MG 2000/4
Biomasė energijai gauti
Dr.STANISLOVAS VRUBLIAUSKAS
Lietuvos energetikos institutas
Biomasė yra vienas labiausiai paplitusių ir plačiausiai naudojamų atsinaujinančių energijos šaltinių. Biomasė yra fotosintezės produktas. Kasmet fotosintezės metu augalų stiebuose, šakose ir lapuose sukaupiamas energijos kiekis, keletą kartų didesnis už pasaulio energijos poreikius. Biomasė išsiskiria iš kitų energijos šaltinių tuo, kad tai akumuliuota saulės energija.
Medienos pavidalo biomasė yra seniausiai žmonijos naudojamas energijos šaltinis. Tradicinis ir labiausiai paplitęs energijos gamybos iš biomasės būdas yra tiesioginis jos deginimas. Plėtojantis pramonei ir didėjant gamybos apimtims biomasė pamažu buvo išstumta labiau koncentruotų energijos šaltinių akmens anglių, naftos ir gamtinių dujų. Tačiau jos indėlis energetikoje liko nemažas. Pastaruoju metu iš biomasės pagamintas energijos kiekis pasaulinėje energijos gamyboje sudarė apie 15 procentų. Kai kuriose, ypač mažiau išsivysčiusiose šalyse, biomasės naudojimas energijai gauti yra įspūdingai didelis. Pavyzdžiui, šio dešimtmečio pradžioje Nepale jis sudarė apie 95 proc., Kenijoje - 75 proc., Indijoje - 50 proc., Kinijoje - 33 proc., Egipte ir Maroke - po 20 proc. pagaminamo energijos kiekio.
Biomasės, kaip ir kitų atsinaujinančių energijos šaltinių, naudojimo didinimas ypač aktualus pasidarė pastaraisiais dešimtmečiais. Tai lėmė keletas veiksnių. Vienas jų yra neigiama žmonijos veiklos įtaka klimato kaitai. Per pastaruosius keletą šimtmečių žmonijos veikla įgavo tokį mastą, kad dėl jos ėmė keistis atmosferos sudėtis. Viena pagrindinių šio reiškinio priežasčių yra ta, kad tenkinant didėjančius energijos poreikius vis daugiau sudeginama kuro ir daugiau šiltnamio efektą sukeliančių dujų (anglies dioksido, azoto oksido, metano ir kt.) patenka į aplinką. Dėl šiltnamio efekto prasidėjo globalinis klimato atšilimas. Jo padariniai gali būti katastrofiški visai žmonijai.
Siekiant sustabdyti neigiamus klimato pokyčius 1992 m. birželio mėnesį Rio de Žaneiro konferencijoje 155 šalys pasirašė Jungtinių Tautų Bendrosios klimato kaitos konvenciją. Tarp pasirašiusiųjų buvo ir Lietuva. Konvencijos tikslas yra pasiekti, kad šiltnamio efektu pasižyminčių dujų koncentracijos atmosferoje taip stabilizuotųsi, kad pavojingas antropogeninis poveikis netrikdytų klimato sistemos. Tačiau konvencijoje nebuvo numatyti konkretūs atskirų valstybių įsipareigojimai. Tik vėliau, 1997 m. gruodžio 10 dieną, po ilgų derybų ir parengiamojo darbo buvo priimtas Kioto konferencijos protokolas, nurodantis, kokiu procentu konkrečios šalys turi sumažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimus į atmosferą iki 20082012 m. palyginti su baziniais 1990 metais. Pagal šį protokolą JAV įsipareigojo šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimus sumažinti 7 proc., ES šalys (tarp jų ir Lietuva) 8 proc., Japonija ir Kanada 6 proc. ir t.t.
