.       

globalna energia odnawialna
wiatrowa
solarna
wodna
geotermia
bioenergetyka
utylizacja odpadów
wnioski

biomasa i energia

analiza energetyczna

Ekonomia bioenergetyki
terminologia
czynniki bezpośrednie
czynniki pośrednie

Dane termodynamiczne wzory
symbole
jednostki
ciepła spalania

objaśnienia

bibliografia

Bioenergetyka

Zamieszanie wokół "efektu cieplarnianego" powoli przekształca się w debatę o potencjalnych możliwościach ingerencji człowieka w procesy decydujące o warunkach życia na Ziemi. Globalna akcja na rzecz ograniczenia emisji CO₂ będzie pierwszą próbą weryfikacji tej hipotezy. W jej tle pojawia się też pytanie o możliwość kreacji globalnej polityki gospodarczej w zgodzie z realnymi uwarunkowaniami istniejącymi na Ziemi. Emisja gazów cieplarnianych jest bowiem tylko przyrodniczo znaczącym skutkiem eksploatacji procesów technicznych niezbędnych do pozyskania energii. Energetyka jest podstawą istnienia naszej cywilizacji, więc nie można równocześnie redukować jej potencjału i oczekiwać utrzymania standardów życia. Koniecznie trzeba jednak postawić pytanie o kierunek rozwoju energetyki, zgodny z zamiarem utrzymania jej obecnej wydajności przez okres większy niż horyzont czasowy bieżącej polityki.

Zrównoważony rozwój jest pomysłem na takie kształtowanie polityki gospodarczej, by zasoby dostępne naszemu pokoleniu były zachowane dla wszystkich pokoleń następujących po nas. Ustanawia nowy rodzaj utopii, gdyż nie można zjeść ciastka i mieć ciastka nadal. Mając ten fakt w pamięci nie można jednak negować potrzeby funkcjonowania zasady zrównoważonego rozwoju w planowaniu strategicznym. Wyraża ona bowiem fundamentalne prawo ekologii każdego gatunku. Rodzaj ludzki nie jest wyłączony spod reguły, że nie może rozwijać się populacja likwidująca zasoby, od których jej bytowanie jest uzależnione. Surowce energetyczne znajdujące się na Ziemi są takim poddanym presji człowieka zasobem warunkującym istnienie cywilizacji. Musimy poszukiwać sposobu zabezpieczenia potrzeb energetycznych, dostępnego dla setek pokoleń następujących po nas.

Debata energetyczna prowadzona przy okazji dyskusji o "efekcie cieplarnianym" koncentruje się wokół sporu między realistami, optującymi za doskonaleniem aktualnie stosowanych technik zużycia paliw kopalnych, a ekologami promującymi energetykę odnawialną. Realiści mają za sobą najsilniejszą grupę kapitałową, której łączny wolumen przekracza 20% globalnego rynku finansowego. Ekolodzy mogą natomiast polegać na wsparciu społecznym, które częściej wyraża się w polityce władz państwowych niż w postaci realnych funduszy inwestycyjnych. Efektem tej debaty są działania nieczęsto polegające na argumentach racjonalnych. Ekolodzy ze zdumieniem obserwują swoich kolegów wspierających energetykę jądrową, technologię o najwyższym poziomie ryzyka, eksploatującą paliwa kopalne bez uporządkowanej gospodarki odpadami. Udziałowcy korporacji energetycznych z przerażeniem słuchają swoich ekspertów, propagujących niezmiernie kosztowne odzyskiwanie CO₂ ze spalin elektrowni i zatapianie na dnie oceanu.

Powrót do realizmu proponujemy zacząć od stwierdzenia, że jedynym niewyczerpalnym źródłem energii jest promieniowanie pochodzące ze Słońca. Takie postawienie problemu wskazuje na technologie pozyskiwania energii słonecznej jako docelową opcję dla całej energetyki. Przypomnieć tu wypada, że wszystkie węglowe paliwa kopalne zawdzięczają swój zasób energetyczny energii słonecznej zakumulowanej w nich przez miliony lat. Proces spalania paliw kopalnych odwraca bowiem proces asymilacji dwutlenku węgla z atmosfery,  dokonany przez rośliny i inne organizmy żywe. Fotosynteza jest jedynym działającym na skalę globalną procesem fizykochemicznym, który trwale absorbuje promieniowanie słoneczne. Powoduje związanie w formie biomasy niewielkiej części energii docierającej do Ziemi ze Słońca. Energia zużyta do wytworzenia węglowodanów jest eliminowana z bilansu energetycznego atmosfery i oceanu. Gromadzi się w biosferze, a jej rezerwa zakumulowana w postaci węglowodorów i węgla kopalnego mogła być uwolniona jedynie w procesach wulkanicznych. Powstanie energetyki ludzkiej jest tym czynnikiem ingerencji w sytuację klimatyczną Ziemi, który jest odpowiedzialny za uwolnienie zarówno nagromadzonej w biosferze energii słonecznej jak i dwutlenku węgla, gazu zdolnego do zatrzymania nadmiaru ciepła w atmosferze.

Energetyka ludzka przyczynia się do wydobycia paliw kopalnych i uwolnienia energii słonecznej nagromadzonej w skorupie ziemskiej przed milionami lat. Różnica pomiędzy spalaniem współcześnie powstałych biopaliw a spalaniem węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego, polega jedynie na okresie czasu potrzebnego do odtworzenia paliw. Biomasa współcześnie powstaje w procesie wiązania energii słonecznej, co powoduje, że jej uwolnienie podczas spalania nie wpływa na bilans węglowy biosfery. Ocenia się, że 4,2x10¹⁷J energii słonecznej jest co roku gromadzona w postaci biomasy zawierającej 10¹⁰ ton węgla. Gdyby energetyka zdołała pozyskać całą energię z biomasy powstającej w procesie fotosyntezy, to co roku o taką właśnie ilość energii cieplnej powiększony zostałby bilans energetyczny atmosfery. Z tego powodu nie można ocenić, że energetyka oparta w całości o biomasę wypełnia warunek zrównoważonego rozwoju. Co prawda zapewnia, że bilans dwutlenku węgla w atmosferze zostałby zrównoważony, jednak eliminacja efektu chłodzenia biosfery w procesie akumulacji energii fotosyntezy spowoduje gromadzenie się energii w środowisku ziemskim.

Realizacja celu rozwoju energetyki, w postaci kryterium równowagi energetycznej biosfery ziemskiej, będzie wymagać takiego systemu pozyskiwania bioenergii by nie powodował on eliminacji istniejącej zdolności do fotosyntezy. W najbardziej bezpośrednim zastosowaniu tego kryterium będzie to kierować segment bioenergii na tereny dziś marginalne pod względem ich przydatności rolniczej. Również obszary naturalne o znacznym potencjale do asymilacji CO₂ i dużym udziale w absorpcji energii słonecznej zostaną wyłączone spod ekspansji bioenergetyki. Plantacje energetyczne powinny rozwijać się na terenach pustyń, obszarów zdegradowanych, a nawet w miastach i w okolicach uprzemysłowionych. Kolejnym zastosowaniem zasady zachowania równowagi energetycznej biosfery będzie utworzenie narzędzi analitycznych służących do ilościowej prezentacji wyników analizy cyklu życia dla każdej formy energetyki oraz systemów agrotechnicznych. Eliminacja lub ograniczenie wpływu technologii energetycznych na potencjał biosfery do realizacji procesu fotosyntezy jest zadaniem planowania strategicznego, które pozwoli utrzymać w ryzach wszystkie niekorzystne oddziaływania gospodarki na zmiany klimatyczne.

Zastosowanie Kryterium Równowagi Energetycznej Biosfery Ziemskiej (KREBZ) do analizy cyklu życia produktów energetycznych, takich jak energia elektryczna i cieplna, paliwa dla transportu i rolnictwa, umożliwia obiektywną prezentację wyników i ustanowienie liczbowych priorytetów rozwoju poszczególnych technologii. Ustanawiając cel w postaci ochrony zdolności do utrzymania potencjału fotosyntezy, metodyka analityczna będzie oparta o wyniki badań ekotoksykologicznych i termodynamicznych. Dziś eufemistycznie zwane efektami ubocznymi, oddziaływanie energetyki na bioróżnorodność, będzie kwantyfikowane i włączone do rachunku kosztów wytwarzania produktów energetycznych. Taka formuła ekonomicznej dematerializacji szkód w środowisku pozwoli na podejmowanie racjonalnych decyzji inwestycyjnych. Jednoznacznie określi miejsce każdej technologii energetycznej na liście opcji ekspansji gospodarczej. Polityka ekorozwoju zostanie wyposażona w narzędzia komunikowania priorytetów zrozumiałe dla analityków  inwestycyjnych.

Decyzje inwestorów będą ostateczną odpowiedzią społeczności ludzkiej na potrzebę ograniczenia zmian klimatycznych. Uwarunkowane są one wynikami analizy ryzyka, na którą składają się oceny niepewności zarówno wpływu zmian klimatu na gospodarkę, jak też stabilności polityki ograniczania zmian oraz skuteczności tej polityki. W końcu brane są pod rozwagę zagrożenia dla inwestycji wynikające z  niedokładności wyceny kosztów eksploatacji wybranej technologii i oceny zmienności warunków finansowania na kondycję przedsięwzięcia. Zadanie analityków inwestycyjnych sprowadza się więc do wskazania kierunku rozwoju technologii, która:

- cieszy się poparciem politycznym, co zapewnia stabilizację otoczenia prawnego;
- jest konkurencyjna ekonomicznie wobec istniejących na rynku alternatyw, co zapewnia stabilne finansowanie;
- najpełniej spośród alternatyw realizuje kryterium zrównoważonego rozwoju, więc nie jest zagrożona przez wycofanie poparcia politycznego.

Bioenergetyka posiada potencjalną możliwość wypełnienia wszystkich wymienionych warunków stawianych przez analizę ryzyka inwestycyjnego. Ocenia się, że aktualnie paliwa kopalne dostarczają 3,9x10¹⁷J energii pierwotnej zużywanej w gospodarce globalnej. Jest to ilość porównywalna z całym globalnym produktem fotosyntezy, więc teoretycznie można spodziewać się, że bioenergetyka zdoła zastąpić w całości paliwa kopalne. Jednak istniejące technologie wytwarzania i stosowania paliw pochodzących ze źródeł biologicznych nie dysponują potencjałem większym niż 0,4x10¹⁷J. Wynika stąd potrzeba radykalnego postępu technologicznego, który pozwoli powiększyć dostęp do bioenergii przy równoczesnym zachowaniu naturalnych zasobów zdolnych do fotosyntezy, jak też nie umniejszy potencjału rolnictwa i możliwości zaspokojenia potrzeb żywnościowych ludzkości.

Konkurencyjna wobec bioenergetyki jest technologia bezpośredniego przekształcania energii słonecznej na energię elektryczną i cieplną. Ogniwa fotowoltaiczne zapewniają co najmniej 4-krotnie większą niż fotosynteza sprawność procesu konwersji energii słonecznej na elektryczną, a ponadto nie wymagają żadnych dodatkowych operacji technicznych. Zamiast budować skomplikowane instalacje przekształcające biomasę w paliwa lub sieciowe nośniki energii, użytkownik fotoogniw uzyskuje energię natychmiast po włączeniu swojej instalacji. Podobnie proste i tanie jest użytkowanie elektrowni termoelektrycznych i słonecznych instalacji ciepłowniczych. Jednak sposoby wytwarzania instalacji tego rodzaju są ściśle powiązane z najbardziej dewastacyjnymi branżami przemysłu elektromaszynowego. Degradacja środowiska w krajach uprzemysłowionych jest powodem eliminacji znacznej części potencjału absorpcji energii słonecznej. Jeśli postęp w tworzeniu schematów czystej produkcji w przemyśle nie zdoła ograniczyć emisji trucizn powstających przy wytwarzaniu fotoogniw i słonecznych instalacji cieplnych, to system bezpośredniego pozyskiwania energii słonecznej nie będzie stanowił docelowego modelu energetyki odnawialnej.

