Elektrownia na drewno: spalanie kontra zgazowanie

Kilkanaście dni temu odezwał się do mnie czytelnik z pytaniem odnośnie opłacalności zgazowania biomasy i przetwarzania jej na energię elektryczną. Dokładniej chodziło o porównanie efektywności spalania i zgazowania biomasy. Ponieważ w polskich warunkach trudno znaleźć funkcjonujące komercyjne rozwiązania tego typu w małej skali, postanowiłem podejść do problemu z czysto teoretycznego punktu widzenia.

Jak więc wygląda teoretyczna sprawność zmiany drewna czy innego rodzaju biomasy w prąd, za pomocą zgazowania i spalania?

Najpierw doprecyzujmy założenia. Nie ma prostej i dobrej metody na zamianę ciepła w energię elektryczną inaczej, niż za pomocą układu parowego. Ciepło używane jest do odparowania wody o wysokim ciśnieniu, następnie para trafia na turbinę, gdzie się rozpręża, a później skrapla w skraplaczu. Taki układ nosi nazwę układu Rankine’a, realizowany jest we wszystkich dużych krajowych elektrowniach i elektrociepłowniach (a także w elektrowniach jądrowych z reaktorem wodnym).

W małej skali, a także do niskotemperaturowych źródeł ciepła (jak np. geotermia) często wykorzystuje się instalacje ORC (Organic Rankine Cycle), czyli obiegów parowych z innym, niż woda czynnikiem roboczym. Dzięki użyciu innego rodzaju czynników możliwe jest osiągnięcie niskich temperatur parowania cieczy, co pozwala zamienić w prąd ciepło ze źródeł o niższej temperaturze.

Nie ma sensu w tym miejscu wspominać o kuriozach takich jak turbina gazowa na drewno, bo w praktyce się takie rozwiązania nie pojawiają. Za dużo kłopotów…

Układ parowy porównamy zaś z układem wykorzystującym zgazowanie i wysokoprężny silnik spalinowy. Przyjmijmy,że rozmawiamy o poziomie mocy rzędu kilku MW.

1. Układ parowy

W układzie parowym energia chemiczna zmagazynowana pod postacią wartości opałowej w paliwie zamieniana jest na ciepło w kotle, służy do podgrzania wody, jej odparowania i przegrzania pary wodnej. Następnie para wodna trafia do turbiny, spiętej wałem z generatorem.

Sprawność kotłów na biomasę ponoć sięga 92% i bądźmy optymistami, przyjmijmy taką wielkość.

Sprawność obiegu Rankine’a mieści się w zakresie 40-60% i oznacza sprawność zamiany ciepła pod postacią pary wodnej na energię mechaniczną ruchu wirowego turbiny. W praktyce dla małych instalacji bywa niższa, przyjmijmy 35%. Ta sprawność nie ma prawie nic wspólnego ze sprawnością samej turbiny — bo turbina zamienia energię potencjalną pary pod wysokim ciśnieniem w energię mechaniczną ze sprawnością nawet 90% lub więcej! Tyle tylko, że przecież nie całość energii z pary zostaje w turbinie, gdyby tak było, turbinę opuszczałaby woda, a przecież wylatuje z niej para wodna.

Ostatnim etapem jest generator prądu, tu możemy spokojnie przyjąć 90% sprawności.

Łącznie mamy sprawność 0,92 * 0,35 * 0,9 = 0,29 = 29%.

2. Układ ze zgazowaniem

W przypadku zgazowania, drewno zamieniane jest na palny gaz, który przed podaniem do silnika trzeba schłodzić. W silniku jest spalany, silnik napędza generator.

Ze sprawnością zgazowania bywa różnie, bo istotna jest dla nas sprawność zimna, czyli uwzględniająca stratę energii ze schłodzenia gazu. Do silnika nie możemy podać gazu o temperaturze 600C, bo silnik po prostu by stanął (ze względu na zbyt małą kaloryczność gazu w odniesieniu do jednostki objętości). Przyjmijmy więc, że ta sprawność wynosi 65%.

Silnik spalinowy dużej mocy z powodzeniem może osiągać sprawność nawet 40%, więc przyjmijmy i taką wartość.

W przypadku generatora nie ma powodu, byśmy przyjęli sprawność inną, niż poprzednio, czyli 90%.

Łącznie otrzymujemy sprawność 0,65 * 0,4 * 0,9 = 23,4%.

Para wygrywa z gazem drzewnym. Takie uproszczone porównanie wygrywa układ parowy o wyższej sprawności.