8. Klimats un enerģētika

Jēdziens bioenerģija ietver sevī plašu bioenergoresursu diapazonu:

• biomasa dažāda veida atkritumos, piemēram, bioloģiski noārdāmā frakcija;

• rūpniecības, sadzīves un lauksaimniecības atkritumi (ieskaitot augu un dzīvnieku izcelsmes vielas);

• mežsaimniecības un līdzīgu nozaru ražošanas atlikumi;

• atkritumu poligonu un notekūdeņu attīrīšanas iekārtu gāzes un biogāze.

Bioenerģijas ieguves un izmantošanas puduris aptver bioresursu avotus (augšējā skaldne), bioresursu pārstrādes tehnoloģijas (sānu skaldne) un enerģijas patērētāja avotus (priekšējā skaldne).

8.3.1.1.Bioenergoresursi

Bioenerģiju iegūst no bioloģiskas izcelsmes avota – gan augu valsts produktiem, piemēram, kokiem, krūmiem, graudaugiem, niedrēm, aļģēm, gan dzīvnieku valsts produktiem, piemēram, taukiem, atkritumiem. Bioenerģija kā atjaunojamais enegoresurss nodrošina aptuveni 10–15% no pasaules primārā enerģijas pieprasījuma.

Biomasa ir viela, kuru veido galvenokārt ogleklis, ūdeņradis, skābeklis un slāpeklis. Augu biomasa sastāv no trim galvenajiem komponentiem (celulozes, hemicelulozes un lignīna), kam jāpievērš uzmanība, analizējot dažādu tipu augu biomasu. Celuloze un hemiceluloze ir biomasas struktūru stiprinošās šķiedras, bet lignīns šīs šķiedras satur kopā. Biomasa var būt arī blakusprodukts, piemēram, lauksaimniecības kultūrām, mežu izejmateriāliem, cietajiem sadzīves atkritumiem, mēslojumam, dūņām.

Bioenergoresursus klasificē, izmantojot dažādus kritērijus: pēc to izcelsmes, sastāva, izmantošanas iespējām utt. Atkarībā no katra bioenergoresursu komponenta (lignīna, celulozes, hemicelulozes) sastāva izšķirami dažādi biomasas veidi.

Terminu „lignocelulozes biomasa” bieži izmanto, aprakstot šķiedrainus materiālus, kas galvenokārt sastāv no celulozes un lignīna, kuri ir savstarpēji saistīti vienotā struktūrā. Šī biomasas tipa sastāvā esošajiem proteīniem, sāļiem, skābēm un minerāliem ir zema koncentrācija. Tāpēc lauksaimnieciskas izcelsmes izejvielas pārtikas ražotāji dažreiz neizmanto kā rūpniecisku izejvielu.
Lignocelulozes biomasas izmantošanā jārēķinās ar sešām lignocelulozes biomasas sastāvdaļām:

• celulozi;
• hemicelulozēm;
• lignīnu;
• pelniem;
• ekstraģentiem;
• ūdeni.

Celuloze ir galvenā augu šūnu sastāvdaļa. Tās molekulas veidotas no β-D-glikopiranozes atlikumiem. Tā arī ir biomasas pamatsastāvdaļa.

Hemicelulozes sastāv no dažādiem monosaharīdiem un hidrolizējas vieglāk nekā celuloze.

Lignīns ir augu valsts otrs izplatītākais biopolimērs pēc celulozes. Lignīns ir termiski izturīgāks nekā celuloze un hemicelulozes.
Dažādu biomasas veidu sastāvā ir atšķirīgi lignīnu tipi, kuru struktūra un uzbūve atšķiras. Piemēram, mīkstkoka, cietkoka, salmu un zāles sastāvā esošajam lignīnam ir dažāds sastāvs.

Pelni ir ciets atlikums, kas rodas biomasas degšanas rezultātā. Pilnīgi sadegušu pelnu saturā nav oglekļa un ūdeņraža. Pelnos ir nedaudz slāpekļa, sēra vai skābekļa savienojumu, bet ir galvenokārt biomasas sastāvā esošās minerālvielas, kā dažādi alumīnija, magnija, nātrija vai kālija savienojumi.