Zarówno technologia jądrowa, jak i wiele zaawansowanych technik pozyskiwania energii odnawialnej, jest obarczona niemniej poważnymi zastrzeżeniami dotyczącymi ich wpływu na środowisko. Ponadto trzeba pamiętać, że wszystkie poza bioenergetyką nie posiadają potencjału wystarczającego by zaspokoić rosnące potrzeby energetyczne ludzkości. Zużycie nieodnawialnych surowców przy budowie turbin wiatrowych i wodnych powoduje, że rozwój tych technologii zostanie zablokowany przez niedobory materiałowe. Zanim przystąpimy do przeglądu możliwości rozwoju bioenergetyki trzeba przypomnieć, że współcześnie funkcjonują wszystkie tradycyjne formy użytkowania energii biomasy. Spalanie drewna jest pierwszą techniką pozyskiwania energii, którą człowiek opanował przed co najmniej 100 tysiącami lat. Wytwarzanie alkoholu ze zbóż ma prawie tak samo długą historię, a wynalazek fermentacji alkoholowej przypisuje się biblijnemu Noemu. Kiedy zapoznamy się z wynikami przeglądów źródeł energii w krajach trzeciego świata, ale też wiodących gospodarek światowych, to okaże się, że te najstarsze techniki nadal stanowią ogromną część bioenergetyki i mają znaczący udział w całości energetyki.

objaśnienia:
World primary energy mix - Światowe zużycie energii z poszczególnych źródeł
Mtoe/a - mln ton równoważnika ropy naftowej
oil - ropa naftowa
coal - węgiel
gas - gaz ziemny
biomass - biomasa
nuclear - energia atomowa
hydropower - energia z elektrowni wodnych
geothermy - geotermalna
sun, wind & others - energia odnawialna, słoneczna, wiatrowa i innne

Stwierdzić musimy, że aktualnie bioenergetyka nadal jest na najbardziej pierwotnym stadium rozwoju i dotarła do granic swoich możliwości. Większość energii pozyskiwana jest ze spalania biomasy w urządzeniach mniej lub bardziej złożonych pod względem technicznym. W krajach biednego południa jest to powodem wyniszczenia naturalnych drzewostanów. W państwach uprzemysłowionych uprawy biomasy przeznaczonej do spalenia konkurują z rolniczym wykorzystaniem terenów. Na początku trzeciego tysiąclecia bioenergetyka pozostaje na prymitywnym poziomie technologicznym, a biomasa przeznaczona do spalenia zaliczana jest do biopaliwa generacji bazowej.

0. Biopaliwa generacji bazowej są zużywane do spalenia w postaci przetworzonej mechanicznie:
0.1. odpady z gospodarki leśnej i rolnej, np. chrust, kora, drewno z wiatrołomów, słoma
0.2. torf
0.3. zrębki, pelety i brykiety wytwarzane z wysuszonej biomasy celulozowej
0.4. nieprzetworzone odpady komunalne i przemysłowe

Uzyskanie zdolności bioenergetyki do przejęcia rynku paliw kopalnych będzie realne pod warunkiem wdrożenia na dużą skalę produkcji biopaliw nowej generacji.

1. Na dużą skalę stosuje się biopaliwa pierwszej generacji:
1.1. bioetanol produkowany jest z trzciny cukrowej i zbóż metodą hydrolizy i fermentacji
1.2. olej roślinny (pure plant oil PPO) jest wytłaczany na zimno lub ekstrahowany z roślin oleistych, np. z rzepaku
1.3. biodiesel, tj. ester metylowy oleju rzepakowego (rape seed methyl ester RME) jest wytłaczany na zimno lub ekstrahowany z roślin oleistych, np. z rzepaku, a następnie transestryfikowany
1.4. metylowe lub etylowe estry olejów tłuszczowych (fatty acid methyl or ethyl esters FAME or FAEE) są pozyskiwane z olejów odpadowych, a następnie transestryfikowane
1.5. biogaz wytwarzany jest z mokrej biomasy w procesie fermentacji

2. W fazie rozwoju są biopaliwa drugiej generacji:
2.1. bietanol drzewny jest wytwarzany z surowców celulozowych przy pomocy zaawansowanej hydrolizy i fermentacji
2.2. biopaliwa syntetyczne, takie jak diesel FT, biometanol, mieszane alkohole wyższe i biometyloeter Bio-DME, wytwarza się procesie zgazowania i syntezy metodą FT (Fischera-Tropscha)
2.3. biodiesel uwodorniony jest produkowany z olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych metodą selektywnego uwodornienia
2.4. biogaz syntetyczny SNG wytwarzany jest biomasy celulozowej metodą zgazowania i syntezy
2.5. biowodór wytwarzany jest biomasy celulozowej metodą biologiczną lub metodą zgazowania i syntezy

3. W fazie badań i wdrożeń znajdują się biopaliwa trzeciej generacji:
3.1. biodiesel produkowany z alg metodą selektywnego uwodornienia
3.2. biopaliwa syntetyczne są uzyskiwane ze zgazowania biomasy alg

Odrębną kategorią biopaliw są nośniki energii powstające w gospodarce jako produkty uboczne procesów przemysłowych lub odpady bytowe. Nadal prowadzone są dyskusje w kwestii przynależności tych nośników do grupy biopaliw, pomimo, że cywilizacja ludzka wytwarzająca tę grupę paliw niewątpliwie stanowi źródło o charakterze biologicznym. Dotychczas przeważająca masa odpadów podlega składowaniu bezterminowemu jako materiał nieprzydatny dla gospodarki. Jednak kolosalne zanieczyszczenie środowiska związane z emisjami ze składowisk jest powodem intensywnych prac zmierzających do wyeliminowania składowania jako metody pozbywania się odpadów. Postęp technologiczny w dziedzinie termicznego przekształcania odpadów już obecnie pozwala planować zużycie odpadów do wytwarzania energii na skalę przemysłową.

4. biopaliwa wytwarzane z odpadów:
4.1. paliwo alternatywne (refuse derived fuel RDF) wytwarzane jest z odpadów komunalnych i przemysłowych przez mechaniczną przeróbkę w celu dostosowania do potrzeb instalacji energetycznych
4.2. biogaz wytwarzany jest przez oczyszczanie gazów pozyskiwanych z wysypisk odpadów lub z fermentacji ścieków i osadów ściekowych
4.3. biogaz syntezowy wytwarzany jest przez pirolizę odpadów i osadów ściekowych

Dotychczas uruchomiono setki innowacyjnych technologii bioenergetycznych. W każdym ciągu technologicznym wyróżnia się trzy etapy prowadzące do uzyskania energii. W pierwszym wykorzystuje się organizmy żywe do zaabsorbowania energii słonecznej i CO₂. W drugim z biomasy wytwarzane są paliwa, które w trzecim etapie są spalane, więc uwalniana jest energia jak też CO₂, zaabsorbowane w etapie pierwszym. Bioenergetyka daje możliwość zmagazynowania energii słonecznej i użycia jej w odpowiednim dla gospodarki miejscu i czasie. Jednak nie odbywa się to bez kosztów ubocznych, wyrażanych zarówno w cenie urządzeń potrzebnych dla realizacji operacji, jak też energii i surowców pomocniczych zużywanych przez te urządzenia. Wielkim obciążeniem środowiska jest konieczność pozyskania ogromnych obszarów ziemi uprawnej, która jest bazą do produkcji biomasy. Biopaliwa są normalnym produktem przemysłowym, więc jak każda inna branża energetyki, bioenergetyka podlega zasadom oceny oddziaływania na środowisko.

Ekspansja bioenergetyki musi być poprzedzona analizą cyklu życia wszystkich produktów energetycznych pozyskiwanych z biomasy. Brak takiej analizy jest już przyczyną gwałtownego rozwoju produkcji bioetanolu z upraw energetycznych, które przyczyniają się do karczowania  lasów deszczowych i ograniczenia dostępu do żywności i pasz. Koszty uboczne, takie jak utrata bioróżnorodności, wysiedlanie rdzennej ludności, narastanie ubóstwa i przestępczości po utworzeniu wielkoprzemysłowych plantacji energetycznych, muszą być podstawą krytycznego przeglądu technologii, jej lokalizacji i skali działania. Bioenergetyka nie może być kolejną plagą spadającą na kraje trzeciego świata. Zanim zostanie uruchomiona na skalę przemysłową musi być poddana analizie skutków społecznych i ekologicznych, jeśli rzeczywiście ma realizować zasady zrównoważonego rozwoju. Obok przeglądu postępów technologii bioenergetycznych ten aspekt będzie przedstawiony w naszym opracowaniu.

 globalna energia odnawialna

W roku 2001 globalne zużycie energii wyniosło 418 EJ, z czego ponad 10%, tj. 45 EJ, przypadło na biomasę. Przypuszcza się, że w roku 2030 zużycie energii będzie o 50% większe. Ponieważ zużycie biomasy na cele grzewcze w gospodarstwach domowych obecnie wynosi ok. 39 EJ, to utrzymanie ponad 10% udziału biomasy w całkowitym zużyciu energii będzie wymagało znaczącego postępu w przemysłowym wytwarzaniu biopaliw. Wynika to z obserwacji, że energetyczne potrzeby gospodarstw domowych utrzymują się na niemal stałym poziomie z powodu narastających zmian charakteru potrzeb energetycznych w państwach rozwijających się. Poniższy diagram obrazuje udział energii odnawialnej w globalnym zużyciu energii.[3]

objaśnienia:
fossil fuels - energia wytwarzana z paliw kopalnych, takich jak węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny
nuclear - energia pozyskiwana z elektrowni atomowych
renevables - energia ze źródeł odnawialnych
transport biofuels - paliwa zawierające składniki wytwarzane z biomasy, takie jak alkohol i biodiesel
power generation - energia wytwarzana przez energetykę wiatrową, solarną, hydrotermalną i małe elektrownie wodne
hot water/heating - ciepło uzyskiwane z podgrzewaczy solarnych, hydrotermalnych i z elektrociepłowni na biomasę
large hydropower - energia z dużych hydroelektrowni
traditional biofuels - ciepło uzyskiwane ze spalania biomasy (podstawowe źródło energii dla ponad 500 mln rodzin)

W czasie ostatnich dziesięciu lat nakłady na rozwój energetyki odnawialnej wzrastają w tempie nieznanym w historii przemysłu. Nowe inwestycje w tę branżę osiągnęły w 2008 roku sumę ponad  US$120mld. Liderem są Stany Zjednoczone, gdzie inwestycje wyniosły  US$24mld. Chiny, Hiszpania i Niemcy wniosły podobnie znaczący wkład w rozwój energetyki odnawialnej, tj. na poziomie US$15-19mld. Brazylia zainwestowała ponad US$5mld w biopaliwa. Energetyka odnawialna okazała się najbardziej odporną na kryzys branżą przemysłową. Co prawda po wrześniu 2008 roku odnotowała pewien spadek tempa inwestycji, jednak nawet w tym trudnym okresie nakłady na pomoc krajom rozwijającym się osiągnęły rekordową wartość  US$2mld. [9]

Poniższa tabela przedstawia najważniejsze wskaźniki rozwoju energetyki odnawialnej:

objaśnienia:
Investment in new ... - roczne nakłady na wzrost produktywności energetyki odnawialnej
Renevables ... - moc zainstalowana (oprócz wielkich hydroelektrowni)
Renevables ... - moc zainstalowana (włacznie z wielkimi hydroelektrowniami)
Wind ... - moc istniejących elektrowni wiatrowych
Grid-connected ... - moc instalacji fotowoltaicznych podłączonych do sieci
Solar PV... - roczna produkcja instalacji fotowoltaicznych
Solar hot water ... -  moc zainstalowana słonecznych instalacji grzewczych
Ethanol ... - roczna produkcja bioetanolu
Biodiesel ... - roczna produkcja biodiesla
Countries... - liczba państw deklarujących osiągnięcie określonego poziomu udziału energii odnawialnej
States/ ... - liczba państw i stanów, gdzie energia odnawialna jest odbierana po preferencyjnych cenach taryfowych
States/ ... - liczba państw i stanów, które dotują inwestycje w energetykę odnawialną
States/ ... - liczba państw i stanów, gdzie paliwa dla transportu muszą zawierać określony procent biopaliw 

Niemal wszystkie państwa uprzemysłowione i wiele rozwijających się dotują inwestycje w energetykę odnawialną. Również zakup sieciowych nośników energii odnawialnej jest dotowany. Są to obowiązkowe dla odbiorców energii elektrycznej taryfy preferencyjne, limity na udział bioenergii w wytwarzanej energii elektrycznej i na zawartość biopaliw w dystrybucji paliw dla transportu. Zarówno bezpośrednie dofinansowanie, jak też prawne zobowiązania nakładane na uczestników rynku energii mają na celu zneutralizowanie różnic ekonomicznych między bioenergetyką a całością energetyki w państwie.

Główne kierunki inwestycji to energetyka wiatrowa (42%), ogniwa fotowoltaiczne (32%) i biopaliwa (13%). Są to najbardziej kapitałochłonne formy energetyki odnawialnej, które bez interwencji państwa miałyby niewielkie szanse w konfrontacji z energetyką klasyczną. Inwestycje w energię pozyskiwaną z biomasy i geotermii, ciepłownie solarne i małe elektrownie wodne mają udziały na poziomie 6% całego wysiłku inwestycyjnego. W tych sektorach energetyki odnawialnej stosunkowo niskim kosztem  można uzyskać znaczące korzyści dla społeczności lokalnych. Powszechnie krytykowane wielki projekty hydroenergetyczne w 2008 roku również uzyskały znaczne finansowanie na poziomie US$45mld.

Obok wielkich nakładów na powiększenie potencjału energetyki odnawialnej obserwujemy niezwykle intensywny rozwój bazy produkcyjnej i zaplecza badawczego. Ocenia się, że inwestycje w nowe technologie przekroczyły w 2008 roku US$15mld. Spółki i konsorcja inwestujące w badania i rozwój powiększyły kapitał o US$13,5mld. Również banki utrzymują akcję kredytową dla energii odnawialnej na wysokim poziomie. Największym kredytodawcą jest Europejski Bank Inwestycyjny, którego zaangażowanie powiększyło się w 2008 roku o US$2,6mld. Transfer technologii do państw rozwijających się oraz bezpośrednie inwestycje funduszy pomocowych przekroczyły w 2008 roku sumę US$2mld. Bank Światowy przeznaczył na rozwój czystej energii w państwach trzeciego świata US$1,2mld.

