Możliwości współspalania węgla energetycznego z wierzbą
w Elektrociepłowni Zduńska Wola Sp. z o.o.

Krystyna Lepczyńska - specjalista ds. ochrony środowiska

W dniu dzisiejszym głównym surowcem energetycznym wykorzystywanym do produkcji ciepła i energii elektrycznej w Polsce jest węgiel. Produkty jego spalania negatywnie wpływają na środowisko naturalne przyczyniając się do powstawania efektu cieplarnianego. Innym negatywnym zjawiskiem jego spalania są kwaśne deszcze i powstawanie ogromnych ilości odpadów stałych w postaci żużla i pyłu.

W Elektrociepłowni Zduńska Wola Sp. z o.o. eksploatowane są kotły rusztowe do spalania miału węgla kamiennego. W ubiegłym roku, produkując ciepło i energię elektryczną, spaliliśmy 52.728 ton węgla. Przewidujemy, że w najbliższych latach wielkość ta zasadniczo nie powinna się zmienić.

Kotły nasze, pomimo ciągłych modernizacji, po wejściu Polski do Unii Europejskiej, mogą okazać się zbyt kosztowne w eksploatacji z powody emisji zanieczyszczeń przekraczających dopuszczalne normy.

Dlatego poszukujemy rozwiązań, które zapewniłyby znacznie czystszą produkcję ciepła, przy kosztach mniejszych bądź niewiele różniących się od poziomu dzisiejszego. Musimy mieć na uwadze przecież to, że całość kosztów produkcji ciepła muszą ponieść mieszkańcy Zduńskiej Woli.
Od kilku lat w krajach Europy Północnej i Północno-zachodniej do produkcji ciepła wykorzystuje się w szerokim zakresie biomasę. Są to najczęściej odpady drewna lub specjalnie uprawiane rośliny o dużym przyroście masy drewna w ciągu jednego okresu wegetacyjnego.

W warunkach polskich najlepszą rośliną, którą można wykorzystać do celów energetycznych, zdaje się być wierzba krzaczasta, która nie ma zbyt dużych wymagań glebowych, musi mieć jednak spełnione określone warunki dostępu do wody.

Dodatkowy atutem takiej plantacji jest możliwość nawadniania jej ściekami komunalnymi lub nawożenie jej osadami z oczyszczalni ścieków, co znowu przyczynia się do zmniejszenia zanieczyszczenia środowiska.
W kilku ciepłowniach w Polsce wykonano próby współspalania wierzby
w kotłach rusztowych. Wszystkie dały obiecujące wyniki, pod pewnymi jednak warunkami, a mianowicie:

1. Kotły rusztowe nie nadają się do spalania tylko biomasy.
2. W kotłach rusztowych można spalać mieszankę węgla i biomasy.
3. Udział biomasy w ogólnej masie paliwa nie powinien raczej przekraczać 25% objętości.
4. Ilość wilgoci w biomasie raczej nie powinna przekraczać 30 - 35%.
5. Biomasa musi być w postaci zrębków o wielkości dostosowanej do spalanego miału węglowego.
6. Konieczne mogą być prace modernizacyjne kotłów w celu pełniejszego wykorzystania ciepła powstającego ze spalania biomasy.
   Mając na uwadze obiecujące wyniki prób innych producentów ciepła, przeprowadzi-liśmy u siebie analizę ekonomiczną współspalania wierzby i miału węgla kamiennego.

Do analiz przyjęliśmy wielkość produkcji ciepła jak w roku 2002, a cenę węgla, jego transportu i stawki opłat za gospodarcze korzystanie ze środowiska - właściwe dla roku 2003.

Na wstępie przyjęliśmy cenę zrębków suchej masy drewna w wierzbie / 0% wilgoci / loco Elektrociepłownia Zduńska Wola na poziomie 130 zł/tonę. Założyliśmy jednocześnie,
że spalanie węgla i wierzby nie wymusi na nas poniesienia dodatkowych kosztów z tytułu dostosowania do tego celu urządzeń i technologii / co jest pewnym uproszczeniem/.

Tabela nr I przestawia relacje kosztów z tytułu współspalania węgla
i wierzby w zależności od objętościowej zawartości wierzby w paliwie.

Tabela I.

