec energije v Sloveniji je kurilno olje s 34,3 % deleæem (slika 9). Deleæ premoga je 21 %, nuklearne energije 2 %, plinastih goriv pa 12,5 %. Deleæ obnovljivih virov energije v primarni energijski bilanci je bil pribliæno 6,6 % v 21. Kar 63,8% obnovljivih virov energije so predstavljali les in lesni odpadki. Slovenska energijska odvisnost od uvoæene energije je pribliæno 48,2 %. V Sloveniji je les narodno in tudi energetsko bogastvo, saj je od skupne povrπine 2.253 km 2 kar 55 % ozemlja poraπëenega z gozdovi. Zaloga lesne mase se iz leta v leto poveëuje, saj sedanji letni posek predstavlja le 38 % etata. V primerjavi z letom 1947 se je lesna masa v gozdovih poveëala za 87 % (podatek za leto 199) (12). Slika 5 Letno ustanovljeni sistemi (6) 7 6 5 3 2 1 198 1983 1985 1986 1987 1988 1989 199 1991 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 Stevilo sistemov < 8 kw > 8 kw 26 1/24
Raba energije (GWh) 6 5 3 2 1 Teæko kurilno olje Ogrevanje na elektriko Lahko kurilno olje Les in UNP 199 1991 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 Slika 6 Viri energije za ogrevanje (7) Preglednica 7 Izbira ogrevalnih sistemov v enodruæinskih hiπah na Finskem (πtevilo hiπ) (7) ogrevalni sistem 1996 1997 1998 1999 2 15 18 2 21 22 41 58 66 68 7 6 8 9 1 Okoliπka toplota 2 6 9 15 Ogrevanje na les 11 1 12 9 8 73 1. 11.2 11.6 12.5 Preglednica 6 Sistemi na trdna lesna goriva in πoto na Finskem leta 1995 (>1MW) (7) ObËinski sistemi za daljinsko ogrevanje ObËinski sistemi s soproizvodnjo Industrijske ogrevalne postaje Industrijski sistemi s soproizvodnjo na les 47 9 67 19 na πoto 22 15 na les in πoto 44 16 7 25 Deleæ lesa v % 52 17 97 64 Deleæ πote v % 48 83 3 36 Celotno πt. sistemov 113 3 74 44 Raba biomase leta 1995 v GWh 1969 13.21 4238 17 ElektriËni grelci Toplotne Ërpalke 14% 6% Topla voda 6% 7% Odpadna toplota 9% Premog Bioplin Odpadki 1 Trdna biogoriva 28% Zavræen les Borovo olje ota 5% Slika 7 Energija, uporabljena za proizvodnjo daljinske toplote (21) (9) Plin 35,6 PJ Nuklearna energija 57,36 PJ Slika 9 Primarna raba energije v Sloveniji (283 PJ v 21) (11) Trdna goriva Hidroelektrarne 13,6 PJ Majhne hidroelektrarne 1,3 PJ Kurilno olje 97 PJ Biomasa 12 PJ Ostali obnovljivi viri 5,5PJ Premog 6,3 PJ Daljinska toplota 5% ElektriËna energija 2 Raba energije (TWh) 2 18 16 1 12 1 8 6 2 197 1972 1974 Slika 8 Raba konëne energije v stanovanjskem in javnem sektorju (1) 1/24 1976 1978 198 1982 1986 1988 Ostala goriva Biogoriva, πota, itd. 199 1994 1996 1998 2 TekoËa goriva 5 Slika 1 Struktura konëne energije v Sloveniji (11) Plinasta goriva 17% Slika 1 predstavlja strukturo konëne energije za vsa podroëja. V industriji se porabi 5,8 PJ energije, v prometu 57,5 PJ, v gospodinjstvu 47,3 PJ in za ostalo rabo 33,2 PJ. V primerjavi s primerljivimi dræavami (Avstrija, Finska, vedska) imamo v Sloveniji zelo majhen deleæ daljinskega ogrevanja, ki ga pokrivajo predvsem trdna goriva (premog) in plinasta goriva. Obnovljivi viri pokrivajo samo 1,3 % daljinske toplote v Sloveniji (slika 11). 27