Na przełomie 2008/2009 kolejny impuls rozwojowy wynika z załamania rynku finansowego. Kryzys również dotknął niektóre inwestycje w energetyce odnawialnej. Jednak ten sektor przemysłu otrzymuje największe wsparcie finansowe ze strony rządów. Energia odnawialna i czyste technologie stały się ważnym elementem pobudzania aktywności wielu branż przemysłu zagrożonych załamaniem. Władze upatrują w tym sposób na stymulację ekonomiki powiązanej z tworzeniem "zielonych miejsc pracy". USA uruchomiły 10-cioletni program wsparcia wyceniany na US$150mld, Japonia utworzyła 5-cioletni plan rozwoju warty US$12,2mld, Południowa Korea przez 4 lata zainwestuje US$36mld. Oprócz dotacji wiele państw ustanowiło specjalne ulgi podatkowe dla inwestorów finansujących programy rozwoju energii odnawialnej. W USA ulgi te wyceniono na US$1,6mld w roku 2008, a w Chinach na US$15mld. W Meksyku nowe prawo energetyczne będzie finansowane na poziomie US$0,8mld, a Maroko swój program wycenia na US$1mld.

Przemysł związany z energetyką odnawialną odnotował bezprecedensowy boom w 2008 roku. We wrześniu  notowano na giełdach ponad 160 spółek, których kapitał akcyjny przekraczał US$100mln, a podstawą biznesową było wytwarzanie energii odnawialnej. Globalne zaangażowanie kapitałowe w branżę  oceniano na US$240mld, a poziom zatrudnienia na ponad 2,4 mln osób. Kryzys z końca 2008 roku spowodował znaczne trudności dla wielu nowo uruchomionych przedsiębiorstw, ale też takie giganty jak BP i Shell zamknęły niektóre zakłady i zwolniły pracowników. W 2009 roku obserwuje się duże zmiany w lokalizacji nowo budowanych zakładów. Coraz silniejsza jest pozycja Chin w branży energii solarnej i wiatrowej. Znaczący potencjał uruchomiono też w Indiach i w Azji Południowo-Wschodniej.

biomasa i energia

Biomasa już obecnie dostarcza więcej niż 45 EJ energii rocznie w skali globalnej, gdyż jest uniwersalnym surowcem do produkcji energii cieplnej, elektrycznej, paliw ciekłych i gazowych oraz biomateriałów. [12] Jeśli jest wytwarzana i przetwarzana w zgodzie z zasadą zrównoważonego rozwoju może mieć duży udział w redukcji emisji gazów cieplarnianych. Biomasa pozwala efektywnie wytwarzać ekologicznie czystą energię w instalacjach współspalania z paliwami kopalnymi, jak też w specjalnie dedykowanych kotłach do spalania biomasy. Szybko wzrasta skala  produkcji i zużycie biomasy. W krajach tropikalnych już teraz bioetanol skutecznie konkuruje na rynku paliw. Oczekuje się, że etanol produkowany z biomasy będzie konkurencyjny na rynku paliw jeśli cena surowej ropy naftowej będzie wyższa niż US$45 za baryłkę.

Surowce dla bioenergetyki to odpady z rolnictwa i leśnictwa, z przemysłu spożywczego i drzewnego, palne odpady komunalne, jak też specjalne uprawy na gruntach zdegradowanych i nieużytkach. Uprawy energetyczne mogą być też dobrą alternatywą na gruntach ornych i pastwiskach, o ile nie ograniczą wytwarzania żywności i pasz, oraz jeśli poprawią efektywność zagospodarowania terenów rolnych, szczególnie w krajach rozwijających się. Dochód z upraw energetycznych może być dźwignią rozwoju rolnictwa i poprawy kultury rolnej. Aktualnie używane schematy certyfikacji ekologicznej dla  produkcji biomasy z leśnictwa mogą być dostosowane do pozyskiwania odpadów i do upraw energetycznych. Przetwórstwo biomasy może być usprawnione przez upowszechnienie biorafinerii, gdzie równolegle wytwarzana jest energia, paliwa i biomateriały.

Wykorzystanie tych możliwości spowoduje powiększenie udziału bioenergetyki w globalnej produkcji energii z aktualnego poziomu 10% do niemal całkowitego pokrycia zapotrzebowania. Pod koniec stulecia bioenergetyka może dostarczyć od 200 do 400 EJ rocznie. W tym oszacowaniu 130 do 260 EJ przypadnie na paliwa dla transportu i 100 do 200 EJ na energię elektryczną. Większość państw posiada odpowiednie zasoby biomasy lub może stworzyć takie zasoby. Biomasa może być najważniejszym zasobem energetycznym dla wszystkich społeczności na świecie. To nie tylko uniwersalne źródło energii, służące do produkcji energii elektrycznej i cieplnej, paliw ciekłych i gazowych, ale też surowiec do produkcji chemikaliów i biomateriałów.

Aktualna produkcja energii z biomasy

W państwach uprzemysłowionych biomasa dostarcza mniej niż 10% energii. Tymczasem w państwach rozwijających się udział ten jest znacznie wyższy - od 20 do 30%. W wielu krajach biomasa zapewnia pokrycie 50 do 90% potrzeb energetycznych. Największa część biomasy zapewniającej pokrycie potrzeb energetycznych zużywana jest w gospodarctwach domowych najbiedniejszej części społeczeństw do gotowania i ogrzewania. W części jest też towarem rynkowym w państwach uprzemysłowionych w postaci węgla drzewnego i drewna opałowego, jednak niewiele wiadomo o rozmiarach tego rynku - ocenia się, że energia 6 do 9 EJ rocznie jest wytwarzana w tej grupie zastosowań biomasy. [WEA 2000, WEA 2004]

Nowoczesna bioenergetyka  (tj. zawodowe elektrownie, instalacje przemysłowe i paliwa transportowe) ma mniejszy udział w rynku surowców energetycznych, tzn. około 7 EJ rocznie (w 2000 roku), ale udział ten szybko rośnie. Ocenia się, że w 2000 roku była zainstalowana globalna moc elektryczna 40 GW służaca do wytwarzania z biomasy prądu elektrycznego w skali 0,6 EJ rocznie oraz moc cieplna 200 GW, która dostarczyła 2,5 EJ energii cieplnej w tym czasie [WEA 2000]. Spalanie biomasy stanowi obecnie 90% bioenergetyki zawodowej. Na rynku energii mają swoje miejsce procesy spalania biomasy w kuchniach i grzewczych instalacjach domowych, spalarnie odpadów komunalnych, zużycie odpadów przemysłowych w  zakładowych kotłach energetycznych, jak też elektrownie zużywające biomasę w najnowocześniejszych kotłach do efektywnej produkcji energii elektrycznej.

Biopaliwa, głównie etanol wytwarzany z trzciny cukrowej i nadwyżek zbóż i kukurydzy, a w mniejszym udziale biodiesel z upraw roślin oleistych, stanowią niewielką (tj. ok. 1,5%) część paliw transportowych zużywanych przez gospodarkę światową i dostarczają 1,5 EJ energii rocznie. Zainteresowanie rynku biopaliwami rośnie, szczególnie w Europie, Brazylii, Ameryce Płn. i w Azji (głównie w Japonii, Chinach i Indiach). [WEA 2000, WEA 2004, IEA 2006b] Globalna produkcja bioetanolu podwoiła się od 2000 roku, a biodiesla potroiła się, choć startowała ze znacznie niższego pułapu. Tymczasem wydobycie ropy naftowej powiększyło się w tym czasie jedynie o 7%. [World Watch Institute 2007]

Bioenergia w polityce i na rynku

Bioenergetyka jest najważniejszą branżą w aktualnej polityce energetycznej. [Schlamadinger 2006] Główną przyczyną jest konieczność znalezienia alternatywy względem paliw kopalnych. Redukcja emisji dwutlenku węgla i większe bezpieczeństwo dostaw to decydujące argumenty na rzecz rozwoju bioenergetyki. Strategiczne koncepcje polityki energetycznej w wielu krajach są ambitne i zmierzają do zastąpienia przez bioenergię 20 do 30% całkowitej produkcji energii w gospodarce. Długoterminowe scenariusze rozwoju ekonomicznego wyznaczają równie trudne zadania. Trzeba jednak stwierdzić, że istnieje w gospodarce globalnej potencjał do wytwarzania wystarczającej ilości biomasy, a dobrze funkcjonujący rynek bioenergii daje szansę na realizację tych zamierzeń w sposób efektywny i zgodny z polityką zrównoważonego rozwoju. Już teraz są państwa, które mają doświadczenie w tworzeniu rynku biomasy i powiązań istniejących zasobów z potrzebami rynku energii. Przykładem mogą być Brazylia, Szwecja, Finlandia, Kanada  i Holandia. Od niedawna w handlu międzynarodowym pojawiła się biomasa jako towar, którego notowania są stałym składnikiem portfolio dealerów giełd towarowych. Wolumen zleceń i wymiany handlowej na rynku biomasy rośnie bardzo szybko, a niektóre pozycje podwoiły się w czasie kilku ostatnich lat. [Faaij 2005]

Zasoby biomasy

Użytkowane są różne formy pozyskania biomasy: odpady z leśnictwa i rolnictwa, różne odpady organiczne  powstające w gospodarce, lecz najważniejsze będą specjalnie utworzone plantacje i uprawy bioenergetyczne. Na pastwiskach uprawiane są różne rośliny z grupy traw, na gruntach ornych trzcina cukrowa i buraki, tworzone są plantacje drzew i zalesiane są  nieużytki i tereny zdegradowane. Możliwości upowszechnnienia upraw energetycznych zależą od dostępności gruntów, co oznacza konieczność uwzględnienia potrzeb żywieniowych rosnącej liczby ludności, jak również ochrony środowiska, zrównoważonej gospodarki gruntami rolnymi i zasobami wód oraz wielu innych zasad zrównoważonego rozwoju. Z tego względu prognoza rozwoju bioenergetyki nie może być opisana jednym spójnym zestawem ocen prowadzącym do jednego pewnego oszacowania na kolejne lata.

Tablica poniżej zawiera zbiór oszacowań długoterminowych perspektyw rozwoju zasobów biomasy w skali globalnej. Wskazano tu również rozmiar niedokładności tych oszacowań i przyczyny ich istnienia. Oszacowania takie zależą głównie od założonego poziomu plonów oraz powierzchni gruntów przeznaczonych pod uprawy energetyczne, w tym również biopaliwa. Te wielkości są uwarunkowane następującymi kwestiami:

- konkurencją w dostępie do zasobów wody: wprawdzie oszacowania tu prezentowane nie uwzględniają problemu sztucznego nawadniania, jednak w niektórych krajach już  teraz irygacja jest niezbędna z powodu suszy.
- stosowanie nawozów sztucznych i pestycydów: lepszy poziom agrotechniki i zwiększona produktywność upraw zależą od dostępności nawozów i pestycydów. Nadmierne użycie tych czynników wzrostu prowadzi do znacznych szkód w środowisku.
- zagospodarowanie gruntów: intensywna produkcja biomasy pochodzącej z upraw energetycznych może prowadzić do utraty bioróżnorodności. Uprawy roślin wieloletnich przypuszczalnie są mniej niebezpieczne w porównaniu do upraw klasycznych, takich jak zboża i rośliny oleiste, a ponadto mogą wywierać pozytywny wpływ na bioróżnorodność. Należy też zauważyć, że wypieranie z użytku pastwisk prowadzi do upowszechnienia intensywnych technik hodowli bydła.
- konkurencja z produkcją żywności i pasz: jeśli wzrost produkcji biomasy z upraw energetycznych nie będzie pochodził ze zwiększenia produktywności, to może odbywać się kosztem wzrostu cen użytków rolnych i cen tradycyjnych produktów rolnictwa.

Tablica 1 : przegląd możliwości wytwarzania energii z biomasy w skali globalnej (EJ rocznie) w 2050 roku, uporządkowany według najważniejszych założeń, od których zależą wyniki prognoz [Berndes 2003, Smeets 2007, Hoogwijk 2005a].

* ciepło spalania: 19 GJ/T suchej masy.