Wierzba

Węgiel

Efekty ekonomiczne projektu

Przyjmując, że realizowany będzie wariant spalania 25% objętościowej zawartości wierzby w paliwie do kotła, można stwierdzić, co następuje:

• aby wyprodukować założoną ilość ciepła na poziomie roku 2002 musimy wprowadzić w paliwie :
  - 5.862 tony zrębków wierzby o wilgotności 35%
  - 49.830 ton miału węglowego
• dla uzyskania takiej ilości wierzby o wilgotności 35% niezbędna będzie uprawa wierzby krzaczastej na powierzchni 1143 ha w następujących warunkach:
  - uprawa trójpolowa,
  - zbiór z każdego pola co trzy lata po 20 ton wierzby,
• efekty ekonomiczne jakie elektrociepłownia może osiągnąć są znikome i tak:
  - koszty węgla i opłat ekologicznych 9 691 818 zł,
  - koszty węgla, wierzby i opłat ekologicznych 9 654 536 zł,
  - zysk wynikający ze współspalania węgla i wierzby 37 283 zł,
  z czego na oszczędności wynikające ze zmiany paliwa przypada
  21 305 zł,
  a na efekty z tytułu opłat za gospodarcze korzystanie ze środowiska
  15 977 zł.

Kupując paliwo, kupujemy właściwie ciepło zawarte w tym paliwie. Wielkość tego ciepła zależy od wielu czynników, głównie od zawartości pierwiastków palnych takich jak węgiel, wodór, siarka itd. Ciepło to - pod pojęciem wartości opałowej paliwa - charakteryzuje paliwo i określa jego przydatność do celów energetycznych.
Drugim ważnym czynnikiem wpływającym na wartość opałową paliwa jest woda zawarta w tym paliwie.

Wartość opałowa węgla stosowanego w EC oscyluje w granicach 22 MJ/kg.

Wartość opałowa wierzby zależy w dużym stopniu od zawartości w niej wilgoci i wynosi odpowiednio:
- dla suchej masy drewna - ok. 18 MJ/kg
- przy wilgotności 20% - ok. 14 MJ/kg
- przy wilgotności 35% - ok. 11 MJ/kg
- przy wilgotności 45% - ok. 9 MJ/kg

Drewno całkowicie suche w technice praktycznie nie występuje, a uzyskanie w nim zawartości wilgoci poniżej pewnego progu (ok. 30%) wymaga stosowania specjalnych technik suszenia.
Wierzba świeżo ścięta posiada około 50% wilgoci i nie bardzo nadaje się do współspalania
z miałem węgla kamiennego. Przez kilkumiesięczne składowanie wierzby na powietrzu, najlepiej w zadaszonej wiacie, uzyskać zawartość wilgoci ok. 30 - 35 %.
Tak podsuszona wierzba w postaci zrębów może być surowcem sprowadzanym do Elektrociepłowni, a jej cena musi być uzależniona od zawartości wilgoci. Im wilgoci mniej - tym cena powinna być wyższa, im wilgoci więcej - tym cena musi być niższa. Widać z tego, że każda dostawa wierzby musi być zbadana przez zakładowe laboratorium. Dostawca może oczywiście mieć swoje własne laboratorium, lub badanie wierzby powierzyć wybranemu przez siebie laboratorium niezależnemu.
Do elektrociepłowni winny być dostarczane zrębki wierzby o granulacji odpowiedniej do miału węglowego.
Należy zaznaczyć, że zapotrzebowanie na zrębki jest różne
w poszczególnych miesiącach.
W okresie letnim potrzebnych będzie zrębków o wilgotności 35% około 250 ton/miesiąc,
a w okresie zimy może to być około 800 ton/miesiąc.
Zarówno w okresie lata jak i zimy zrębki wierzby powinny posiadać stabilną jakość, nie mogą ulec zainfekowaniu przez grzyby i muszą być dostarczane w ilościach gwarantujących ciągłe spalanie niezależnie od warunków atmosferycznych.

Wykonując kolejną analizę ekonomiczną współspalania wierzby i miału węgla kamiennego założyliśmy kilka wartości ceny suchej masy drewna wierzby i dla tych wielkości zostały wykonane obliczenia. Wyniki tej analizy przedstawia Tabela II.

Tabela II pokazuje wpływ ceny wierzby suchej na efekty ekonomiczne dla 25% objętości wierzby w mieszance i produkcji ciepła na poziomie 2002r.

