Biomasa jest trzecim co do wielkości naturalnym źródłem energii na świecie. Według Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 r. mianem biomasy określa się 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, oraz ziarna zbóż niespełniające wymagań jakościowych dla zbóż w zakupie interwencyjnym [Dz. U. z 28 sierpnia 2008 r. Nr 156, poz. 969 ze zm.].

Ze względu na możliwość energetycznego wykorzystania, wśród biomasy wyróżnia się:


  • biopaliwa stałe:



    • pozostałości z rolnictwa, tj. słoma ze zbóż i rzepaku, zboża, siano, łęty ziemniaczane,




    • drewno opałowe, tj. ścinki, kora, wióry, zrębki, trociny,




    • odpady z produkcji zwierzęcej,




    • odwodnione osady ściekowe,




    • rośliny energetyczne (drzewiaste i trawiaste);





  • biopaliwa gazowe:


    • biogaz rolniczy z fermentacji gnojowicy i odpadów rolniczych,




    • gaz drzewny,




    • gaz wysypiskowy pochodzący z fermentacji składowanych odpadów komunalnych,




    • biogaz z oczyszczalni ścieków będący efektem fermentacji osadów ściekowych,




    • biogaz z fermentacji odpadów przetwórstwa spożywczego;





  • biopaliwa ciekłe:


    • biodiesel (olej rzepakowy),




    • etanol,




    • metanol,




    • biooleje,




    • oleje po smażeniu z placówek żywienia zbiorowego.





Znaczną część biomasy tworzą rośliny poprzez proces fotosyntezy. Aby reakcja mogła przebiegać, niezbędne jest jednak światło słoneczne. Słońce jest bowiem motorem, napędzającym wszystkie procesy w przyrodzie. Z gleby rośliny czerpią wodę wraz z solami mineralnymi, zaś z atmosfery pobierają dwutlenek węgla, dzięki czemu oddają tlen. Fotosynteza jest więc procesem generującym tlen i pochłaniającym dwutlenek węgla. Energia słoneczna początkowo gromadzi się w biomasie w postaci energii wiązań chemicznych. Można ją pozyskiwać poprzez spalanie bezpośrednie, jako biopaliwa lub biogaz.

Składnikami biomasy są związki organiczne, powstające w procesie fotosyntezy, tj. celuloza, hemicelulozy, ligniny, białka, cukry proste, skrobia, woda, popiół i inne. Proporcjonalny udział tych składników zmienia się w zależności od biologicznego gatunku, rodzaju tkanki, wieku rośliny i warunków jej wzrostu. Najczęściej spalanie takiej złożonej struktury przebiega bezpośrednio w całej dostępnej masie.

Biomasa różni się od klasycznych paliw kopalnych także właściwościami palnymi. W porównaniu do węgla kamiennego, zawiera ona w swoim składzie więcej tlenu i wodoru, a mniej węgla. Uwagę zwracają także znacznie mniejsze ilości azotu, siarki i chloru w porównaniu do węgla. Znacznie niższa wartość ciepła spalania biomasy to skutek zawartości w jej składzie wolnej wody, która podczas spalania pochłania duże ilości ciepła. Szczegółowe różnice w procentowym składzie węgla i biomasy zestawiono w poniższej tabeli.

Szacowane zasoby w Polsce i na świecie

Zasoby biomasy do celów energetycznych w Polsce szacowane w różnych scenariuszach i dokumentach strategicznych są najwyższe spośród wszystkich pozostałych źródeł odnawialnych. Dominujące jest również wykorzystanie biomasy we wszystkich sektorach energetycznych.

W sektorze elektroenergetyki ok. 60% energii produkowanej ze źródeł odnawialnych stanowi energia wyprodukowana z biomasy. Największa część energii z biomasy generowana jest przy wykorzystaniu procesów współspalania w kondensacyjnych kotłach węglowych dużej mocy.

W sektorze ciepłownictwa i chłodu energia cieplna z biomasy stanowi ok. 95% energii produkowanej z wszystkich źródeł odnawialnych. Energia cieplna generowana jest głównie przez rozproszone obiekty małej i średniej mocy, nieprzyłączone do sieci ciepłowniczej.

W sektorze transportu ok. 100% energii ze źródeł odnawialnych pochodzi z biomasy. Są to biopaliwa I generacji, w tym bioetanol i biodiesel.