Biorąc pod uwagę realistyczne oszacowania potencjalnych możliwości produkcji bioenergii można, przy uwzględnmieniu postępu technologicznego, przewidywać, że uprawy energetyczne na gruntach aktualnie użytkowanych przez rolnictwo mogą dostarczyć biomasę o wartości energetycznej 100 do 300 EJ rocznie. W tym scenariuszu bioenergia nie ogranicza przyszłego potencjału rolnictwa ani nie powoduje niedoborów żywności. Znaczącą część tej ilości energii można pozyskać z biomasy pozyskanej przy niewielkich kosztach, tj. za US$2/GJ, o ile wdrożone zostaną energetyczne uprawy wieloletnie. [Hoogwijk 2005b, WEA 2000]. Kolejne 100 EJ można pozyskać po wyższych kosztach i przy mniejszej wydajności z gruntów dziś nieużytkowych lub zdegradowanych. Odnowienie takich terenów wymaga większych nakładów początkowych ale unika się tu konkurencji z alternatywnymi sposobami użytkowania gruntów, a ponadto można spodziewać się dodatkowych korzyści, takich jak odtworzenie gleby czy poprawa retencji wody. Te korzyści mogą w długim terminie przyczynić się do zwrotu części nakładów początkowych. Następnie można doliczyć udział wszelkiego rodzaju bioodpadów, który realistycznie ocenia się na poziomie 40 do 170 EJ. Rozmiar niedokładności oceny tej grupy wynika z trudności oszacowania odpadów z leśnictwa i gospodarki komunalnej, zwłaszcza wobec spodziewanego wzrostu udziału zużycia biomateriałów w gospodarce. Łącznie bioenergia pod koniec stulecia może dostarczyć do 400 EJ energii rocznie. Oznacza to pokrycie całego aktualnego zapotrzebowania na energię. Osiągnięcie tak znacznej skali produkcji bioenergii jest uzależnione od radykalnej poprawy poziomu agrotechniki, szczególnie w krajach rozwijających się. Wiadomo, że istnieją duże możliwości poprawy efektywności zagospodarowania gruntów, co zapewni pokrycie z nadwyżką rosnącego zapotrzebowania na żywność. [Smeets 2007] W dalszej perspektywie najważniejsze będzie stworzenie i upowszechnienie wieloletnich roślin energetycznych, szczególnie w krajach rozwijających się. Należy dołożyć starań dla dostosowania technik produkcji biomasy do warunków lokalnych, np. specyfiki miejscowych warunków agrotechnicznych, klimatycznych i ekonomiczno-społecznych.

Konwersja

Wytwarzanie nośników energii z  biomasy jest realizowane na wiele sposobów. Poniższy rysunek przedstawia najważniejsze technologie przetwarzania biomasy na ciepło, prąd elektryczny i paliwa transportowe. W przypadku produkcji energii cieplnej i elektrycznej najpopularniejsze technologie to spalanie i zgazowanie suchej biomasy oraz wytwarzanie biogazu poprzez fermentację mokrych surowców organicznych. Do produkcji paliw transportowych mają zastosowanie głównie alkoholowa fermentacja roślin o dużej zawartości skrobii i cukru, zgazowanie rozmaitej biomasy w celu uzyskania syngazu, z którego wytwarza  się paliwa syntetyczne (np. metanol i olej napędowy). Do produkcji biodiesla stosuje się ekstrakcję oleju z roślin oleistych, a następnie transestryfikację z alkoholami. Nie wszystkie technologie zostały doprowadzone już do pełnego zastosowania w przemyśle i znajdują się na różnych etapach rozwoju. W tablicach 2 i 3 przedstawiono przegląd najważniejszych technologii i ich profil energetyczny i ekonomiczny. W części o zastosowaniach prezentujemy przypuszczalny udział w rynku każdej z technologii w bliższej i dalszej przyszłości.

Rysunek 1: główne techniki konwersji biomasy na wtórne nośniki energii [WEA 2000].

Tablica 2: Przegląd aktualnych i planowanych danych o wydajności najważniejszych technik konwersji biomasy do energii elektrycznej i cieplnej oraz stopnia komercjalizacji i zastosowań technologii. Z powodu dużej liczby wariantów technologicznych i zmienności warunków zastosowania wszystkie dane o kosztach mają charakter przybliżony i orientacyjny [van Loo 2002, Knoef 2005, USDOE 1998, Dornburg 2001].

Tablica 3: Przegląd aktualnych i planowanych danych o wydajności najważniejszych technik konwersji biomasy na paliwa transportowe. Z powodu dużej liczby wariantów technologicznych i zmienności warunków zastosowania wszystkie dane o kosztach mają charakter przybliżony i orientacyjny [Hamelinck 2006, IEA 2006b, Ogden 1999, IEA 2004, Lynd 1996].

-  do obliczeń założono dla biomasy cenę czystego drewna: $2/GJ. Koszt wytwarzania metylowego estru oleju rzepakowego zmniejsza się w przyszłości z obecnego $20/GJ do $12/GJ. Alkohol z buraków cukrowych jest wytwarzany po kosztach od $8 do $12/GJ. W tych danych nie uwzględnia się kosztów dystrybucji paliw w sieci stacji benzynowych.

- do kosztów sprzętu wlicza się 10% stopę oprocentowania kapitału przy projektowym czasie użytkowania 15 lat. Wielkość instalacji przetwórczej przyjęto dla wstępnego etapu produkcji rzędu 400 MW_t  mocy wejściowej, a w okresie normalnej produkcji >1000 MW_t przy pełnej optymalizacji systemu technologicznego.

- udział kosztów wynikających z użycia benzyny i oleju napędowego zmienia się wraz ceną ropy naftowej. Dla oszacowania aktualnych cen przyjęto zakres od $4 do $9/GJ. Dla oceny przyszłych kosztów przyjęto zakres $6 do $10/GJ. Ponadto wpływ na rynkowe ceny paliw ma polityka podatkowa, która powoduje znaczne różnice pomiędzy krajami. Obecnie ceny te zawierają się w zakresie od $0,50 do $1,30 /litr paliwa.

Obecna sytuacja jest reprezentowana przez dane dla instalacji działających w standardzie najlepszej dostępnej technologii lub instalacji aktualnie budowanych. Przyszła sytuacja jest reprezentowana przez technologie, których pełnowymiarowe wdrożenie jest oczekiwane do 2040 roku, a obecnie są  na etapie zaawansowanego procesu badawczo-wdrożeniowego. Ocena kosztów pozyskania biomasy na poziomie $2/GJ dotyczy instalacji wytwarzających energię ulokowanych bezpośrednio w pobliżu upraw energetycznych lub źródła bioodpadów. 

Nośniki energii pochodzenia biologicznego będą konkurencyjne dla klasycznych paliw o ile koszt ich pozyskania będzie niski albo nawet ujemny, jak ma to miejsce w przypadku odpadów z rolnictwa i innych działów gospodarki. Branża wytwarzania bioenergii będzie konkurencyjna dla energetyki opartej o paliwa kopalne, o ile technologie konwersji i wytwarzania biomasy (szczególnie uprawy energetyczne) zostaną udoskonalone i zoptymalizowane. W tablicy 4 przedstawiono możliwości rozwoju technologii bioenergetycznych w powiązaniu z perspektywami utworzenia zasobów biomasy.

Tablica 4: przegląd przewidywanych możliwości pozyskania różnych zasobów biomasy, rowiązań technologicznych i rynku energii w bliskiej (ok. 5 lat) i dalszej (> 20 lat) przyszłości. [WEA 2004, IEA 2006b, Faaij 2006, IPCC 2007, Knoef 2005, van Loo 2002]

Produkcja energii z biomasy

Obecnie największy wzrost zużycia biomasy do produkcji energii notuje się w Unii Europejskiej, Ameryce Północnej, Europie Centralnej i Wschodniej, w Azji Południowo-Wschodniej (Tajlandia, Malezja, Indonezja). Szczególnym zainteresowaniem cieszy się wytwarzanie energii elektrycznej z bioodpadów oraz produkcja biopaliw. Spalanie biomasy w najnowocześniejszych instalacjach, również z wykorzystaniem zgazowania, najszybciej wdrażane jest w branży papierniczej i w cukrownictwie opartym o trzcinę cukrową. Rynek na nowoczesną technologię produkcji energii elektrycznej z biomasy oraz na systemy współspalania rośnie na całym świecie. Są już dostępne sprawdzone, wydajne i trwałe instalacje do konwersji biomasy na energię. Skala tych systemów rośnie wraz powiększaniem się rynku biomasy. Konkurencyjne wobec paliw kopalnych są zwłaszcza te rodzaje biomasy, które nadają się do współspalania, gdyż nie wymaga to znacznych nakładów inwestycyjnych. 

Specjalne programy państwowe, takie jak podatki węglowe i dopłaty do energii odnawialnej, wspomagają rozwój technologii bioenergetycznych. Zgazowanie zintegrowane z turbiną gazową już w najbliższym czasie będzie atrakcyjną metodą produkcji energii z biomasy. Kiedy zostanie zweryfikowana w skali przemysłowej technologia ta będzie konkurencyjna wobec paliw kopalnych. W wielkiej skali zgazowanie w cyrkulacyjnym złożu fluidalnym  (circulating fluidised bed CFB) umożliwia też realizację wysokosprawnego współspalania. Przy cenie biomasy na poziomie $2/GJ i przy skali wysokosprawnej instalacji rzędu 40-60 MW_e można oczekiwać kosztu wytwarzania energii elektrycznej na poziomie $0,04 do 0,06/kWh. Współspalanie w nowoczesnych elektrowniach węglowych może dać porównywalne lub niższe koszty energii. Uruchomiona w skali przemysłowej technologia zintegrowanego zgazowania biomasy w cyklu kombinowanym (Biomass Integrated Gasification/Combined Cycle BIG/CC) może sprowadzić cenę energii na poziom $0,03 do $0,04/kWh, albo niższy, o ile poprawiona zostanie rónież sprawność elektryczna systemu. Na instalacjach wyższej mocy (tj. > 100MW_e) biomasa z upraw energetycznych może konkurować  z paliwami kopalnymi. [Knoef 2005, Williams 1996] Korzyści z niższych wstępnych nakładów kapitałowych oraz z większej sprawności instalacji w wielu okolicznościach będą przewyższać koszt transportu nawet na znaczne odległości, tym pewniej im lepsza infrastruktura zostanie utworzona w pobliżu elektrowni.

Zdecentralizowana produkcja energii elktrycznej i cieplnej jest zwykle bardziej kosztowna niż wytwarzanie w układzie sieciowym. Wymaga większych nakładów kapitałowych i osiąga mniejsze sprawności, jednak może okazać się uzasadniona ekonomicznie w zastosowaniach odległych od przyłączy sieciowych. Często stosowane systemy oparte o zgazowanie i silnik spalinowy nadal nie doczekały się jednoznacznej oceny ekonomicznej, gdyż w poszczególnych lokalizacja są różne wymagania dla emisji i jakości paliw. Tam gdzie zapotrzebowanie na ciepło jest znaczne systemy wytwarzania energii w skojarzeniu CHP są preferowane. Tradycyjne techniki zużycia biomasy do gotowania i ogrzewania mieszkań nadal są szeroko stosowane i nie należy spodziewać się żeby ich udział zmalał w najbliższym czasie. Modernizacja technologii bioenergetycznych jest szczególnie istotna dla biedniejszej ludności. Upowszechnienie schematów zrównoważonego rozwoju tworzy okazję do rozwoju ważnego rynku, na przykład kuchni o podwyższonej sprawności energetycznej. Produkcja wysokiej jakości paliw, np. etanolu lub oleju Fischera-Tropscha wytwarzanych z biomasy, pozwala osiągnąć większą efektywność zużycia zasobów, jak też poprawić stan zdrowotny ludności. W wielu krajach (np. w Chinach i Indiach) biogazownie wiejskie zapewniają efektywny sposób rozwiązania problemu neutralizacji odpadów, dostarczają wysokiej jakości nośniki energii, a ponadto zapewniają nawozy naturalne czyste pod względem higienicznym.

Paliwa ciekłe i gazowe z biomasy

Paliwa tradycyjnie produkowane w klimacie umiarkowanym z biomasy , takie jak ester metylowy oleju rzepakowego i etanol z fermentacji skrobii i cukrów, przypuszczalnie nie osiągną takiego poziomu cenowego żeby stały się konkurencyjne. Dlatego można spodziewać wdrożenia ograniczeń w handlu, np. ceł i kwot przywozowych, które będą poprawiać pozycję tych produktów na rynku [IEA 2004]. Niemniej istotne są kwestie ochrony środowiska, gdyż jednoroczne rośliny wymagają większych niż wieloletnie znacznie większych ilości nawozów i środków ochrony roślin liczonych na jednostkę produktu. Ponadto wymagają lepszych gruntów pod uprawy, jeśli mają zapewnić opłacalny plon. Rośliny wieloletnie dają szansę na zagospodarowanie nieużytków i gruntów zdegradowanych, co przynosi dodatkową korzyść ekologiczną w postaci przywrócenia lub poprawy jakości gruntów. W regionach tropikalnych natomiast produkcja etanolu z trzciny cukrowej stanowi wyjątek spośród tradycyjnych techologii biopaliw. Tu uprawy energetyczne mają doskonałe  warunki klimatyczne i glebowe. Aktualnie dostępne technologie produkcji biomasy i konwersji do paliw zapewniają konkurencyjne warunki i silną pozycję bioetanolu na rynku. Na przykładzie Brazylii widać, że etanol z trzciny cukrowej może wypierać benzynę produkowaną z ropy naftowej, jeśli jej cena przekracza wartość rzędu $60/baryłkę [Goldemberg 2004].