Galvenās lignocelulozes biomasas izejvielas:

• lauksaimniecības izejvielas;

• mežsaimniecības izejvielas;

• „enerģētisko augu” kultūras;

• organiskie atkritumi.

Bioenergoresursu veidi atšķiras pēc to izmantošanas – tiešajai siltumenerģijas un elektroenerģijas ražošanai, tos dedzinot katlu kurtuvēs vai arī starpproduktu ražošanai, kas paver plašākas bioenergoresursu izmantošanas iespējas. Tādā gadījumā notiek bioenergoresursu pārveide biodegvielā, kuru tālāk izmanto enerģētikā, rūpniecībā, lauksaimniecībā, mājsaimniecībā un transportā.


Pirmās paaudzes bioenergoresurss ir biomasa, kas iegūta no lauksaimniecības kultūrām, ko tradicionāli audzē cilvēku pārtikai un dzīvnieku barībai. Parasti no šīs biomasas iegūst šķidru un gāzveida biodegvielu. Galvenie produkti, kas pašlaik pieejami pasaules tirgū, ir bioetanols, biobutanols, biodīzeļdegviela un biometāns.

Otrās paaudzes bioenergoresursi tiek ražoti no izejvielām, kuras nevar tieši lietot pārtikas ražošanā. Šīs biomasas izejvielas sauc par lignocelulozes biomasu, kas ietver, piemēram, enerģētisko koksni, ātraudzīgos krūmus, lapas, zāli, salmus. Lignocelulozes biomasas tipa izmantošana otrās paaudzes biodegvielas ražošanā minimāli ietekmēs pārtikas un šķiedru nozari, un tas praktiski izslēdz savstarpējo degvielas un pārtikas sektora konkurenci. Otrās paaudzes biokurināmā ražošanā ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar fosilo kurināmo un pirmās paaudzes biodegvielu. Būtiskākā otrās paaudzes biodegvielas priekšrocība ir tā, ka tiek novērsta konkurence starp biodegvielas un pārtikas ražošanu. Otrās paaudzes biodegvielas ražošana un izmantošana veicina siltumnīcefekta gāzu (SEG) samazinājumu atmosfērā. Salīdzinājumā ar pirmās paaudzes biodegvielām biomasas audzēšanai ir nepieciešamas mazākas zemes platības, turklāt pieeja šiem resursiem tiek nodrošināta visa gada garumā, ja nav  augu veģetācijai nepiemērotas sezonas.

Trešās paaudzes biodegvielu var ražot no tādiem biomasas veidiem, kuri nekonkurē ar pārtikas un šķiedru sektoru. Par avotu trešās paaudzes biodegvielas ražošanā uzskatāmas aļģes. Svarīgākais ir aļģu augstais eļļas saturs un plašā sugu daudzveidība, kas padara aļģes par plaši pieejamu un viegli kultivējamu biomasas veidu. Aļģēm piemīt ātra masas pieauguma spēja, to audzēšanai nav vajadzīgas iekoptas platības un augsta ūdens kvalitāte. To ieguvei nepieciešami tikai trīs avoti:

• Saules gaisma – fotosintēzes procesa nodrošinājumam, kas ir aļģu augšanas pamatā;

• CO₂ – oglekļa avota nodrošināšanai augšanas procesa laikā;

• barības vielas – slāpekļa un fosfora savienojumi.

Ir vērojama strauja trešās paaudzes bioenergoresursu attīstība, un var secināt, ka otrās paaudzes biodegviela nav vienīgais avots, ar ko aizstāt fosilo degvielu un novērst konkurenci ar pārtikas ražošanu.

8.3.1.2. Bioenergoresursu pārstrādes tehnoloģijas

Bioenergoresursu pārstrādes rezultātā tiek ražoti produkti, kuri tiek izmantoti dažādos tautsaimniecības sektoros: enerģētikā, transportā, mājsaimniecībās, pakalpojumu sniegšanā, rūpniecībā un lauksaimniecībā.

