Ekologicznie = ekonomicznie? (część II)

W ostatnich latach moda na ekologiczne źródła energii rozpowszechniła się tak bardzo, że czasami przysłania nam niewielką opłacalność niektórych technologii tworzonych pod jej wpływem. Niekiedy zdajemy się nie zauważać, jak nieefektywne są rozwiązania nam proponowane. Niemniej, powstaje coraz więcej metod wytwarzania energii w sposób niekonwencjonalny i, być może, któraś z nich akurat w Państwa przypadku okaże się mieć opłacalne - również finansowo - zastosowanie. Przyjrzyjmy się więc trochę bliżej kolejnemu sposobowi otrzymywania tzw. „zielonej energii”, jakim jest wykorzystanie biomasy.

Istnieje kilka sposobów jej spożytkowania. Najprostszym i najbardziej rozpowszechnionym jest spalanie w specjalnie do tego skonstruowanym kotle. By proces przebiegał efektywnie i bezpiecznie, należy przed zakupem ocenić, jaką biomasę będziemy wykorzystywać. To od rodzaju surowa zależy bowiem, jakie urządzenie wybierzemy. Jeśli będziemy zaopatrywać się w paliwa o wilgotności mieszczącej się w granicach 20-25%, wystarczy zakupić kocioł wyposażony w ruszt stały lub mechaniczny poziomy. Gdy chcemy stosować paliwa o wilgotności w zakresie 40-60%, kocioł powinien zawierać mechanizm schodkowy, a jeżeli paliwo jest jeszcze gorszej jakości - kocioł fluidalny. Ilość wytworzonej energii jest również silnie związana z wilgotnością surowca - wartość energetyczna dla biopaliwa o wilgotności około 55% wynosi 6-8 GJ/t, dla biopaliwa o wilgotności około 15% już 15-17 GJ/t, a dla całkowicie wysuszonego dochodzi do 19 GJ/t, co i tak nie jest wartością konkurującą z gazem ziemnym, czy węglem. Stosowanie biomasy byłoby więc opłacalne, gdyby koszt uzyskania jednostki masy był zdecydowanie niższy niż surowców kopalnianych. Tyle, że nie jest, co wynika z przedstawionej poniżej tabelki.

Zestawienie własności opału ekologicznego i węgla oraz ich ceny

A przecież do wytwarzania biomasy można wykorzystać nieużytki rolne, czy tereny poprzemysłowe. Co więcej, rolnicy produkujący rośliny energetyczne mogą liczyć na spore dopłaty do upraw, a sadząc chociażby wierzbę Salix Viminalis (która w naszych warunkach klimatycznych uważana jest za najlepiej przystosowaną do tego typu rozwiązań) mogą z 1 hektara uprawy osiągnąć rocznie wydajność do 20-25 ton masy suchej o wartości opałowej w przybliżeniu równej 18 MJ/kg. Więc dlaczego cena takiej gotowej do spalania biomasy jest na tyle wysoka, że staje się to nieopłacalne? Jeśli dodamy pozostałe wydatki - ceny samego kotła do spalania biomasy rozpoczynają się od 10 tys. zł, doliczymy koszty montażu i regularnych przeglądów, które ze względu na mniejszą popularność biomasy niż tradycyjnych źródeł energii są również wyższe, to okaże się znowu, że to, co ekologiczne, nie musi być ekonomiczne, a nawet wygodne. Substraty trzeba przecież gdzieś składować, a ponieważ mają mniejszą kaloryczność niż przykładowo węgiel, to tym samym zajmują więcej miejsca, które nie każdy w domu posiada.

Innym procesem, przetwarzającym biomasę na energię jest piroliza. Wytworzone w jej wyniku substancje to olej pirolityczny, węgiel drzewny i mieszanina gazów palnych. Olej, stanowiący mniej więcej 70% masy produktów, stosowany jest później jako paliwo o kaloryczności około 18TJ/t, łatwe do przechowywania i transportu. Pozostałe dwie substancje służą do wytwarzania wysokiej temperatury koniecznej do zajścia pirolizy. Jest to proces stosunkowo wydajny, jednakże o wiele bardziej zaawansowany technologicznie w stosunku do pozostałych wykorzystujących biomasę i wymagający nieustannej kontroli. Stąd jego komercyjne wykorzystanie jest mocno ograniczone.