Etanol z trzciny cukrowej jest produkowany na coraz większą skalę w  Afryce, Ameryce i w Azji Południowej. Dodatkowe przyspieszenie wzrostu produkcji stymulują korzyści z utylizacji wytłoków, np. do opalania instalacji energetycznych lub do pozyskania dodatkowych ilości biopaliw poprzez hydrolizę. W dalszej perspektywie przeróbka biomasy w procesach termochemicznych na metanol, ester dimetylowy DME, wodór i inne produkty z oleju Fischera-Tropscha, jak też produkcja etanolu z biomasy lignocelulozowej, będą szansą na konkurencję  z paliwami kopalnymi, gdyż surowce są tu znacznie tańsze oraz mogą być uprawiane w bardzo różnych warunkach klimatycznych i glebowych. Ponadto postęp w technologii zgazowania i hydrolizy zapewnia znaczącą poprawę wyników ekonomicznych produkcji biopaliw, a nawet może być skojarzony z wytwarzaniem energii elektrycznej. [Hamelinck 2006]. Niemniej konieczne jest wdrożenie realistycznej strategii rozwoju badań i wdrożeń technologii w tym kierunku. Strategia musi również obejmować długoterminowe schematy logistyczne i budowę infrastruktury i rynku dla tych technologii.

Budowa rynku i handel międzynarodowy

Biopaliwa i biomasa nie są obiektem dużej wymiany handlowej pomimo intensywnego rozwoju bioenergetyki. Większość przpływów zachodzi pomiędzy sąsiadującymi krajami, jednak tempo wymiany na dalszych odległościach wyraźnie rośnie w ostatnich latach. Możliwość eksportu towarów wytworzonych z biomasy jest szansą na włączenie ich gospodarki do globalnego rynku energii dla wielu regionów rolniczych krajów rozwijających się. Wykreowany na rynku popyt stymuluje wzrost i przemiany społeczne. Zrównoważony rozwój produkcji biomasy tworzy okazję do implementacji ekologicznych regół rozwoju całej gospodarki i ochrony zasobów naturalnych. Równocześnie w krajach importerów można taniej i szybciej realizować program ograniczenia emisji gazów cieplarnianych, jak też wzmocnić politykę bezpieczeństwa energetycznego. Ponieważ wiele regionów świata dysponuje zasobami szczególnie przydatnymi do produkcji biomasy i biopaliw, takimi jak ziemia uprawna i tania siła robocza, to zalicza się te kraje do eksporterów tego rodzaju towarów. Przy aktualnych cenach nośników energii międzynarodowy transport biomasy i biopaliw jest opłacalny i korzystny z punktu widzenia polityki energetycznej. Preferuje się import koncentratów z przeróbki wstępnej biomasy lignocelulozowej, przeznaczonej do wytwarzania biopaliw drugiej generacji. Jest to surowiec dla kapitałochłonnych instalacji wielkiej skali, które wymagają lokalizacji w otoczeniu przemysłowym nieobecnym w krajach eksportujących biomasę. Powstała sytuacja analogiczna do znanej w przemyśle naftowym, który do krajów uprzemysłowionych sprowadza surowiec z całego świata.

Najważniejszym zadaniem obecnie jest utworzenie międzynarodowego rynku biomasy i schematów handlowych zgodnych z zasadą zrównoważonego rozwoju. Trzeba wdrożyć w skali globalnej prawidłowe procedury standaryzacji i certyfikacji dla zapewnienia należytej dbałości o środowisko przy produkcji biomasy. Obecnie wiele państw, uczestników rynku i organizacji międzynarodowych ustanowiło to zadanie jako priorytet. Nacisk kładzie się na unikanie konkurencji z produkcją żywności i pasz, na ochronę lasów i innych zasobów naturalnych, ale też na ograniczenie ekspansji terytorialnej upraw energetycznych. Panuje opinia, że cel ten można osiągnąć przez upowszechnienie zużycia biomasy lignocelulozowej pochodzącej z upraw na gruntach zdegradowanych i na nieużytkach, szczególnie tej wytwarzanej z odpadów rolnych i leśnych. Również do tego celu prowadzi intensyfikacja produkcji rolnej, która uwalnia najsłabsze grunty pod uprawy energetyczne, bez ograniczenia globalnej zdolności do produkcji żywności i pasz. Najpilniejszym zadaniem jest wykazanie skuteczności powiązania rozwoju produkcji biomasy z efektywnym zarządzaniem agrotechnicznym całości rolnictwa. Bioenergia powinna podnosić poziom zarządzania rolnictwem i rozwoju regionów wiejskich, co zostanie dopisane do jej zasług w budowie zrównoważonej energetyki i redukcji emisji gazów cieplarnianych.[Faaij 2006]

Rynki konkurencyne dla biomasy

Przewidywane w 2050 roku zużycie energii pierwotnej (łączna ilość energii z paliw kopalnych, nuklearnej i odnawialnej) wyniesie od 800 do 1,400 EJ. Udział biomasy w tym oszacowaniu wylicza się na poziomie 0d 200 do 400 EJ. Wartości te pochodzą z ostrożnej oceny tempa wzrostu podaży biomasy. Przyjmując sprawność konwersji biomasy do paliw transportowych na poziomie 65% uzyskujemy docelowy udział biopaliw na poziomie 130 do 260 EJ. Oznacza to dwukrotność aktualnego zapotrzebowania na paliwa lub całkowite pokrycie spodziewanego przyszłego. Konwersja do energii elektrycznej ze sprawnością na poziomie 50% daje wynik w zakresie 100 do 200 EJ, co również pokrywa oczekiwane zapotrzebowanie. Ponadto przyszłe zapotrzebowanie na biomateriały, np. bioplastiki, może wynosić w przeliczeniu na zawartą w nich energię około 50 EJ w 2050 roku. [Hoogwijk 2003] Oznacza to, że bioenergia może mieć w przyszłości bardzo istotny udział w całej energetyce globalnej. Udział ten ocenia się na 20 do 50%. Wyższa wartość odpowiada ograniczeniu przyszłego zapotrzebowania na energię w wyniku maksymalnego nacisku na poprawę efektywności zużycia. Bioenergetyka w tym terminie nie będzie mogła pokryć całości potrzeb globalnych. Niemniej, biorąc pod uwagę szerokie spektrum jakościowe biomasy i niemniej zróżnicowane formy jej konwersji, należy oczekiwać, że bioenergetyka zapewni pokrycie potrzeb na wtórne nośniki energii oraz na biomateriały. Obecnie dominuje zużycie biomasy do produkcji ciepła i energii elektrycznej. Dlatego ważne jest stworzenie prognozy rozwoju rynku na inne jej zastosowania.

Redukcja emisji CO₂ jest teraz najłatwiej osiągana przez zastąpienie węgla biomasą. Współspalanie biomasy z węglem w elektrowniach węglowych daje większą redukcję emisji CO₂ niż zastąpienie benzyny i oleju napędowego etanolem i biodieslem. Podobnie skuteczne jest zastąpienie w elektrowniach gazu ziemnego gazem pozyskiwanym z biomasy w systemach drugiej generacji. Wskażnik redukcji emisji CO₂ zależy więc od  poziomu odniesienia i efektywności łańcucha produkcji i zużycia biomasy. Polityka wsparcia redukcji emisji CO₂ będzie w przyszłości preferować zastosowanie biomasy do produkcji paliw drugiej generacji. W produkcji energii redukcja emisji CO₂ będzie trudniejsza do osiągnięcia, gdyż w tej branży zwiększy się udział gazu ziemnego, energii nuklearnej, wiatrowej, słonecznej, systemów CCS, co obniży poziom bazowy emisji całej energetyki. Trzeba więc dołożyć starań aby teraz budowane strategie i polityki energetyczne nie wyprowadziły bioenergetyki z kategorii wydajnych i efektywnych źródeł energii elektrycznej i cieplnej. Sposób działania w tym celu będzie odmienny w każdym kraju.

Zastosowania biomasy do produkcji biomateriałów będą wzrastać, zarówno na tradycyjnych (w papiernictwie i budownictwie) jak na nowych i szybko rosnących rynkach (biochemikaliów i bioplastików), a nawet w najstarszych technologiach (stosowanie węgla drzewnego do produkcji stali). Konkurencja o zasoby biomasy, szczególnie o produkty leśnictwa, jak też o teren pod uprawy energetyczne. Wzrost zapotrzebowania na biomateriały może spowodować przekroczenie aktualnego poziomu produkcji biomasy. [Hoogwijk 2003] Jednak wzrost zastosowań biomateriałów nie musi ograniczać produkcji biopaliw, jak i energii elektrycznej i cieplnej. Drewno budowlane zmienia się w rozbiórkowe, papier w makulaturę, a bioplastik wchodzi w skład odpadów komunalnych. [Dornburg 2005] Takie składniki strumienia odpadów są kwalifikowane jako biodegradowalne i będą dostępne za niską lub nawet ujemną cenę. Dzięki tej własności produktów z biomasy strategia redukcji emisji CO₂ będzie preferować rozwój bioenergetyki. Raport IPCC ocenia. że największą szansę na redukcję efektu cieplarnianego daje utworzenie strategii zachowawczej dla zarządzania zasobami leśnymi. [IPCC 2007] Zadaniem będzie utrzymanie lub nawet zwiększenie rezerwy węgla w lasach przy utrzymaniu tempa pozyskania drewna użytkowego, papierówki i opałowego. Rozdzielenie zasobów leśnych na produkujące tradycyjne surowce drzewne i te przeznaczone do produkcji biomasy energetycznej powinno zapewnić realizację tej strategii.

Porównanie za innymi formami energii odnawialnej

Tablica 5 przedstawia ogólną ocenę aktualnego zużycia, techniczny i teoretyczny potencjał różnych form energetyki odnawialnej: bioenergii, wiatrowej, słonecznej, wodnej i geotermicznej. Aktualne i możliwe przyszłe koszty wytwarzania energii elektrycznej, cieplnej i paliw przedstawia tablica 6. Oszacowania tych wartości pochodzą z najnowszych i najrzetelniejszych projekcji działań na rzecz ograniczania efktu cieplarnianego. Dowodzą, że konieczne jest uruchomienie wszystkich opcji energetyki odnawialnej, jeśli zamierzamy zredukować emisję gazów cieplarnianych i równocześnie utrzymać zdolność gospodarki do zaspokojenia potrzeb energetycznych w przyszłości. Źródła energii o zmiennej produktywności, takie jak energia wiatru i słońca, dają niemniejszy efekt dla ograniczania emisji, jednak ich upowszechnienie jest ograniczone przez konieczność dostępu do sieci energetycznych. Ponadto produkcja energii w tej grupie jest nadal nadmiernie kosztowna. Produkcja energii w elektrowniach wodnych napotyka na ograniczenia, a komercyjne wdrożenie produkcji energii ze źródeł geotermalnych i z falowania oceanu jest nazbyt skomplikowane technicznie. [IPCC 2007] Bioenergetyka jest ponadto najbardziej użyteczną formą  wytwarzania paliw wysokiej jakości i wielu surowców dla przemysłu, której funkcjonowanie nie powoduje wzrostu emisji gazów szklarniowych. Posiada unikalną względem innych form energii odnawialnej możliwość zastąpienia surowców pochodzących z ropy naftowej. Jeśli wziąć pod uwagę, że ropa naftowa będzie  surowcem energetycznym podlegającym największym ograniczeniom, to należy uznać  bioenergetykę za najważniejszą branżę dla utrzymania bezpieczeństwa energetycznego, zarówno w skali globalnej jak i państwowej. Równocześnie trzeba zauważyć, że osiąga przewagę konkurencyjną w określonych okolicznościach, zwłaszcza w przypadku już dostępnych technologii komercyjnego wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej. W tych okolicznościach przewiduje się, że biomasa będzie najważniejszym odnawialnym nośnikiem energii w nadchodzących dekadach.

Tablica 5: Przegląd aktualnego użycia i technicznych oraz teoretycznych możliwości wytwarzania energii odnawialnej w  różnych formach [WEA 2000]

Tablica 5: orientacyjne koszty produkcji energii elektrycznej, cieplnej i paliw dla różnych opcji energii odnawialnej obecnie i w 2050 roku [WEA 2004]

Wnioski

Biomasa jest najważniejszym nośnikiem energii pierwotnej, a bioenergetyka jest najważniejszą branżą energii odnawialnej. W czasie XXI wieku jej pozycja umocni się, co umożliwi istotne ograniczenie emisji gazów cieplarnianych. [IPCC 2007, IEA 2006a]. Aktualnie wytwarzanie energii w skojarzeniu (CHP), współspalanie  w wielu systemach technologicznych zapewnia stabilną, efektywną i czystą konwersję biomasy na energię  elektryczną i cieplną. Produkcja i zużycie biopaliw rosną w narastającym tempie. Wprawdzie udział bioenergii w rynku będzie w przyszłości zależał od jej konkurencyjności i od globalnej polityki rolnej, to można przewidywać, że począwszy od aktualnego poziomu 40 do 55 EJ rocznie, będzie notować szybki wzrost. Do 2050 roku powinien ten udział osiągnąć poziom 200 do 400 EJ rocznie, co spowoduje że biomasa stanie się ważniejszym nośnikiem energii niż ropa naftowa dzisiaj. Pokrywać będzie więcej niż jedną trzecią zapotrzebowania światowego na energię.