Trdna goriva 65,9% Obnovljivi viri 1, Plinasta goriva 31,4% Preglednica 8: Deleæ lesne biomase v primarni energijski bilanci (14) Primarna energija (PJ) Lesna biomasa (PJ) Deleæ lesne biomase (%) Avstrija 1187 125 1,53 vedska 216 144 6,8 Finska 1318 131,8 1 Slovenija 283 12 4,2 TekoËa goriva 1,5% Slika 11 Struktura porabe goriv za proizvodnjo daljinske toplote (21) (13) Kotlovnica na lesno biomaso v Preddvoru KratkoroËni razvojni cilj je odstraniti ovire za poveëano uporabo biomase kot energijskega vira, zmanjπati porabo fosilnih goriv ter poslediëno zmanjπati emisije toplogrednih plinov. Poleg poveëane rasti individualnega ogrevanja z biomaso se do leta 21 predvideva izgradnja 3-5 daljinskih sistemov z uporabo lesne biomase. Izgradnja novih sistemov na lesno biomaso bo pripomogla k rasti domaëega gospodarstva, k novim delovnim mestom, razvoju in proizvodnji domaëih tehnologij in predvsem k ustvaritvi nove dodane vrednosti. V Sloveniji imamo tri toplarne za proizvajanje daljinske toplote na lesno biomaso: v Æeleznikih, v Gornjem Gradu in v Preddvoru. Æelezniki: Toplarna Æelezniki je v letu 2 proizvedla 14.488.976 kwh toplotne energije. Od tega: 67 % za industrijo, 21 % za stanovanja in stanovanjske stavbe, 12 % za javne stavbe. Gornji Grad: Leta 1995 sta bili vgrajeni dve kurilni napravi (vsaka po 2 MW) na lesno biomaso. Kurilno napravo, INTEGRAL 2, je izdelala πvedska druæba JÄRNFORSEN, naprava pa ima izkoristek 82 % pri 55 % vlagi goriva (æaganje, lubje, odpadni les). V letu 21 je bilo proizvedeno 3.265.5 kwh toplote. Preddvor: razvodno omreæje je (bo) dolæine 7 km iz predizoliranih cevi, ki prek kompaktnih toplotnih postaj povezuje v sistem 212 objektov. Sistem daljinskega ogrevanja je krajanom Preddvora nadomestil porabo 8. litrov kurilnega olja letno, zmanjπal emisije CO 2 za 2.13 ton/a in emisije CO za 37 ton/a. ZAKLJU»EK Preglednica 8 prikazuje deleæ lesne biomase v primarni energijski bilanci. Ugotovimo lahko, da Slovenija v tem pogledu zaostaja za evropskimi dræavami. Izraba biomase v energetske namene je v Sloveniji kljuënega pomena za zmanjπevanje emisij toplogrednih plinov, pripomore pa tudi k zmanjπevanju energetske odvisnosti, ima sinergijski uëinek v drugih gospodarskih panogah, prispeva k razvoju lokalnega, regionalnega in nacionalnega gospodarstva ter k uëinkovitemu uresniëevanju sodobne okoljske politike v skladu z nacionalnim programom varstva okolja in usmeritvami EU. Uporaba trenutno razpoloæljivega potenciala lesne biomase omogoëa nadomestilo 24 % kurilnega olja EL. Program energetske izrabe lesne biomase v Sloveniji (3) je osnovni programski dokument za pospeπevanje rabe lesne biomase v energetske namene. OmogoËa poveëanje deleæa OVE v primarni energetski bilanci za 1,8 % in prispeva 1,6 % deleæ k zahtevanemu 8 % zmanjπanju nacionalnih letnih emisij CO 2 po Kiotskem protokolu. Slika 12 podaja primerjavo emisij kurilne naprave na lesno biomaso in kurilnega olja EL. Zgorevanje lesne biomase je CO 2 nevtralno, dokler njena poraba ni veëja od njenega prirastka. Vrednost celotnega programa energetske izrabe lesne biomase v Sloveniji znaπa 179 mio EUR, potrebnih za izgradnjo 5 velikih sistemov na lesno biomaso, ki bodo poleg izgradnje sistemov daljinskega ogrevanja (povpreëne moëi 3 MWt) zajemali veëje industrijske kotle, nadalje 1 modernih kotlov na lesno biomaso manjπih moëi (povpreëno 3 kwt), ki vkljuëujejo izgradnjo mikro sistemov, in 5 majhnih kotlov za individualno ogrevanje (povpreëne moëi do 3 kwt). IzhajajoË iz inkrementalnih stroπkov, ki nastanejo zaradi veëjih zaëetnih investicijskih stroπkov v primerjavi z uporabo klasiënih tehnologij in za katere so v programu predvidene subvencije iz proraëuna, znaπajo stroπki ene tone zmanjπanja emisij CO 2 od 35 do 13 EUR (3). 78 45 1 Spisek literature je v Uredniπtvu. 12 3 2 1 8 16 5 1 4 2 1 5 SO 2 NO X C X H Y CO CO 2 Prah SO 2 NO X C X H Y CO CO 2 Prah Slika 12 Primerjava emisijskih vrednosti pri uporabi EL kurilnega olja in lesne biomase (12) 28 1/24