W przypadku, gdy łatwo i stosunkowo tanio dostępnym dla nas surowcem jest substancja o zbyt dużej wilgotności, by możliwe było jej efektywne i bezpieczne spalanie, możemy poddać ją procesowi biochemicznemu, jakim jest chociażby fermentacja alkoholowa. W wyniku jej przeprowadzenia z rozkładu węglowodanów otrzymamy bioetanol, stosowany jako paliwo lub domieszka do benzyny. Równie często przeprowadza się fermentację metanową, w wyniku której uzyskuje się, mający wszechstronne zastosowanie, biogaz, w którego składzie około 65% stanowi metan. Może on służyć między innymi do produkcji energii elektrycznej i cieplnej w układach skojarzonych, być spalanym w kotłach zamiast gazu ziemnego, czy służyć jako paliwo samochodowe.
Cały proces otrzymywania biogazu opiera się na czterech fazach. W pierwszej, nazywanej hydrolityczną, związki organiczne są rozkładane, przy udziale enzymów, na aminokwasy, cukry proste, kwasy tłuszczowe i glicerol. W fazie drugiej (kwasogenezie) produkty hydrolizy rozkładane są do krótkołańcuchowych kwasów organicznych, aldehydów, alkoholi i produktów gazowych. W fazie acetogennej natomiast lotne kwasy tłuszczowe i etanol zostają przekształcone na kwas octowy, dwutlenek węgla i wodór. W ostatnim etapie, określanym jako faza metanogenna, zachodzi proces wytwarzania metanu z octanów, alkoholi i dwutlenku węgla przy udziale bakterii metanowych.
Do przeprowadzenia powyższego szeregu reakcji można wykorzystać zarówno odpady komunalne, ustabilizowane osady ściekowe, produkty uboczne produkcji rolnej, czy hodowli zwierząt (czyli substancje, których pozbycie się byłoby dla nas korzystne).

Możliwości uzyskania substratów są w Polsce na razie słabo wykorzystywane. Według ostatnich danych najwięcej biogazowni mamy zainstalowanych na wysypiskach śmieci, ale tylko 40% znajdujących się na nich odpadów jest składowanych w sposób umożliwiający uzyskiwanie metanu. Z 1 tony odpadów komunalnych można uzyskać nawet 200 m³ biogazu, co w skali kraju daje rocznie ok. 140 mln m³ metanu, który w tych pozostałych 60% jest emitowany do atmosfery, przyczyniając się między innymi do pogorszenia jakości powietrza, którym oddychamy.
Natomiast w przypadku oczyszczalni ścieków z 1 m³ osadu można otrzymać około 9 m³ metanu, który mógłby być spożytkowany do napędzania mechanizmów w pobliskich urządzeniach. Jako że oczyszczalnie mają spore zapotrzebowanie na energię, wydawałoby się iż wykorzystywanie osadów jest rozwiązaniem idealnym – nie trzeba utylizować odpadów pozostałych po ściekach, a do wytworzenia energii nie jest konieczny ciągły dowóz żadnych substancji. Więc dlaczego nie stosuje się powszechnie takiej metody? Odpowiedź jest prosta – jest to nieekonomiczne jeśli oczyszczalnia przyjmuje mniej niż 10.000 m³/dobę. W przypadku większych obiektów, w których mogłoby to być opłacalne, często brakuje inwestorów do tak niepewnej, przynajmniej na razie, inwestycji. Co więcej, w przypadku budowy biogazowni wytwarzającej energię na większą skalę należy się liczyć z wieloma trudnościami, zarówno prawnymi, wynikającymi z braku dostosowania przepisów do obecnej sytuacji, jak i organizacyjnymi, czyli brakiem zaplecza naukowo-badawczego, niewielką liczbą osób wyspecjalizowanych w obsłudze urządzeń, czy trudnościami z podłączeniem się do linii energetycznej (stąd energia elektryczna wykorzystywana jest głównie dla potrzeb własnych – ale dobre i to).

Sprawa nie przedstawia się wcale lepiej w sytuacji, gdy biogaz ma być wykorzystywany w gospodarstwach rolnych lub stowarzyszeniach paru rolników, nawet jeśli są one na tyle duże, by móc sfinansować budowę biogazowni i wytwarzać tyle gazu (nazywanego w tym przypadku agrogazem), by koszty inwestycji mogły się zwrócić. Co więcej produkcja ta jest opłacalna głównie ze względu na politykę państwa, zmuszonego do ograniczenia emisji szkodliwych tlenków. W tym celu wprowadzono bowiem przepis, zgodnie z którym dostawcy energii muszą wykazać, że korzystają z odnawialnych źródeł energii w ilości przekraczającej pewien ustalony limit. Za każdą brakującą jednostkę wyrażoną w MWh zmuszone są uiścić odpowiednią kwotę, która w roku 2010 wynosiła 267,95 zł. By zminimalizować koszty mogą kupować tzw. zielone certyfikaty, których sprzedaż jest jednym ze źródeł dochodów właścicieli biogazowni.