Rynek bioenergii jest już ważną branżą inwestycyjną, bieże udział w ochronie środowiska i poprawie poziomu rolnictwa w skali globalnej. Można bezpiecznie oceniać wielkość tego rynku na poziomie 300 EJ rocznie pod koniec stulecia. Wartość tego rynku można oszacować, przy cenie energii na poziomie $4 do 8/GJ od wstępnie przetworzonej biomasy (np. pelety) do paliw ciekłych (bioetanol i produkty syntezy FT), że wartość rynku bioenergii osiągnie $1,200 do $2,400 mld rocznie. Surowce będą pozyskiwane z odpadów rolnictwa i leśnictwa, z przemysłu drzewnego i spożywczego, z upraw energetycznych na nieużytkach i gruntach zdegradowanych, a wreszcie z upraw na ziemi ornej i na pastwiskach, co jednak nie będzie zagrażać światowemu zapotrzebowaniu na żywność, zasobom leśnym i bioróżnorodności. Żeby dojść do takiego obrazu bioenergetyki musi poprawić się efektywność gospodarowania gruntami, szczególnie w krajach rozwijających się.

Przyjmując, że jedna trzecia część 300 EJ bioenergii może być wytworzona z odpadów, jedna czwarta z produktów upraw na gruntach zdegradowanych i na nieużytkach, a pozostała część zostanie wyprodukowana z upraw energetycznych na gruntach dzisiaj użytkowanych przez rolnictwo, to będzie oznaczać, że prawie 1,000 mln ha zostanie włączona  do produkcji energii w skali globalnej. Jest to prawie 7% powierzchni lądów mniej niż 20% powierzchni dziś użytkowanej przez rolnictwo. Kiedy dziś obserwuje się gwałtowny rozwój rynku biopaliw: wzrost zdolności produkcyjnych, narastające tempo międzynarodowej wymiany handlowej, aktywną konkurencję z tradycyjnymi uprawami rolnictwa, konkurencję z przemysłem drzewnym, to nie można dziwić się gwałtownym debatom o zagrożeniu dla idei zrównoważonego rozwoju ze strony biopaliw, prowadzonym na forach  międzynarodowych. Biomasa stała się globalnym  surowcem energetycznym o ważnych zaletach (jako źródło dochodu dla producentów i eksprterów, stabilizator rynku energii) i groźnych wadach (jako konkurent do gruntów rolnych i zagrożenie dla bioróżnorodności). Handel biomasą i dochody z produkcji biomasy i jej prztwarzania mogą stać się ważną dźwignią rozwoju regionów rolniczych i udoskonalenia technologii agrotechnicznych. Jednak należy ustanowić regulacje ochronne w skali globalnej (jak na przykład skuteczne metody certyfikacji), które zapewnią uzgodnienie technologii produkcji biomasy i biopaliw z zasadami zrównoważonego rozwoju. Do 2020 roku trzeba zgromadzić doświadczenie w zrównoważonej produkcji biomasy w różnych warunkach i uruchomić efektywne i wiarygodne procedury certyfikacji.

Ekonomia bioenergetyki

Wiadomo, że ogromna jest liczba czynników wpływających na koszty bioenergetyki. Zalicza się do nich zarówno nakłady kapitałowe, konieczne do stworzenia określonych możliwości wytwarzania energii, zwykle wyrażane w $/W(inst), jak też koszty utrzymania ruchu, które są sumą nakładów na funkcjonowanie przedsiębiorstwa od uruchomienia projektu do jego zamknięcia, zwykle wyrażane w $/kWh. Najważniejsze elementy zmienne kosztów są wymienione poniżej:

- koszty studium wykonalności;
- ekonomia skali;
- rodzaj urządzeń i opcje technologii;
- charakterystyka instalacji i miejsca działalności;
- zasady finansowania;
- koszt gruntu;
- ocena oddziaływania na środowisko i pozwolenia;
- charakterystyka zasobów odnawialnych i wydajności;
- koszty eksploatacji i konserwacji;
- koszty paliwa;
- opodatkowanie nieruchomości i koszty dzierżawy gruntów;
- produkcja uboczna i dochody dodatkowe;
- przesył energii i koszt połączenia z siecią;
- polityka pomocy władz publicznych

Wyróżnia się czynniki bezpośrednio wpływające na koszt wytworzenia źródła energii, tj. od których zależy nakład kapitałowy na realizację projektu (więc koszt mocy zainstalowanej), oraz czynniki wpływające jedynie na koszt wytwarzania energii. Czynniki oddziałujące pośrednio na koszt wytwarzenia energii odnawialnej mają charakter głównie polityczny, gdyż wsparcie władz dla tej branży może obniżyć ostateczny koszt funkcjonowania projektu. Najważniejszy wpływ na zmienność kosztów wytwarzania energii odnawialnej wynika z procesów komercjalizacji technologii oraz rozwoju rynku tej energii.

Dwie generacje technologii energii odnawialnej stosowanych w skali przemysłowej różnią się pod względem zmienności kosztów wynikającej z dojrzałości technicznej. Pierwsza generacja, do której zalicza się energetykę wodną, geotermię i spalanie biomasy, powstała w 19 wieku. Energetyka oparta o spalanie biomasy wykorzystuje głównie turbiny parowe do napędu generatorów elektrycznych. Mniejszy udział mają systemy wykorzystujące silniki spalinowe. Oba te systemy techniczne są na tyle zaawansowane, że nie należy oczekiwać znaczących zmian kosztów ich eksploatacji i nakładów inwestycyjnych.

Zaawansowane biopaliwa są uważane za część drugiej generacji technologii odnawialnych, podobnie jak ogniwa fotowoltaiczne i turbiny wiatrowe. Ta grupa technologii od niedawna zaczyna się upowszechniać, w dużej mierze w wyniku komercjalizacji badań naukowych w późnych latach siedemdziesiątych. Pierwszym impulsem do inwestowania w te technologie był problem bezpieczeństwa energetycznego i gwałtownego wzrostu cen ropy w tym okresie. Teraz ich rozwój stymuluje ruch na rzecz ochrony środowiska naturalnego. W czasie ostatnich 30 lat zanotowano wielki postęp techniczny w tej grupie energetyki odnawialnej, co doprowadziło do znaczącego obniżenia kosztów inewstycyjnych i ruchowych.

Terminologia

Przed przystąpieniem do analizy danych o kosztach bioenergetyki warto dokonać przeglądu terminologii najczęściej spotykanej w literaturze. Najważniejsze to definicje kosztów kapitałowych, kosztów stałych, kosztów zmiennych, koszt mocy zainstalowanej, ICC, i koszt wytwarzania energii elektrycznej, EGC.

Koszty kapitałowe

Koszty kapitałowe są to nakłady na zakup gruntów, urządzeń, instalacji, usług budowlanych, które są konieczne do osiągnięcia zdolności produkcyjnej instalacji. Do tej grupy kosztów należą również należności za studia wykonalności, projekty, pozwolenia i obsługę prawną, poniesione do chwili uruchomienia produkcji. Innymi słowy, koszty inwestycyjne stanowią całkowity koszt doprowadzenia projektu do wprowadzenia produktu na rynek.

Koszty inwestycyjne nie obejmują kosztów pracy, z wyjątkiem opracowania analizy wykonalności projektu i budowy. Zazwyczaj, koszty inwestycyjne są to jednorazowe wydatki, chociaż płatność może zostać rozłożona na wiele lat w zależności od formy finansowania. Koszty inwestycyjne są zazwyczaj liczone dla danej instalacji, co oznacza, że są niezmienne w czasie eksploatacji tej instalacji, niezależnie od stopnia wykorzystania jej zdolności produkcyjnej. Jednak instalacje o takie samej produktywności będą realizowane zróżnicowanym nakładem kapitałowym, zależnym od konfiguracji sprzętu i specyfiki miejsca uruchomienia działalności.

Koszty eksploatacji i konserwacji

Na koszty operacyjne składają się wydatki związane z codziennym funkcjonowaniem przedsiębiorstwa. Są to wydatki na wykorzystywane zasoby i utrzymanie istnienia przedsiębiorstwa. Koszty te obejmują koszty stałe, na które składają się opłata za wynajem powierzchni biurowej, dzierżawa gruntu, na którym zlokalizowany jest zakład, amortyzacja sprzętu, płace pracowników, administracyjne, ubezpieczenia, koszty finansowania działalności, jak np. odsetki od kredytów obrotowych, podatki itp. Oprócz stałych są też koszty zmienne, zależne od skali działalności wytwórczej, takie jak wydatki na dostawy paliwa i płace pracowników zatrudnionych na umowach akordowych.

Przedsiębiorstwa bioenergetyczne korzystają z urządzeń, których części i elementy wyposażenia wymagają konserwacji i uzupełnienia dla utrzymania ruchu instalacji wytwórczych. Koszty konserwacji są ponoszone na utrzymanie urządzeń na optymalnym poziomie wydajności. Koszty te powstają cyklicznie jako należność za prace niezbędne do utrzymania obiektów (instalacji, budynków, budowli, innych ruchomości oraz zasilania w czynniki) w stanie projektowej użyteczności. Koszty te obejmują również finansowanie odpowiednich organów administracyjnych, zapewniających zarządzanie i nadzór nad konserwacją.

Koszt mocy zainstalowanej ICC (Installed Capacity Cost)

Nakłady na powstanie instalacji o określonej mocy elektrycznej są wyrażane przez koszt mocy zainstalowanej ($/W). Ten parametr zawiera wszystkie koszty kapitałowe poniesione dla realizacji projektu, odniesione do całkowitej wydajności sprzętu zainstalowanego w celu wytwarzania energii. Do tych kosztów zwykle zalicza się:

- Studia wykonalności projektu;
- Projekt techniczny;
- Ocena oddziaływania na środowisko i pozwolenia;
- Sprzęt produkcyjny;
- Przygotowanie terenu pod budowę (w tym czynniki i drogi dojazdowe);
- Budowa zakładu i instalacji;
- Przyłączenie do sieci;
- Zarządzanie projektem oraz
- Uruchomienie i rozruch

Koszt wytwarzania energii EGC (Energy Generating Cost)

Każda technologia wykorzystywana do produkcji energii ma szczególne cechy, które mogą znacznie wpływać na koszt i wynik ekonomiczny wytwarzania energii. Do tych cech zaliczamy: koszt sprzętu, czas budowy, wydatek energii z jednostki paliwa, czas działania instalacji oraz wymagania konserwacyjne. Z powodu tych różnic jest bardzo trudno dokonywać porównania różnych technologii jeśli uwzględnienimy wyłącznie jedną z tych cech. Ponadto, porównanie kosztów zainstalowane moce produkcyjne mogą być mylące, gdyż niektóre technologie obciążone wysokimi kosztami kapitałowymi nie wymagają znacznego nakładu pracy dla utrzymania wydajności w całym okresie ich użytkowania, podczas gdy inne technologie nie wymagają dużych nakładów do uruchomienia ale są kosztowne w eksploatacji. Dlatego koszt wytworzenia energii jest uważany za lepszy prametr dla porównania kosztów użytkowania technologii.

Uśredniony koszt wytworzenia energii LCP

LCP (Levelized Cost of Power) jest kosztem wytworzenia energii elektrycznej w instalacji, uśrednionym w całym okresie jej pracy. Jest wyrażany zwykle w $/kWh i liczony jako suma wszystkich przewidywanych kosztów inwestycyjnych , kosztów operacyjnych i utrzymania ruchu, wydatkowanych od powstania projektu do chwili likwidacji instalacji, podzielona przez planowaną całkowitą ilość energii uzyskanej z instalacji.

Koszt studium wykonalności

Chociaż studia wykonalności zazwyczaj nie stanowią istotnego kosztu w porównaniu do innych kosztów kapitałowych, związanych z budową instalacji do wytwarzania energii, to jednak mogą być istotne w niektórych przypadkach. Studium wykonalności będą wymagały odmiennych danych w zależności od rodzaju planowanej technologii. Mogą również znacznie się różnić pomiędzy różnymi projektami przy użyciu tej samej technologii. Ocena ilości i jakości odnawialnych zasobów energetycznych dla planowanej lokalizacji będzie silnie wpływać na koszt studium wykonalności. W przypadku, gdy nie istnieją żadne dane lub gdy dane mają niewielką wartość dla danej lokalizacji, to muszą być zgromadzone i zanalizowane przed podjęciem decyzji o dalszych pracach projektowych. Koszt utworzenia bazy wiarygodnych danych zależy od rodzaju odnawialnych zasobów energii i planowanej technologii ich wykorzystania. W przypadku projektów wytwarzania energii z biomasy wymogi dotyczące studium wykonalności są zazwyczaj podobne, a koszty studium są niewielkie w porównaniu do kosztów budowy.

Efekt skali

Powiększenie skali instalacji zwykle poprawia efektywność ekonomiczną energetyki odnawialnej. Im większa instalacja tym szybsza jest amortyzacja różnych kosztów kapitałowych. Również uśredniony koszt energii LCP i koszt mocy zainstalowanej ICC są mniejsze. Ponadto każdy projekt finansowany z kredytu będzie szybciej się spłacał, jeśli obciążenie długiem przypadać będzie na większą sprzedaż energii. Podobnie zachowują się koszty eksploatacji i konserwacji. Kilowatogodzina będzie też mniej obciążona kosztami ogólnymi, jak zarządzanie, nadzór, sprzęt monitoringu i automatyka. Znaczące oszczędności wynikające z ekonomiki skali powstają przy zakupie turbin i generatorów spalinowych. Niemniej w przypadku bioenergetyki oszczędności te mają mniejsze znaczenie, gdyż ogromną większość kosztów tworzy zakup biomasy.