Bioenergoresursu pārstrādes tehnoloģiskos produktus var iedalīt pēc dažādām pazīmēm: gan pēc agregātstāvokļa un produktu fizikālajām vai ķīmiskajām īpašībām, gan produkta avota, gan arī pēc to izmantošanas iespējām. Visprecīzāk bionergoresursu produktu klasifikāciju atspoguļo iedalījums trīs grupās:

◊ Cietā biomasa tehnoloģisko produktu ražošanai, kuru izmanto, piemēram, kaļķu apdedzināšanas procesā:◊ Gāzveida energoresurss elektroenerģijas un siltumenerģijas ražošanai koģenerācijas stacijās, elektrostacijās un katlu mājās, transporta līdzekļos:
◊ Šķidrā degviela transporta līdzekļiem, elektroenerģijas un siltumenerģijas ražošanai elektrostacijās un koģenerācijas stacijās:
Visu triju veidu bioenergoresursus iespējams izmantot energosektorā elektroenerģijas, siltuma un aukstuma ražošanai, patērētāju vajadzību nodrošināšanai visās tautsaimniecības nozarēs.

Cietais biokurināmais

Visbiežāk lietotais bionergoresursu pārstrādes produkts ir cietais biokurināmais. Siltumenerģijas ražošanai mājsaimniecībās krāšņu, katlu un kamīnu kurtuvju degšanas procesos vēl joprojām izmanto malku. Tomēr aizvien biežāk tiek izmantoti koksnes šķeldas, granulu, brikešu un citu bioenergoresursu pārstrādes produkti, kurus iegūst, koksni žāvējot un mehāniski apstrādājot. Cits biomasas pārstrādes produkts ir kokogles, kuras iegūst pirolīzes procesā.

Šķidrā biodegviela

Bioetanolu izmanto kā aizstājēju tradicionālajam benzīnam iekšdedzes dzinējos. Tas tiek ražots no graudaugu kultūrām un cukuru saturošiem augiem. 80% no pasaules bioetanola tiek saražoti no kukurūzas un cukurniedrēm. Pašlaik bioetanols ir dominējošais pirmās paaudzes biodegvielas veids. Tomēr pamazām bioetanola ražotnes pārkārtojas uz otrās paaudzes tehnoloģijām ar nepārtikas bioresursu izmantošanu. Bioetanola izmantošana iekšdedzes dzinējos samazina siltumnīcefekta gāzu emisijas par 33–46%.

Biodīzeļdegviela ir dīzeļdegvielai līdzīgas kvalitātes šķidrā degviela, ko iegūst no biomasas vai izmantotajām pārtikas eļļām. Arī biodīzeļdegvielas ražotnes aizvien vairāk pārkārtojas, lai aizvietotu saulespuķu un rapšu sēklas un citas pārtikā lietojamas izejvielas ar nepārtikas bioresursiem. Tādējādi notiek lēna pāreja no pirmās paaudzes uz otrās paaudzes bionergoresursu ražotnēm. Biodīzeļdegvielas priekšrocības salīdzinājumā ar cieto biomasu ir to transportēšanas un uzglabāšanas atvieglotas iespējas (līdzīgi kā naftas produktiem), kā arī iespēja to izmantot tvaika katlos, gāzes turbīnās un mazas un vidējas jaudas dīzeļdzinējos ar augstāku energoefektivitāti, ražojot elektroenerģiju un siltumenerģiju. Biodīzeļdegvielas galvenās priekšrocības ir šādas:

• degšanas procesā neveidojas sēra oksīdu emisijas. Ja arī SO_x emisijas rodas (atkarībā no biodīzeļdegvielas kvalitātes, kas savukārt ir atkarīga no biomasas izejvielas kvalitātes), to lielumi nepārsniedz SO_x emisiju normatīvos un standartos noteiktās robežvērtības,

• degšanas procesā veidojas salīdzināmi zemas NO_x emisijas. Biodīzeļdegviela rada par ≈50% zemākas NO_x emisijas salīdzinājumā ar fosilajām degvielām, kas tiek izmantotas gāzu turbīnu darbināšanai, kā arī salīdzinājumā ar dīzeļdegvielu, kas tiek izmantota stacionārajos dīzeļmotoros,

• biodīzeļdegvielu uzskata par SEG neitrālu degvielu, kam siltumnīcefekta gāzu emisijas ir vienādas ar nulli. Ir pieņemts, ka biomasa un no tās iegūtās degvielas ir SEG neitrālas. SEG netiek iekļautas arī CO₂ emisijas, kas rodas pašas biomasas un pēc tam arī iegūtās biodīzeļdegvielas izmantošanas un transportēšanas laikā.