Kita priežastis, skatinanti atsinaujinančių energijos šaltinių vartojimą, yra ta, kad iškastinio kuro anglių, naftos, dujų ištekliai yra baigtiniai. Prognozuojama, kad dėl šios priežasties kuro, ypač naftos, kainos turi tendenciją augti ir esant tam tikroms, nepalankioms sąlygoms sukelti energetikos krizes. Biomasės ir kitų atsinaujinančių energijos šaltinių naudojimas didesniu mastu padėtų sušvelninti tokių energetikos krizių pasekmes. 1973 m. krizinė padėtis, kai staigiai išaugo naftos kainos pasaulinėje rinkoje, paskatino daugelį šalių didinti atsinaujinančių energijos šaltinių indėlį energijos gamyboje.
Europos Taryba 1996 m. išleido Žaliąją knygą Energija ateityje: Atsinaujinantys energijos šaltiniai, kurioje numatytas strateginis ES šalių tikslas padvigubinti atsinaujinančių energijos šaltinių indėlį bendrojoje energijos gamyboje ir pasiekti, kad 2010 m. jis sudarytų 12 procentų.
Vėliau, 1997 m., buvo parengta Baltoji knyga, kurioje išdėstyta ES strategija ir veiksmų planas, įgalinantis pasiekti užsibrėžtą tikslą. Reikia pripažinti, kad šis tikslas yra ganėtinai ambicingas ir jam įgyvendinti reikės didelių pastangų bei lėšų, turint galvoje tai, kad 1995 m. ES šalių energijos balanse atsinaujinantys energijos šaltiniai sudarė tik apie 5,4 proc. (1 lent.).
Iš pateiktų lentelėje duomenų matyti, kad biomasės suvartojimas vyrauja tarp kitų atsinaujinančių energijos šaltinių. 1995 m. ES šalyse iš biomasės pagamintas energijos kiekis prilygo 44,8 mln. t naftos ekvivalento (Mtne) ir sudarė 60 proc. viso energijos kiekio, pagaminto iš atsinaujinančių šaltinių. Prognozuojama, kad iki 2010 m. šis skaičius išaugs iki 74 proc. ir atitiks 135 Mtne energijos kiekį. Taigi tiek pastaruoju metu, tiek ir ateityje biomasės indėlis į energijos gamybą palyginti su kitais atsinaujinančiais energijos šaltiniais yra didžiausias ir turi tendenciją didėti.
Tradicinių energijos šaltinių pakeitimas biomase ar kitais atsinaujinančiais energijos šaltiniais padeda taupyti už perkamą įvežtinį kurą sumokamas lėšas, mažinti priklausomybę nuo kuro importuotojų, spręsti gamtosaugos problemas ir gerinti aplinkos kokybę, papildomai apkrauti vietinę pramonę, mažinti bedarbystę ir kurti naujas darbo vietas, didinti energijos tiekimo patikimumą.
Panagrinėkime biomasės naudojimą energijos gamybai Lietuvoje.
Kalbant apie atsinaujinančius energijos šaltinius sąvoka biomasė yra labai plati. Tai:
- mediena, jos ruošos bei apdirbimo atliekos;
- žemės ūkio kultūros bei atliekos (rapsai, kviečiai, šiaudai ir t.t.);
- gyvulininkystės atliekos (gyvulių ir paukščių mėšlas);
- maisto pramonės organinės atliekos;
- nutekamųjų vandenų dumble susikaupusios organinės medžiagos;
- komunalinių atliekų organinė frakcija.
Biomasė kaip kuras gali būti vartojama kieta, skysta arba dujinė. Pirmuoju atveju pakanka minimalaus mechaninio apdirbimo, pavyzdžiui, smulkinimo. Norint iš biomasės gauti skystą ar dujinį kurą nepakanka vien mechaninio apdirbimo, bet būtina pasitelkti kur kas sudėtingesnius terminius, cheminius, biocheminius ir mikrobiologinius dorojimo būdus.
Mediena yra biomasės rūšis, labiausiai naudojama energijos gamybai. Medienos kuro ištekliai priklauso nuo miškų plotų ir kirtimų apimčių. Lietuvoje miškai užima 1,978 mln. ha plotą, arba 30,3 proc. visos šalies teritorijos. Metinis medienos prieaugis sudaro apie 11,6 mln. m3. Kaimyninių Baltijos šalių miškingumas toks: Lenkijos - 28,8 proc., Latvijos 44,9 proc. ir Estijos 42,9 procento.