Moc dyspozycyjna

Parametr ten określa moc osiągalną, pomniejszoną o przestoje na remonty planowe, okresowe, eksploatacyjne i losowe. charakterystyka urządzeń oraz jakość surowca odnawialnego decyduje o realnie dostępnej części mocy zainstalowanej, a tym samym, ile energii elektrycznej można uzyskać z instalacji, przy założeniu stałej dostawy paliwa. Parametr ten ma istotne znaczenie dla tempa zwrotu kapitału i kosztów eksploatacji.

Rodzaj urządzeń i opcje technologii

W zależności od rodzaju biomasy dla danego projektu bioenergii, koszt urządzeń może znacznie się różnić. Na przykład, niektóre surowce mogą wymagać rozdrabniania, granulacji, suszenia lub długotrwałego przechowywania dla ich efektywnego wykorzystania w urządzeniach do spalania. Sprzęt dla każdej z tych operacji stanowi koszt, który może nie wystąpić w innych projektach energii z biomasy. Ponadto, w przypadku konieczności odprowadzania energii cieplnej z instalacji, dodatkowe koszty powstaną, które nie zawsze będą całkowicie zrekompensowane przez sprzedaż ciepła. Również zmiany kosztów pozyskania urządzeń oraz biomasy jako źródła energii, mogą mieć wpływ na wybór technologii, co w konsekwencji ma wpływ na koszt kapitałowy w przeliczeniu na jednostkę zainstalowanej mocy. Dla projektów energii z biomasy zmiany technologii mogą być znaczące.

Duże zróżnicowanie zasobów bioenergetycznych w połączeniu z szeroką gamą rozwiązań technicznych wykorzystania bioenergii powoduje wielką rozmaitość kosztów wytwarzania energii. Procesy technologiczne przetwarzania biomasy na energię elektryczną to bezpośrednie spalanie, zgazowanie, piroliza i fermentacja beztlenowa. Bezpośrednie spalanie jest techniką szeroko stosowaną i stosunkowo tanią. Obejmuje procesy spalania, wytwarzania pary i produkcji energii elektrycznej w generatorach napędzanych przez turbiny. Koszty systemu energetycznego z wykorzystaniem biomasy drzewnej są na ogół o 50% większe niż ma to miejsce z użyciem paliw kopalnych. Spowodowane jest to głównie bardziej złożonym systemem przygotowania paliwa i koniecznością gromadzenia znacznych ilości paliwa. Generalnie, im wyższa wymagana dyspozycyjność mocy, tym wyższe są koszty eksploatacji instalacji. Co prawda większa dyspozycyjność może przynosić korzyść liczoną w całym okresie działalności, to jednak wymaga większych nakładów kapitałowych. Z tego powodu obserwujemy znaczne zróżnicowanie kosztów zainstalowanego sprzętu w zależności od założeń technologicznych konwersji biomasy.

Fermentacja beztlenowa polega na prztwarzaniu odpadów, takich jak obornik lub odpady komunalne, z wytworzeniem gazu podobnego do gazu ziemnego, który może być zastosowany do napędu turbiny gazowej lub silnika, sprzęgniętych z generatorem elektrycznym. Wprawdzie technologia produkcji energii z gazu palnego jest opanowana i generuje stosunkowo niskie koszty, jednak przetwarzanie obornika i odpadów wymaga znacznych nakładów na bioreaktory. Te dodatkowe koszty mogą być zrekompensowane przez efekt skali w większych instalacjach.

Piroliza to proces termochemicznej konwersji biomasy do paliw ciekłych i stałych. Produkty te mogą być łatwiej magazynowane, transportowane i spalane niż odpady drewna. Chociaż jeszcze nie w pełni skomercjalizowane, systemy te są używane do konwersji biomasy w miejscowościach oddalonych od sieci energetycznej w celu przewiezienia do zakładów energetycznych połączonych z siecią. Nie ma wielu danych o opłacalności tych systemów, jednak panuje opinia, że technologia pirolizy jest konkurencyjna przy ujemnym lub zerowym koszcie zaopatrzenia w biomasę.

Technologia gazyfikacji służy do konwersji odpadów leśnych i rolniczych do gazu syntezowego. Jest to paliwo podobne do gazu ziemnego, chociaż cechuje go niższa wartość energetyczna. Po oczyszczeniu może być spalany w turbinach gazowych i silnikach spalinowych w celu produkcji energii elektrycznej. Mimo, że droższa niż bezpośrednie spalanie biomasy, gazyfikacja może poprawić parametry redukcji emisji. Każda z tych technologii konwersji biomasy cechuje się różnym nakładem kapitałowym oraz kosztami utrzymania ruchu, lecz ocena ich konkurencyjności ekonomicznej zależy od zasobów biomasy w określonej lokalizacji.

Koszt gruntu

W zależności od regionu i wielu innych czynników koszty zakupu lub dzierżawy gruntu, na którym wytwarzana jest energia, mogą się różnić znacznie w zależności od wartości nieruchomości. Z reguły zależy to od odległości od ośrodków miejskich, dostępności komunikacyjnej, wartości estetycznych, rodzaju własności i wartości zasobów naturalnych. Koszt wejścia w posiadanie gruntów może zatem znacząco różnić dla każdego projektu energii odnawialnej. Również może drastycznie różnić się pomiędzy lokalizacją w państwie jednym lub drugim. Jednak koszt gruntu zwykle wnosi niewielki udział w porównaniu do innych kosztów kapitałowych.

Budowa i lokalizacja

Nawet jeśli w użyciu jest podobna technologia wytwarzania energii odnawialnej może zdarzyć się, że koszty budowy i urządzeń będą różnić się znacznie. Najważniejszym czynnikiem wpływającym na te koszty jest zwykle dostęp do infrastruktury. Im bardziej odległe są sieci drogowe i energetyczne, tym wyższe są koszty wybudowania instalacji. O ile jedne projekty lokalizuje się w pobliżu większych dróg, to inne wymagają oczyszczenia terenu i budowy dróg specjalnie przeznaczonych dla realizacji zakładu.

Budowa dróg dojazdowych może być kosztowne zwłaszcza, że muszą one być w stanie wytrzymać znaczne obciążenia z powodu transportu ciężkich urządzeń i dużych ilości materiałów budowlanych, takich jak beton, oraz urządzeń, np. dźwigów, rur, wiertnic, turbin, itp. Koszt drogi zależy od warunków geotechnicznych, zagospodarowania terenu i wielu innych czynników. Ponadto, im dłużej drogi dojazdowe będą potrzebne tym będą bardziej kosztowne. W niektórych przypadkach, gdy przechodzą przez nieruchomości nie będące własnością dewelopera, trzeba będzie opłacać dzierżawę gruntów lub za dostęp do dróg dojazdowych.

Koszty realizacji projektu mogą również znacznie się różnić w zależnosći od odległości lokalizacji zakładu od elektrycznych sieci przesyłowych. W przypadku znacznych odległości i konieczności budowy specjalnej linii energetycznej może okazać się, że cały projekt będzie nieopłacalny. W wielu przypadkach konieczne będzie poniesienie opłat za przeprowadzenia linii przyłączeniowych przez nieruchomości będących w posiadaniu osób trzecich. Ponadto w zależności od charakterystyki napięciowej instalacji produkcyjnej konieczne będzie przyłączenie przez transformator podnoszący napięcie do wymaganego przez lokalną sieć przesyłową, np. do 10 lub 50kV. Koszt takiego urządzenia również może być odmienny w różnych lokalizacjach.

Warunki lokalne mają też wpływ na koszty materiałowe, pracy, inżynieryjne i elektromechaniczne. Zróżnicowane tempo prac budowlanych wpływa na czas uruchomienia instalacji, więc na koszty ogólne projektu. Ponieważ bioenergetyka posługuje się tradycyjnymi technologiami, zwykle pozyskanie uzgodnienia władz lokalnych nie jest tak trudne jak to ma miejsce w przypadku innych projektów budowy instalacji energii odnawialnej, np. wiatrowych, hydroenergetycznych czy geotermicznych.

Trwałość urządzeń i likwidacji instalacji

Planowana ilość energii wytworzonej wytworzonej w okresie pracy instalacji częściowo zależy od trwałości urządzeń i programu ich wymiany lub odbudowy. Urządzenia różnych producentów mogą mieć różne okresy gwarancji, a tym samym spodziewany czas użyteczności. Turbiny i silniki spalinowe stosowane w systemach bioenergetycznych, podobnie jak turbiny wiatrowe mają zwykle krótsze okresy bezawaryjnej pracy ze względu na zastosowanie masywnych części ruchomych, a w konsekwencji nieuniknione zużycie i awarie. Plan likwidacji i koszty utylizacji urządzeń zależą od zastosowanej technologii. Jednak jeśli planowany system energetyczny korzysta z urządzeń tradycyjnych i pochodzących od renomowanych dostawców, to koszt wynikający z trwałości sprzętu niewiele wpływa na zmienność kosztu energii wytwarzanej i kosztu mocy zainstalowanej

Ocena oddziaływania na środowisko i pozwolenia

Wykonanie oceny oddziaływania na środowisko i pozyskanie pozwoleń środowiskowych dla projektu energetycznego jest źródłem róznych kosztów dla różnych technologii wytwarzania energii odnawialnej. Na te koszty składają się należności ekspertów inżynierii środowiska, prawników, specjalistów komunikacji publicznej i lobbystów zaangażowanych w proces pozyskania akceptacji społecznej. Małe elektrownie wodne wymagają oceny wpływu na siedliska ryb, elektrownie wiatrowe zmieniają krajobraz i warunki przelotu ptaków, natomiast bioenergetyka powoduje zanieczyszczenia atmosfery. Zakłady wytwarzania energii odnawialnej wymagają więc poniesienia różnych kosztów dla uzyskania uzgodnienia w zależności od lokalizacji projektu. W przypadku gdy projekty planowane są w pobliżu obszarów zamieszkanych, sprzeciw społeczności bywa poważnym obciążeniem. Podobnie skala instalacji i rodzaj biomasy używanej jako paliwo mogą wpłynąć na koszty pozwoleń. Jednak koszty związane z tym są niewielkie w porównaniu do kosztów budowy instalacji.

Czynniki wpływające bezpośrednio na koszt energii elektrycznej

Istnieje wiele czynników, które oddziałują na uśredniony koszt energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, a które mogą znacznie różnić się pomiędzy projektami. Przedstawiamy tu przegląd czynników wpływających na koszty eksploatacji i konserwacji.

Jakość odnawialnych źródeł energii i wydajność

Dla każdej technologii wytwarzania energii elektrycznej dostępność paliwa jest najważniejsza. W przypadku technologii energii odnawialnej jakość i właściwości zasobów odnawialnych na miejscu lub w pobliżu lokalizacji projektu określają ilość dostępnego paliwa w skali rocznej i stabilność dostaw. Ten aspekt projektu ma ogromny wpływ na koszt energii wytwarzanej, szczególnie istotny dla niektórych technologii odnawialnych.

Rzeczywisty koszt kWh energii ze źródeł odnawialnych zależy od faktycznie wyprodukowanej liczby kWh energii. Współczynnik dostępności mocy jest to stosunek rzeczywistej produkcji energii w okresie czasu do potencjalnej produkcja przy pełnej wydajności w tym okresie czasu. Parametr szczególnie istotny dla fotowoltaiki, elektrowni wiatrowych i małych elektrowni wodnych. W tych przypadkach, zakład posiada zdolność produkcji energii elektrycznej ale nośnik energii, tj. wiatr, słońce i woda, nie są dostępne aby umożliwić pracę instalacji na pełnych obrotach.

Bioenergetyka korzysta z zasobów, które są stale dostarczane, o ile system jest odpowiednio zaprojektowany. W tym przypadku współczynnik dostępności mocy zbliża się do 100%. Tak długo, jak dostawy biomasy są wystarczające, wydajność instalacji jest ograniczona jedynie przez możliwości urządzeń energetycznych i zwykle nie ma to wpływu na wskaźniki kosztów projektu. Jednak jeśli dostawy biomasy nie są zabezpieczona przez cały czasu trwania projektu, kwestia współczynnika dostępności mocy może zaważyć na ekonomii projektu. Dostępność biomasy może mieć znaczący wpływ na koszty wytwarzania bioenergii.

Koszty eksploatacji i utrzymania ruchu

Oprócz koniecznych wymian urządzeń w czasie funkcjonowania zakładu bioenergetycznego specyfika tej branży powoduje potrzebę szczególnej uwagi i nakładów na konserwację i remonty. Koszty te mają podobny udział w całkowitym koszcie wytwarzania energii, chociaż przy zmianie skali przedsięwzięcia ulegają istotnym zmianom.