• biodīzeļdegviela ir atjaunojama un vietēji ražota degviela. Valstī, kur ir pieejami lieli biomasas vai organisko atkritumu daudzumi, biodīzeļdegvielas ražošana pirolīzes procesā var samazināt valsts atkarību no fosilās degvielas importa. Salīdzinājumā ar citām no biomasas iegūtām degvielām, biodīzeļdegviela var tikt uzglabāta un transportēta līdzīgi kā naftas produkti. Tas kopumā palīdz izlīdzināt enerģijas pieprasījumu un enerģijas sadali. Viena no galvenajām biodīzeļdegvielas priekšrocībām ir tā, ka to var izmantot jebkurā laikā un vietā, kur līdz šim lietoja gāzveida vai šķidro kurināmo.

Biogāze

Biogāze ir atjaunojams energoresurss. Biogāze ir degoša gāze, kas sastāv galvenokārt no metāna CH₄ un oglekļa dioksīda CO₂. Tā tiek iegūta anaerobās fermentācijas procesā. Anaerobā fermentācija ir bioķīmisks process, kura laikā dažādi organiskie substrāti (piemēram, augu biomasa, kūtsmēsli un virca, organiskie atkritumi) baktēriju ietekmē anaerobā (bezskābekļa) vidē sadalās, veidojot biogāzi un pārstrādātu substrātu jeb digestātu. Biogāzes ražošanu ietekmē gan anaerobās fermentācijas procesa parametri, gan biogāzes stacijas darbināšanas parametri.

Anaerobā fermentācija ir sarežģīts mikrobioloģisks process, kas noris bez skābekļa klātbūtnes. Pamatā procesu veic baktērijas, bet procesā piedalās arī augstākas trofiskās grupas, piemēram, protozoji (vienšūņi) un anaerobās sēnes. Mikrobu populācija satur dažādu tipu nepieciešamās anaerobās baktērijas un fakultatīvās (tādas, kas spēj dzīvot gan aerobos, gan anaerobos apstākļos) baktērijas.

Procesa laikā organiskās izejvielas tiek pārveidotas digestātā un biogāzē. Biogāzes galvenās sastāvdaļas ir divas: CH₄ (50–70%) un CO₂ (30–50%). Biogāzes sastāvā sastopams arī sērūdeņradis (H₂S), un tā koncentrācija ir atkarīga no izejvielu sastāva. No kūtsmēsliem iegūtā biogāzē H₂S saturs ir augstāks nekā biogāzē, kas iegūta no augu biomasas.

Biogāzes ražošanas tehnoloģisko iekārtu kopums ir vienota sistēma, kura ietver dažādus izejvielu avotus (kūtsmēslus, organiskos atkritumus un dažreiz arī zaļo biomasu, piemēram, kukurūzu), biogāzes reaktorus, biogāzes rezervuārus, digestāta bloku un biogāzes izmantošanas iekārtas enerģijas ražošanai.

Biogāzes ražošanas blakusprodukts ir digestāts  jeb pārstrādātais substrāts, ko izmanto kā augsnes mēslojumu. Anaerobās fermentācijas procesā rodas maz siltuma atšķirībā no aerobās (skābekļa klātbūtnē notiekošās) sadalīšanās, piemēram, kompostēšanas.

8.3.1.3.Bioenerģijas energoavoti

Lai nodrošinātu siltumenerģijas un elektroenerģijas patērētājam nepieciešamo enerģiju, energoavotos uzstāda energotehnoloģiju iekārtas, kurās energoresursu ķīmiskā enerģija pārvēršas siltumenerģijā, un tās ir izveidotas tā, lai šī pārveide notiktu ar minimāliem enerģijas zudumiem. Bioenerģijas energoavoti atšķiras no fosilajiem energoavotiem ar to, ka par kurināmo izmanto bioenergoresursus, tādējādi samazinot siltumnīcefekta gāzu emisijas līdz nullei.