Rynek produkcji energii OZE powstał w Polsce w 2005 roku, a impulsem do jego uruchomienia był nałożony na Polskę przez Unię Europejską obowiązek produkcji corocznie zwiększanej ilości energii w oparciu o źródła odnawialne (od 3,1% w 2005 r. aż do 12% w 2013 r.). W momencie wejścia w życie zobowiązań jedynym możliwym sposobem zwiększenia produkcji zielonej energii, biorąc pod uwagę strukturę polskich elektrowni, opierających się na konwencjonalnych źródłach energii, było zastosowanie biomasy w istniejących instalacjach.

Obecnie realny potencjał ekonomiczny biomasy w Polsce szacowany jest na poziomie 600 168 TJ w roku 2020, potencjał rynkowy zaś na poziomie 533 118 TJ (dane wg. Instytutu Energetyki Odnawialnej - Możliwości wykorzystania OZE w Polsce do roku 2020). Pozyskanie biomasy w celach energetycznych w Polsce (dane GUS za 2009 r.) kształtuje się natomiast na poziomie:



  • 217 302 TJ (biomasa stała),




  • 17 847 TJ (biopaliwa ciekłe),




  • 4 104 TJ (biogaz),




  • 29 TJ (odpady komunalne).



Możliwości wytwórcze tego sektora powstały staraniem polskich, średnich, małych, a nawet mikroprzedsiębiorstw, inwestujących środki własne. Szacunkowo w polskich przedsiębiorstwach, związanych z zaopatrywaniem rynku energetycznego w biomasę, zatrudnionych jest ok 20 000 ludzi, a w przedsiębiorstwach kooperujących - kolejne tysiące. Należy jednak zwrócić uwagę, że w Polsce część biomasy sprowadzana jest z zagranicy. Według szacunków Ministerstwa Rolnictwa i Rozwoju Wsi w roku 2009 do Polski  z krajów trzecich sprowadzono ok. 800 tys. ton biomasy w celach energetycznych. W roku 2010 było to już ok. 1,5 mln ton. Równocześnie znaczna część polskiej biomasy jest spalana przez elektrownie niemieckie.

Dominujące technologie

W miarę rozwoju sektora OZE, jakim jest biomasa, opracowane były coraz to nowsze technologie wykorzystywania jej potencjału energetycznego. W przeciwieństwie do takich źródeł energii ,jak wiatr czy woda, które pozwalają nam tworzyć prąd z ich energii kinetycznej czy potencjalnej, biomasa daje nam dużo więcej możliwości. Dominującą technologią pod względem pozyskanej energii w Polsce jest brykietowanie i peletowanie słomy, którą następnie spalamy w specjalnych kotłach i zamieniamy w ciepło lub prąd. Biomasa może być również gazyfikowana, czyli zmieniana w biogaz. Tę technologię wykorzystuje się przede wszystkim w biogazowniach rolniczych, które wytwarzają biogaz z energetycznych surowców, będących produktami ubocznymi rolnictwa. Surowce te można także przetworzyć w celu uzyskania biopaliw płynnych, takich jak biodiesel czy bioetanol. Na koniec, biomasa to również biogaz z wysypisk odpadów oraz ten wytwarzany w procesie oczyszczania ścieków.

Przykładowe instalacje<

Biogaz składowiskowy

Instalacje, które pozyskują gaz ze składowiska odpadów komunalnych, można podzielić na dwa rodzaje, w których:


  • gaz utylizowany jest poprzez spalenie w pochodni,

  • gaz wykorzystywany jest jako paliwo do produkcji energii elektrycznej.

Drugie rozwiązanie jest obecnie coraz częściej stosowane w przypadku składowisk, na których zgromadzono odpowiednie ilości odpadów. Podczas gdy ogólna zasada działania w praktyce jest stosunkowo prosta, budowa niezawodnie działającej instalacji jest znacznie trudniejsza.

Biogazownia rolnicza

Biogazownia rolnicza najczęściej składa się z:


  • zbiorników wstępnych na biomasę, a niekiedy również z hali przyjęć,

  • zbiorników fermentacyjnych, przykrytych szczelną membraną,

  • zbiorników pofermentacyjnych lub laguny, układu kogeneracyjnego (silnik gazowy plus generator elektryczny) produkującego energię elektryczną i cieplną, zainstalowanego w budynku technicznym lub w kontenerze,

  • instalacji sanitarnych, zabezpieczających, elektrycznych, łącznie z układami sterującymi, które integrują wszystkie elementy w funkcjonalną całość.