Medienos kurui gali būti naudojama menkavertė malkinė mediena, medienos perdirbimo pramonės atliekos ir miško kirtimo atliekos. Pastaruoju metu šalies miškuose kasmet buvo iškertama medienos apie 5 mln. m3, iš to skaičiaus apie 700 tūkst. m3 sudaro malkinė mediena. Valstybinio miškotvarkos instituto duomenimis artimiausiais metais nedarant miškui žalos galima būtų padidinti kirtimų apimtis iki 6,2 mln. m3 per metus.
Vykdant pagrindinius ir tarpinius miško kirtimo darbus susidaro daug atliekų. Tai smulkūs stiebai, medžių viršūnės, kelmai, šakos, žievė ir pan. Didesnė dalis šių atliekų galėtų būti panaudota kurui.
Apskritai kirtimo atliekų naudojimas kurui turi vieną svarbų ir neginčijamą privalumą. Tai naujų darbo vietų sukūrimas kaimo vietovėje, kur užimtumo problema ypač aktuali.
Atliekos, susidarančios medienos perdirbimo pramonėje, yra kitas kuro šaltinis. Pagal statistinius duomenis 1997 m. tokių atliekų buvo per 675 tūkst. tonų. Dalis jų (113 tūkst. t) buvo sunaudota gamyboje, dalis (130 tūkst. t) išvežta į sąvartynus arba sunaikinta. Likę 432 tūkst. t galėjo būti panaudoti kurui. Įvertinus tai, kad statistiniai duomenys ne visada tiksliai atspindi tikrąją padėtį, galima teigti, kad visi tinkami kurui medienos ištekliai dabar sudaro per 600 ktne.
Nors medienos kuras naudojamas Lietuvoje nuo neatmenamų laikų, tačiau deginti didesnės kaip 500 kW galios centralizuoto šilumos tiekimo katiluose pradėtas tik prieš šešerius metus. Per šį laikotarpį bendra mediena kūrenamų katilų galia pasiekė 120 MW. Susikūrė firmos, gaminančios medienos kurui skirtus katilus arba galinčios rekonstruoti esamus katilus įrengiant specialias pakuras ir taip pritaikant juos medienai deginti. Didžiausia iš tokių firmų yra AB Kazlų Rūdos metalas, kuri, bendradarbiaudama su užsienio partneriais, pasitelkė pažangias technologijas ir išplėtė savo veiklą toli už respublikos ribų.
Statant pirmuosius medienos kurą naudojančius katilus ir rekonstruojant esamus didelės pagalbos buvo sulaukta iš Švedijos vyriausybės. Glaudžiai bendradarbiaujama šioje srityje su Švedijos nacionaline energijos administracija ir šiuo metu.
Didžiausias ekonominis efektas naudojant medienos kurą buvo gautas medžio apdirbimo įmonėse, kurios degino gamybos metu susidariusias medienos atliekas - tai reiškia, kad kuras joms nekainavo. Pastaruoju metu daugumoje vietovių, kuriose susidaro didesni medžio atliekų kiekiai, jau yra medienos kurą naudojančių katilinių. Kitos katilinės kurą (pjuvenas ir specialiai susmulkintas medžio atliekas skiedrą) turi atsivežti iš toliau esančių tiekėjų, o tai gerokai didina jo kainą. Kai kur dėl šios priežasties, taip pat padidėjusios paklausos, skiedros kaina priartėjo prie mazuto kainos ar net prašoko ją ir medienos kuras tapo nekonkurentabilus. Todėl statant naujas medieną deginančias katilines būtina atlikti kruopščią analizę ir įvertinti galimą kuro kainos pasikeitimą ateityje, kad investicija į tokio projekto įgyvendinimą ekonomiškai būtų pateisinama.