Z założeń Ministerstwa Rolnictwa dla biogazowni o mocy 0,5 MW wynika, że koszt takiego przedsięwzięcia to kwota rzędu 5-5,5 mln zł. Licząc na uzyskanie dotacji, możemy odliczyć ok. 40%, ale i tak ponad 3 mln zł kapitału musimy wnieść do inwestycji. Już sama ta kwota odstrasza większość ludzi od jakichkolwiek prób wykorzystania biogazu. Wprawdzie moglibyśmy wybudować biogazownię niższym kosztem, wykorzystując materiały dostępne lokalnie i nie korzystając z profesjonalnej firmy, lecz mogłoby to spowodować zmniejszenie sprawności i niezawodności procesu, a także trudności z uzyskaniem kredytu czy dotacji. Spróbujmy więc obliczyć hipotetyczny roczny zysk. Jest to wyjątkowo skomplikowane i wymaga szczegółowej analizy konkretnego przypadku. Wiele zależy od umiejscowienia naszego obiektu, a dokładniej od odległości od terenów produkcji substratów i miejsca, do którego będziemy dostarczać ciepło, gdyż straty jego przesyłania znacząco wpływają na podwyższenie kosztów produkcji. W najbardziej opłacalnym wariancie sami produkowalibyśmy masę do wytwarzania biogazu i to z substancji, którą otrzymywalibyśmy jako produkt uboczny innej działalności. Takim substratem mógłby być obornik, gnojownica, kiszonka z żyta lub kukurydzy, wysłodki buraczane czy wiele innych. W przypadku otrzymywania zbyt małych ilości opłacalne jest utworzenie biogazowni, z której korzystałaby cała społeczność okolicznych rolników. Moglibyśmy również podpisać umowę z jakimś pobliskim zakładem na utylizację odpadów poprodukcyjnych zawierających sporo związków organicznych. Taką firmą może być np. zakład ziemniaczany, mleczarnia, piekarnia, gorzelnia, czy zakład przetwórstwa mięsnego. Jednakże w takim przypadku musielibyśmy dodatkowo badać jakość przywożonych do nas substancji lub zrezygnować z wykorzystania przefermentowanego substratu jako nawozu. Istnieje również możliwość nawiązania kontaktu z lokalnymi władzami, chcącymi rozwiązać problem z utylizacją odpadów, lecz w takim wariancie zostalibyśmy zmuszeni do zainwestowania w biofiltry i urządzenia do sterylizacji i homogenizacji, które również nie należą do najtańszych.
Wybierzmy więc najprostszą sytuację - kiszonkę kukurydzy zamieniamy w generatorze kogeneracyjnym na energię elektryczną i cieplną, a powstały jako produkt uboczny nawóz wykorzystujemy na własnym polu. Ponadto przyjmujemy następujące uproszczenia:

• koszt produkcji 1 tony kiszonki kukurydzy wynosi od 45 do 55 zł, z 1 tony kiszonki kukurydzy można uzyskać 98 m³ metanu, z 1 m³ metanu można uzyskać 2,8 kWh energii cieplnej i 1,5 kWh energii elektrycznej,
• za 1 MWh energii elektrycznej wytwarzanej w wysokosprawnej kogeneracji opalanej biomasą można otrzymać średnio 243,59 zł,
• energię cieplną zużywamy do celów własnych lub odsprzedajemy właścicielom pobliskich obiektów, gdyż jej przesyłanie na odległość większą niż 10 km jest nieopłacalne; uzyskujemy z tego tytułu około 0,1 zł za kWh.

Po prostych rachunkach zauważamy, że płacąc około 50 zł za substrat możemy otrzymać produkt warty około 62,72 zł [(0,24*1,5+0,1*2,8)*98]. Niby opłacalne. Tyle, że musimy jeszcze uwzględnić koszty eksploatacji, serwisowania i ubezpieczenia instalacji, podatki, transport substancji i wiele innych czynników, po uwzględnieniu których okazuje się, że nasza inwestycja wcale nie jest tak rentowna, jak by się mogło wydawać. Chyba, że doliczymy do naszych przychodów zyski ze sprzedaży świadectw pochodzenia energii. W naszym przypadku są to „certyfikaty zielone”, za które możemy uzyskać około 250 zł za wyprodukowaną MWh i „certyfikaty żółte” w cenie 130 zł/MWh, czyli przy naszych wartościach łącznie dodatkowo 160 zł [(98*(1,5+2,8)*(0,25+0,13)]. Reasumując, wydając 50 zł na 1 tonę kiszonki z kukurydzy (nie biorąc pod uwagę ww. dodatkowych kosztów) możemy uzyskać ze sprzedaży energii około 220 zł. Nie oznacza to jednak, że kapitał zainwestowany w budowę naszej biogazowni przyniesie nam znaczące zyski, a przynajmniej nie od razu. Nawet gdy nasza instalacja jest już gotowa, czekają nas jeszcze około trzy miesiące do osiągnięcia przez urządzenie oczekiwanej mocy, w czasie których wprowadzane są drobne poprawki. Co więcej, jak w przypadku każdej działalności gospodarczej, musimy najpierw przebrnąć przez formalności budowlane, licząc się z wieloma trudnościami, gdyż przepisy dotyczące biogazowni nie są jasno sprecyzowane i urzędnicy często wymagają bardzo dokładnej dokumentacji przedsięwzięcia.