Tabela II.

Cena wierzby suchej liczona jest jako cena zrębków loco Elektrociepłownia.
Przeliczając ceny wierzby suchej (w.s.) na cenę wierzby świeżo ściętej
o wilgotności 50% (w.m.) otrzymujemy cenę o połowę niższą (np. 130 zł/Mg w.s. * (1-0,5) = 65 zł/Mg w.m.),
a cena wierzby podsuszonej o wilgotności 35% (w.p.) będzie wynosić 65 % ceny wierzby suchej (np. 130 zł/Mg w.s. * (1-0,35) = 84,50 zł/Mg w.p.).

Przedstawiona wyżej analiza pokazuje możliwe do osiągnięcia przez elektrociepłownię efekty ekonomiczne z tytułu ekologii i zmniejszonego zużycia węgla, ale jednocześnie wskazuje, że podstawowym czynnikiem mającym wpływ na te efekty jest cena suchej masy drewna.
Analiza ta zdaje się wskazywać, że współspalanie wierzby i węgla służy bardziej aktywizacji środowiska polskiej wsi niż poprawie efektów ekonomicznych elektrociepłowni z następujących powodów:
- uzyskane przez elektrociepłownię efekty z tytułu zamiany paliwa będą niewielkie w stosun-ku do kosztów węgla,
- eksploatacja prawidłowo założonej plantacji może trwać 15-20 lat
z możliwością
5-8 krotnego pozyskiwania drewna,
- pod uprawę wierzby może być zagospodarowane ok. 1143 ha,
- w uprawie i konfekcjonowaniu wierzby może znaleźć zatrudnienie ok. 130 osób / przyjmuje się 12 pracowników na 100 ha/.
- elektrociepłownia może być stałym i pewnym długoletnim odbiorcą wierzby pod warunkiem ustalenia właściwej jej ceny .

Cena wierzby musi być opłacalna dla obu stron.
Przedstawiona analiza odnosi się jedynie do ceny spalanego surowca
i efektów ekologicz-nych.
Nie ujmuje ona następujących kosztów:

• przystosowania urządzeń elektrociepłowni do współspalania wierzby,
• ewentualnej dodatkowej obsługi,
• niezbędnych inwestycji,
• wpływu współspalania na eksploatację kotłów w zakresie niepoznanych jeszcze zjawisk zwiększonego szlakowania kotłów i korozji wysokotemperaturowej

Ujęcie tych kosztów musi być uwzględnione przy ustalaniu ceny zrębków wierzby.
Jednocześnie należy mieć świadomość, że cena wierzby musi być przyszłościowo uzależniona od rynku cen węgla.

Ustalając ceny wierzby trzeba rozpatrywać miejsce jej zrębkowania
i magazynowania oraz sposób dostarczania do elektrociepłowni. Wybrany rodzaj współpracy musi znaleźć odzwierciedlenie w cenie wierzby.
Wierzba może być dostarczana w postaci całych pędów i rozdrabniana na terenie EC. Wierzba może być też dostarczana w postaci suchych zrębków. W obu przypadkach jej cena będzie różna. Musi to być przedmiotem dodatkowych analiz ekonomicznych i negocjacji
z dostawcami.

Wnioski końcowe:

1. Współspalanie wierzby i węgla jest możliwe i może być zasadne pod warunkiem ustalenia odpowiedniej ceny wierzby w stosunku do ceny węgla.

2. Współspalanie wierzby i węgla ogranicza emisję gazów i pyłów do atmosfery, głównie z powodu spalania mniejszych ilości węgla. Emisja
z wierzby może być w analizach pominięta z uwagi na jej znikomą wielkość.

3. Nie należy spodziewać się znacznych efektów ekonomicznych przy współspalaniu biomasy i węgla z tytułu zamiany paliwa, a podstawowymi efektami będą nowe miejsca pracy przy uprawie i przygotowywaniu biomasy do spalenia oraz rozwój terenów zaangażowanych w jej produkcję.

4. Cena wierzby musi być uzależniona od wielkości koniecznych do poniesienia przez elektrociepłownię nakładów inwestycyjnych
i modernizacyjnych związanych z wprowadzeniem technologii współspalania.

Wielkości przyjęte do obliczeń

Dane eksploatacyjne z roku 2002