Medienos kuro ištekliai gali būti papildyti įveisiant energetinių želdinių, šiuo atveju - greitai augančių medžių ar krūmų plantacijas.
Išsamūs šios srities tyrimai yra atliekami Lietuvos miškų institute. Pirmoji pramoninė energetinių želdinių plantacija numatoma įveisti Kauno rajone, išeksploatuotame Ežerėlio durpyne. Ketinama kasmet apželdinti po 20-30 hektarų. Augalams tręšti bus naudojamas Kauno vandenvalos įmonėje susidarantis nutekamųjų vandenų dumblas. Taip bus pasiekti du tikslai užauginta kurui tinkama mediena bei utilizuotas nuotekų dumblas, kurio negalima panaudoti žemės ūkio kultūroms tręšti dėl didelės sunkiųjų metalų koncentracijos.
Energetinių želdinių grupei priklauso ir žoliniai augalai. Susidomėjimas šiais augalais Lietuvoje ypač išaugo pastaraisiais metais. Tai iš dalies lėmė atsiradę dideli žemės ūkyje nenaudojamų konservuotinų žemių plotai. Įvairiais vertinimais tokių žemių yra apie 300-500 tūkst. hektarų. Dalies šių plotų panaudojimas energetinių žolinių augalų pasėliams padėtų spręsti žemės konservavimo ir energijos gamybos klausimus. Lietuvos žemdirbystės ir Lietuvos žemės ūkio inžinerijos institutuose atliekami tyrimai įvertinant įvairių augalų, kaip kanapės, geltonžiedis ir baltasis barkūnas, topinambai, saulėgrąžos, nendrės ir kt., panaudojimo energijos gamybai galimybes. Nagrinėjamos auginimo ir derliaus nuėmimo technologijos, augalų paruošimo kurui, reikiamų įrengimų parinkimo ir kiti klausimai. Pirminiais vertinimais energiją iš tokių augalų gaminti būtų problematiška dėl didelės savikainos.
Kalbant apie energijos gamybą iš žemės ūkio atliekų būtina paminėti šiaudus. Statistinių duomenų apie susidarančius šiaudų kiekius nėra. Tačiau jį galima apskaičiuoti pagal grūdinių kultūrų pasėlių plotus, derlingumą bei atskirų rūšių augalų grūdų ir šiaudų santykį. Tokiais skaičiavimais nustatyta, kad šalyje kasmet užauginama apie 3,54,0 mln. t šiaudų. Tačiau ne visi šiaudai surenkami. Dalis jų lieka dirvoje, sutrupa, išsibarsto ir yra prarandami. Kita dalis panaudojama gyvulių pašarui ir pakratams. Kitų šalių patirtis rodo, kad apie 10-12 proc. bendro šiaudų kiekio būtų galima panaudoti energijai gaminti, t.y. apie 400 000 tonų. Toks šiaudų kiekis maždaug atitiktų 134 ktne energiją.
Lietuvoje šiaudais didesni katilai imti kūrenti nuo 1996 m., kai Pasvalio rajono Narteikių žemės ūkio mokykloje finansuojant PHARE programai buvo sumontuotas ir pradėtas eksploatuoti pirmasis 1 MW galios šiaudais kūrenamas katilas. Vėliau Pasvalio rajono Grūžių, Vaškų ir Lavėnų gyvenvietėse buvo sumontuoti dar keturi mažesnės, 470 kW galios, katilai. Ekonomiškai šių katilų pastatymas visiškai pasiteisino, nes daug brangesnis krosnių kuras buvo pakeistas pigesniu šiaudų kuru.
Dar dažnai pavasarį ir rudenį kaimo vietovėse galima pamatyti deginamas šiaudų stirtas, nors tai yra draudžiama įstatymu ir už tokį elgesį gresia baudos. Šiaudų panaudojimas kurui padėtų išspręsti perteklinių šiaudų likvidavimo problemą ir prisidėtų prie atmosferos teršimo mažinimo.