Bioenerģijas energoavotos uzstādītās energotehnoloģijas iekārtas atšķiras gan konstruktīvi, gan ar uzstādītajām jaudām un energonesējiem, gan arī ar darbināšanas parametriem. Bioenergotehnoloģiju iekārtu galvenā sastāvdaļa ir kurtuve (degkamera), kurā notiek degšanas process. To izmanto dažādu konstrukciju iekārtās:
Kurināmā degšanas procesa ķīmiskās reakcijas nodrošina divas vielas – kurināmais un gaisa skābeklis. Kurināmā īpašības, agregātstāvokļi, daļiņu izmēri un formas atšķiras. Tas nozīmē, ka jānodrošina skābekļa piekļūšana degošajiem elementiem nepieciešamās proporcijās, lai notiktu jebkura kurināmā pilnīga sadegšana. Svarīgi ir panākt, ka dūmgāzēs ir tikai biokurināmā pilnīgas sadegšanas produkti (no cietā un šķidrā kurināmā), t.i., ogļskābā gāze CO₂ un ūdens tvaiki H₂O.

Degšanas procesā vienlaikus norisinās aptuveni 250 ķīmiskas reakcijas, un tāpēc degšanas produkti veido arī videi kaitīgas emisijas:

• slāpekļa oksīdus NO_x;

• sēra oksīdus SO₂, SO₃;

• degšanas starpproduktus, kuri veidojas nepilnīgas degšanas gadījumā (CO, C_mH_n, C, aldehīdi u.c.).

Kurtuve (degkamera) ir tikai viens elements energotehnoloģiju iekārtu sistēmā, kas izveidota un uzstādīta energoavotos. Tajos ir uzstādītas kurināmā, ūdens sagatavošanas ierīces, galvenie agregāti, ar kuru palīdzību ražo siltumenerģiju un elektroenerģiju, un palīgiekārtas. Atkarībā no avotā saražotā un patērētājiem nodotā enerģijas veida energoapgādes sistēmu bioenerģijas avotus iedala divās lielās grupās:

Katlu mājas

Katlu mājas ir visizplatītākais siltumenerģijas ražošanas avots Latvijā. Katlu māju tehnoloģiskie risinājumi aptver dažādu iekārtu kopumu, kas saistītas ar degšanas procesa organizāciju, siltuma un masas apmaiņas procesu īstenošanu. Katlu mājās uzstādīto iekārtu kopas ir atšķirīgas un, meklējot līdzības ar dzīviem organismiem, tās iespējams iedalīt trīs grupās:

• degšanas tehnoloģijas (kurtuves ar kurināmā piegādes un pelnu aizvadīšanas iekārtas) ir energoavota sirds;

• katlu sildvirsmas (starošanas, konvektīvās un kondensācijas virsmas) pilda asinsvadu sistēmas funkcijas, kas piegādā organismam nepieciešamo enerģiju;

• palīgiekārtas (sūkņi, ventilatori, dūmsūcēji, biokurināmā saimniecības, ūdens sagatavošanas un dūmgāzu attīrīšanas iekārtas) ir organisma sastāvdaļas, bez kurām organisms nav spējīgs pilnvērtīgi eksistēt.

Latvijā ir uzbūvētas vairāk nekā 50 energoefektīvas biomasas katlu mājas, kurās ir uzstādīti koksnes šķeldas katli, un tās ražo siltumenerģiju Balvos, Cēsīs, Ludzā, Tukumā, Ventspilī, Salaspilī, Rīgā un citās pilsētās vai novados.