Nic więc dziwnego, że na razie biogazowni przetwarzających odpady rolne jest w Polsce zaledwie kilka. Łącznie, wszystkich biogazowni mamy niewiele ponad sto, lecz liczba ta stale rośnie – na różnych etapach tworzenia jest kolejnych dwieście. Większość z nich powstaje w ramach działalności wielkich korporacji, traktujących te pierwsze biogazownie jako projekt pilotażowy. Skłania je do tego konieczność ograniczania emitowanych zanieczyszczeń, uniknięcie skupowania „zielonych certyfikatów”, poszukiwanie nowych możliwości uzyskiwania taniej energii, chęć uniezależniania się od dostaw gazu i innych substancji energetycznych zza granicy, a także możliwości uzyskania dotacji z programów rozwoju rolnictwa. Liczba tego typu przedsięwzięć jest jednak wciąż niewielka w porównaniu z naszymi sąsiadami zza zachodniej granicy, którzy mogą się poszczycić około 4,5 tysiącami takich obiektów. To właśnie z Niemiec najczęściej sprowadzamy projekty i urządzenia, których brakuje na naszym rynku krajowym, co dodatkowo podwyższa koszty inwestycji w biogaz.

A co z ideą biogazowni stawianych w ogródkach? Czy nie mogłaby stać się alternatywą dla kompostowania, w wyniku którego otrzymuje się tylko nawóz i ewentualnie ciepło? Substratem do fermentacji metanowej mogłyby być odpadki kuchenne, skoszona trawa, czy osady ściekowe. Produkowany nawóz służyłby do użyźniania gleby, a biogaz wykorzystywany byłby na przykład w instalacji centralnego ogrzewania. Dlaczego więc nie stosuje takiego procesu? Głównie ze względu na wysokie koszty inwestycyjne, lecz także przez brak ogólnie znanych przykładów jego efektywnego wykorzystania. Co więcej często decyzję o zmianie źródła energii odkładamy na później, w nadziei że niedługo technologia zostanie unowocześniona i stanie się bardziej opłacalna.

Czy wykorzystywanie biomasy jest więc tylko ekologiczne, a o jej ekonomiczności możemy na razie jedynie pomarzyć? Trudno obecnie to jednoznacznie stwierdzić. Jak już nadmieniłem, wszystko zależy od warunków, w których biogazownia miałaby działać, a jako że jest ona w naszym kraju wykorzystywana dopiero od niedawna, trudno ocenić, czy kolejne inwestycje z nią związane powstają z powodu mody na ekologiczne źródła energii, czy za ich zastosowaniem przemawia czynnik ekonomiczny.

Może i wykorzystywanie biogazu jest ekonomicznym sposobem uzyskiwania energii, ale tylko pod warunkiem, że chcemy produkować go na dużą skalę. To wymaga jednak sporych nakładów finansowych i dokładnej analizy wszystkich szczegółów, począwszy od lokalizacji, a na ewentualnych protestach okolicznych mieszkańców skończywszy. Nie każdy z nas może sobie mimo szczerych chęci na takie działanie pozwolić. A często ci, którzy mogą, nie chcą, ponieważ traktują ekologię jako kolejną fanaberię zakręconych ludzi z Greenpeace czy innej równie fanatycznie nastawionej ekologicznej organizacji. Czas więc zacząć pracę u podstaw, aby pokazać szerszemu społeczeństwo na czym owa ekologia ma polegać, a naszym prawodawcom zwrócić uwagę, że może jakieś odgórne działania sprawią, iż ekologia = ekonomia, ku pożytkowi naszemu i następnych pokoleń.
Póki co poniższy wykres wyraźnie wskazuje, że dłuuuugo przyjdzie nam jeszcze czekać, aż paliwa z odnawialnych źródeł energii (OZE) dorównają pozostałym przy produkcji energii elektrycznej.

Źródło: Raport Polskich Sieci Elektroenergetycznych Operator S.A. za rok 2010

W porównaniu z rokiem 2009 nastąpił wzrost udziału OZE o 1,14%.