Przewidywany rozwój źródeł

Biomasa stała

Północna i zachodnia Polska dysponuje dużym potencjałem biomasy stałej ze względu na nadwyżki słomy w gospodarstwach rolnych. W tych obszarach istnieją więc duże znaczące możliwości rozwoju, zwłaszcza z uwagi na nową ustawę o OZE w wersji 4.1, który propaguje w Polsce na współspalanie.

Według analiz Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej, potencjał techniczny drewna i jego odpadów z lasów i sadów w energetyce wynosi 8,81 mln ton. Natomiast nadwyżki słomy do energetycznego wykorzystania sięgają 7,84 mln ton rocznie. Zużycie biomasy w energetyce wyniosło 8,4 mln ton, z czego 5,1 mln ton na potrzeby współspalania. 2mln ton pochodzi z pestek owocu olejowca gwinejskiego, przywożonych z krajów afrykańskich, Indonezji oraz krajów leżących nad morzem śródziemnym. Pozostała ilość biomasy przeznaczana na cele energetyczne - 3mln ton rocznie - to biomasa z terenu Polski (słoma i zrębka leśna odpowiednio 30%/70%). Potencjał w wykorzystaniu biomasy leśnej, jak i rolniczej, jest więc bardzo duży.

Biogaz

W Niemczech, gdzie potencjał upraw na potrzeby biomasy oceniany jest na blisko 12 mln hektarów, działa ponad 7,9 tys. bioelektrowni. W Polsce potencjał ten jest niewiele mniejszy (ok. 10,7 mln ha), ale bioelektrownie rozwijają się powoli. Obecnie działała około 200 biogazowni, z czego 37 to biogazownie rolnicze.

Polska polityka energetyczna zakłada, że w przyszłości biogazownie mogą działać w każdej gminie, mającej warunki do stworzenia takiej instalacji. Naukowcy przyznają jednak, że ta dziedzina energetyki nie rozwija się tak szybko jak prognozowano jeszcze kilka lat temu, a dotychczasowe instancje zaczną upadać, jeżeli wsparcie będzie na poziomie niepokrywającym kosztów produkcji. Powodem tych problemów jest m.in. brak nowej ustawy o odnawialnych źródłach energii, ustalającej zasady wsparcia  dla energii z takich źródeł.

Biopaliwa

Olej rzepakowy pozostaje najważniejszym substratem do produkcji biodiesla w UE, obecnie praktycznie niemożliwym do zastąpienia innymi substratami, poza importem odpowiednich substytutów. Wykorzystanie oleju rzepakowego jako substratu do wytwarzania biodiesla budzi zastrzeżenia pod względem efektywności energetycznej. Większość opracowań wskazuje na zerową bądź wręcz ujemną efektywność energetyczną produkcji biodiesla z oleju rzepakowego. Wyniki dodatnie uzyskuje się po uwzględnieniu (i wykorzystaniu!) energii zawartej w produktach dodatkowych (słoma, wytłoki, gliceryna).

Dotychczasowe trudności z opracowaniem opłacalnych ekonomicznie i dopuszczalnych "środowiskowo" technologii wytwarzania paliw do silników wysokoprężnych w postaci biodiesla (lub jego mieszanek z ON) prawdopodobnie spowodują odstąpienie UE od zakładanego 10-procentowego udziału paliw odnawialnych do 2020 r.

Biomasa jest szerokim tematem, na który składa się wiele równie obszernych działów. Zarówno biopaliwa stałe, jak i gazowe czy ciekłe mają perspektywy rozwoju w Polsce i na świecie. Istnieje szereg technologii i instalacji, które wykorzystuje się do produkcji energii z biomasy. Nad wieloma z nich nadal prowadzone są badania, aby procesy były coraz bardziej efektywne. Rozwój ww. odnawialnego źródła energii w Polsce może napotkać trudności, jednak przy odpowiednim wsparciu państwa będzie to jeden z prężnie rozwijających się działów OZE.

Opracowanie zbiorowe pod red. inż. Joanny Antonia

Bibliografia:

1. Boral Kamil, Analiza energetycznego wykorzystania biomasy, Politechnika Częstochowska

2. Lebecki Kazimierz, Właściwości palne stosowanych w energetyce pyłów pochodzących z biomasy, Zeszyty Naukowe Wyższej Szkoły Zarządzania Ochroną Prawy w Katowicach, Nr 1(6)/2010, s. 71 - 79

3. http://vireoenergy.se/pl, 26.01.2014

4. http://www.wpk.p.lodz.pl, 26.01.2014

5. http://www.biogaz.com.pl, 26.01.2014