Zinātnisko inovāciju ieviešana koksnes šķeldas katlu mājās ļāvusi paaugstināt energoavota energoefektivitāti. Piemēram, Ludzas un Tukuma katlu mājās uzstādīti dūmgāzu kondensatori, kuri izveidoti, pateicoties sadarbībai starp Rīgas Tehniskās universitātes Vides aizsardzības un siltuma sistēmu institūta zinātniekiem, metālapstrādes rūpnīcas „Komforts” darbiniekiem un siltumapgādes uzņēmumiem Ludzā un Tukumā. Dūmgāzu kondensatoru uzstādīšana ļāvusi paaugstināt energoavota lietderības koeficientu par 15–20%.

Koģenerācijas stacijas

Koģenerācija ir būtisks enerģijas izstrādes un energoefektivitātes paaugstināšanas līdzeklis. Ar kompleksu tehnoloģiju lietojumu tiek nodrošinātas enerģijas patērētāja vajadzības pēc siltuma, aukstuma, elektriskās vai mehāniskās enerģijas. Izmantojot biokurināmā ķīmisko enerģiju, tiek ražota siltumenerģija, kuru parasti pārveido  elektroenerģijā. Retāk siltuma enerģiju lieto absorbcijas iekārtās, radot aukstumu. Koģenerācijas kā enerģijas ražošanas veida priekšrocības vērtē, salīdzinot to ar tradicionālo enerģijas veidu atsevišķu ražošanu: siltumenerģiju – katlu mājā, bet elektroenerģiju – elektrostacijā. Tehnoloģiski ir iespējams, ka enerģiju koģenerācijā saražo ar mazāku kurināmā patēriņu, un tas nozīmē arī augstāku energoefektivitāti.


Klimata tehnoloģijas koģenerācijas staciju gadījumā ir „augstas efektivitātes koģenerācija”, saprotot to, ka tā nevar būt vienkārši elektrostacija, kurā ražo tikai elektroenerģiju. Šajā gadījumā koģenerācijas stacijai ir jānodrošina šādi nosacījumi:
primārās enerģijas ietaupījums ir vismaz 10% apmērā salīdzinājumā ar siltumenerģijas un elektroenerģijas atsevišķu ražošanu;
primārās enerģijas ietaupījums mazas jaudas un mikrokoģenerācijas gadījumā salīdzinājumā ar siltumenerģijas un elektroenerģijas atsevišķu ražošanu.

Koģenerācijas efektivitātes aprēķināšanai Eiropas valstīs noteikti efektivitātes rādītāji atsevišķai elektrības un siltuma ražošanai, kuri ir atkarīgi no iekārtas izgatavošanas un nodošanas ekspluatācijā gada, tehnoloģijas, kurināmā veida u.c.
Lielākā biomasas koģenerācijas stacija Latvijā darbojas Jelgavā. Stacija atrodas pilsētas vidē un siltumenerģijas patērētāju tuvumā.

Koģenerācijas stacijas galvenā iekārta ir tvaika katla kurtuve ar „verdošā” (pseidošķidrā) slāņa koksnes šķeldas sadedzināšanu. Katla kurtuvē un gāzu ejās ir izvietotas sildvirsmas. Kondensāts (ūdens) plūst caur tām, pakāpeniski uzsilstot un iztvaikojot. Piesātināts tvaiks pārkarsētājā saņem papildu siltumu no dūmgāzēm. Tādējādi no katla uz turbīnu aizplūst pārkarsēts tvaiks ar augstu entalpijas (siltumsatura) vērtību.

Pārkarsētais tvaiks griež turbīnu un ražo elektroenerģiju. Turbīnā pārpalikušo zemākas temperatūras tvaiku izmanto siltumapgādes sistēmas ūdens sildīšanai. Ūdens un tvaiks cirkulē pa noslēgtu kontūru. Atdzesētais kondensāts atgriežas katlā. Tā zudumi ir niecīgi, tāpēc ir nepieciešams tikai neliels ūdens papildinājums kontūrā. Koģenerācijas stacijai ir vēl divi svarīgi bloki: koksnes šķeldas glabātuves un dūmgāzu attīrīšana iekārtas.

Elektroenerģijas un siltumenerģijas ražošana biomasas koģenerācijas stacija ar augstu energoefektivitāti ir uzskatāma par mūsdienu modernāko, videi draudzīgāko un efektīvāko klimata tehnoloģiju bioenerģētikā.