Koszty paliwa

Ekonomika bioenergetyki silnie zależy od kosztu paliwa. O konkurencyjności zakładu bioenergetycznego decydują takie czynniki wpływające na koszty paliwa biomasy jak odległość transportu i obszar pozyskiwania oraz wymagania w zakresie magazynowania i przerobu biomasy. Koszt pozyskania biomasy może być nawet ujemny w przypadku odpadów wymagających kosztownego unieszkodliwienia. Może też być wysoki, jeżeli biomasa pochodzi z upraw, wymaga przetworzenia lub jest na duże odległości transportowana do miejsca przeznaczenia. Kiedy biomasa jest produktem ubocznym lub odpadem z innych procesów, jak na przykład odpady z drzewiarstwa, obornik, osady ściekowe, odpady rolne czy gaz wysypiskowy, ekonomika projektu tak długo będzie poprawna jak lokalizacja zakładu bioenergetycznego będzie w pobliżu miejsca wytwarzania biomasy, a równocześnie będzie zapewniać dostęp do sieci energetycznej. Jeśli ten warunek nie będzie spełniony, to koszty transportu lub przesyłu energii mogą spowodować brak uzasadnienia ekonomicznego dla projektu. Gęstość energetyczna biomasy ma bowiem wpływ decydujący na udział kostów transportu w cenie uzyskanego kWh energii. Ilość biomasy dostępnej w opłacalnej odległości transportowej wyznacza skalę projektu bioenergetycznego. W poniższych przykładach przedstawiamy zakres kosztów pozyskania energii z kolejnych strumeni bimasy.

- odpady rolnicze są wytwarzane w każdym cyklu zbioru roślin uprawnych. Biomasa pozostająca po zbiorach może być wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej. Słoma pszenicy i kukurydzy stanowią większość dostępnych resztek pożniwnych.

- Uprawy roślin energetycznych zakładane wyłącznie lub głównie w celu wykorzystania jako źródło surowca do wytwarzania energii elektrycznej. Najbardziej popularne to hybrydowa topola, wierzba i proso rózgowe, które zazwyczaj są uprawiane na nieużytkach lub pastwiskach. Obszar upraw ogranicza koszt transportu biomasy. Na przykład, z odległości do 80 km transport biomasy w belach kosztuje od $4,5 do $13,5 za tonę suchej masy, tj. $0,2 do $0.9 za 1GJ.

- odpady z leśnictwa są materiałem biomasy po wyrębie lasów. Pozyskiwanie drewna pozostawia znaczną część biomasy drzewnej, gdyż potrzeby zakładów drzewiarskich wymagają dostaw surowca o określonej jakości. Do opadów zalicza się pozostałości zrębowe, zbutwiałe i martwe drzewa oraz zbędne drzewa niewymiarowe. Odpady te są wartościowym paliwem dla bioenergetyki. Koszt pozyskania może wynosić od $0,5 do $3 za 1GJ, a za graniczną wartość opłacalności uznaje się $1,5/GJ

- odpady drewna z gospodarki komunalnej i z przemysłu drzewnego, które dawniej kierowano na składowiska. Do tej grupy surowców energetycznych zalicza się odpady tartaczne i stolarskie, palety, drewno rozbiórkowe, zbędne drewno budowlane i sztauerskie, itp. Tego typu paliwa są szczególnie korzystne jako źródło bioenergii, gdyż pozyskuje się je w miastach z dobrą infrastrukturą drogową, a ponadto często ich odbiór jest dofinansowany przez dostawców. Są dostępne za $1/GJ lub mniej. Jednak koszty zbiórki mogą wynosić od $0,8 za tonę odpadów z drzewiarstwa i od $10 za tonę drewna z gospodarki komunalnej. Palne odpady komunalne są składowane za opłatą, więc ich odbiór dla potrzeb energetycznych przynosi dochód. Jednak instalacja do konwersji takich odpadów na energię musi być zaopatrzona w urządzenia wychwytujące trucizny ze spalin, a to zwiększa koszty wytwarzania energii

- Gaz wysypiskowy jest wytwarzany w beztlenowych procesach gnilnych z organicznych odpadów składowanych na wysypiskach. Odzyskuje się go spod pokrycia wysypiska i spręża do ciśnienia wymaganego przez instalację energetyczną. Po oczyszczeniu może być spalany w turbinach gazowych lub w silnikach spalinowych napędzających generator elektryczny. Koszty gazu wysypiskowego silnie obciąża instalacja służąca do pozyskiwania gazu z wysypiska. Na dużych wysypiskach może ona dawać obciążenie na poziomie około $14 za 1GJ. Całkowity koszt produkcji energii elektrycznej to $16 do $22 za 1GJ.

- Wiele biologicznych odpadów po produkcji żywności może być źródłem biomasy przerabianej na biogaz. Jest to gaz palny wykorzystywany do napędu turbiny lub silnika spalinowego i może posłużyć do produkcji energii elektrycznej. Najważniejszym surowcem dla biogazowni jest obornik z gospodarstw mlecznych, farm hodowlanych bydła, trzody chlewnej i drobiu. Odpady biologiczne są produktem ubocznym w oczyszczanialniach ścieków i zakładach przetwórstwa spożywczego. Konwersja tych odpadów na biogaz odbywa się w beztlenowych komorach fermentacyjnych. Proces ten daje kilka istotnych korzyści dla ochrony środowiska, poza produkcją energii. Do najważniejszych zalicza się ograniczenie ilości odpadów, niszczenie pasożytów i organizmów szkodliwych oraz wytwarzanie nawozu o dużej wartości.

Sposób pozyskania każdego z tych surowców energetycznych oraz ekonomika jego wykorzystania są często znacznie zróżnicowane, nawet w przypadku takich samych realizacji ale w różnych lokalizacjach. Koszt paliwa zalezy od sposobu jego wytworzenia, zbioru, przetwarzania, transportu, składowania. Koszt wytwarzania energii z biopaliw będzie szczególnie wysoki w przypadku specjalnie uprawianych roślin energetycznych oraz będzie znacząco różnić się pomiędzy poszczególnymi projektami. Zmienność ta wynika z różnych kosztów użytkowania gruntów uprawnych, warunków glebowych, klimatycznych i wydajności upraw. Koszty przerobu również są istotnie zróżnicowane względem rodzaju użytej biomasy. Na przykład odpady z leśnictwa będą wymagać rozdrobnienia wymaganego przez instalację energetyczną, a obornik i osady ściekowe są przetwarzane na biogaz w komorach fermentacyjnych.

Koszt wytwarzania energii EGC i koszt mocy zainstalowanej ICC dla produkcji energii elektrycznej z biomasy

Koszt transmisji energii

Transmisja energii i ograniczenia dostępu do rynku mogą znacząco wpłynąć na koszty energii odnawialnej, zwłaszcza technologii nieregularnie wytwrzających energię, takich jak wiatrowa i słoneczna. Znaczące opłaty za podłączenie i opłaty roczne transmisji są problemem dla projektów fotowoltaicznych w wielu krajach, niezależnie od wielkości systemu. Odbiór energii wiatru może być szczególnie trudny ze względu na naturalną nieprzewidywalność. Odchylenia od parametrów założonych są karane w niektórych krajach bez względu, czy zwiększają czy zmniejszają obciążenie systemu. Ponadto, procedury podłączenia do linii przesyłowych nie są znormalizowane i bywają uciążliwe do tego stopnia, że wiele firm postanowiło zbudować własne linie zamiast korzystać z istniejących sieci lokalnych. Kwestie te mogą przyczynić się do znacznych kosztów energii elektrycznej z elektrowni wiatrowych. Takie kwestie są mniej znaczące dla elektrowni wodnych, geotermalnych i bioenergetycznych, gdyż dostarczają moc stabilną i na dość dużą skalę. Ponieważ projekty bioenergetyczne zwykle mają dużą skalę, koszty transmisji są małe w stosunku do pozostałych kosztów operacyjnych. W związku z tym zmiany tych kosztów mają minimalny wpływ na ogólną zmienność kosztów wytwarzania.

Koszty finansowania

Warunki finansowania są kluczowym czynnikiem dla wszystkich technologii odnawialnych źródeł energii elektrycznej. Różne kategorie deweloperów będą miały dostęp do różnych opcji finansowania, co przekłada się na różnice w kosztach finansowania. Na przykład, typowy projekt farmy wiatrowej o mocy 50 MW, która może dostarczyć prąd o cenie na poziomie $0,05/kWh, jeżeli byłby finansowany przez dewlopera zamiast przez kredyt, może dostarczać energię elektryczną za cenę $0,035/kWh. Głównym powodem jest to, że publiczni dostawcy energii sieciowej mają prawo do obniżenia kosztów obsługi finansowej dzięki możliwości emisji obligacji.

Przy finansowaniu projektów za pośrednictwem instytucji finansowych lub przez prywatnych inwestorów, stopy procentowe są znacznie wyższe. Instytucje publiczne mają zazwyczaj dostęp do finansowania o stopie procentowej około 7,5% w porównaniu do 9,5% dla dewelopera oraz dłuższe okresy spłaty zadłużenia (20 lat w porównaniu do 12). Także nie mają obowiązku asekuracji długu według DSCR. DSCR jest mechanizmem ograniczania ryzyka kredytodawcy przez wymaganie, aby projekt generował wystarczający dochód dla spłat kredytu. Zazwyczaj prowadzi to do ograniczenia pożyczek dla deweloperów. Koszty finansowania mogą być szczególnie wysokie w przypadku małych instalacji fotowoltaicznych. W celu zrekompensowania wyższych stóp procentowych można posłużyć się kilkoma instrumentami ekonomicznymi. Należą do nich tanie pożyczki rządowe, programy gwarancji kredytowych i redukcja rat kapitałowych w pierwszym okresie działalności.

Produkty i dochody uboczne

W przypadku wytwarzanie energii elektrycznej w procesie spalania biomasy, istnieje możliwość wykorzystania ciepła lub pary, które nie zostały zużyte przez turbinę generatora lub do ogrzewania zakładu. Ten system określany jest terminem kogeneracji lub wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w skojarzeniu CHP(combined heat and power). Kluczowe znaczenie dla projektu CHP ma obecność na terenie zakładu lub w bliskiej odległości znaczącego odbiorcy ciepła. Jeśli ciepło może być dostarczane po cenie konkurencyjnej, w porównaniu do tradycyjnych dostawców ciepła, oraz jeśli odbiór ciepła jest stały, to do bilansu ekonomiki zakładu można wprowadzić oszczędności lub dochody ze sprzedaży ciepła, co w efekcie pozwoli obniżyć cenę energii wytwarzanej przez zakład bioenergetyczny. Wielkość takich odliczeń zalezy silnie od warunków lokalnych.

Inne odnawialne źródła energii zazwyczaj nie dają możliwości spredaży produktów ubocznych, chociaż niektóre dodatkowe korzyści mogą istnieć. Na przykład, mogą pojawić się dochody z racji redukcji emisji gazów cieplarnianych lub redukcji emisji zanieczyszczeń powietrza. Zwykle przyczynia się to do wzrostu wartości inwestycji w odnawialne źródła energii elektrycznej, co może zrównoważyć koszty i przyspieszyć okres zwrotu nakładów. Popyt na kwoty emisyjne w każdym kraju jest inny, podobnie jak ich wartość. Elektrownie wodne mogą dostarczyć dalszych korzyści, takich jak nawadnianie, ochronę przeciwpowodziową, zaopatrzenie w wodę i ułatwienie nawigacji. Wpływ korzyści tego rodzaju na ekonomikę projektu są jednak trudne do oszacowania. Istnienie rynku na uboczne produkty instalacji bioenergetycznych może mieć znaczący wpływ na tworzenie nowych źródeł przychodów lub obniżenie kosztów operacyjnych.

Wynajem gruntów i podatki od nieruchomości

Podobnie jak w przypadku kosztów zakupu gruntów, dzierżawy gruntów mogą drastycznie różnić się w konkretnych lokalizacjach. Cena najmu zależy od wartości gruntów. Ta wartość zazwyczaj jest większa w pobliżu ośrodków miejskich, zależy od dostępności komunikacyjnej, wartości estetycznych, rodaju własności i zasobów naturalnych. Okoliczności te mogą zatem znacząco różnić się dla każdego projektu energii odnawialnej. Na przykład, koszty dzierżawy gruntów dla małych projektów wodnych są w zakresie od około 1500 dolarów za 1MW mocy aż do 15.000 dolarów za 1MW. Płatności niektórych są stałe, a inne uzależnione od ilości wyprodukowanej energii elektrycznej.

Stawki opodatkowania energii odnawialnej również różnią się w posczególnych krajach, a zwłaszcza dotyczy to podatków lokalnych. W Kanadzie np. gminy we wszystkich prowincjach pobierają podatki od nieruchomości na pokrycie kosztów lokalnych usług samorządowych. Podatki te płacą wszyscy posiadacze nieruchomości w proporcji do ich wartości. Wartość nieruchomości służacej do wytwarzania energii odnawialnej jest róznie wyceniana i opodatkowana w każdej gminie i prowincji. Może to zilustrować fakt, że roczne stawki podatków komunalnych w Kanada farmy wiatrowej do 20 MW może wahać się od zaledwie 50.000 USD w niektórych częściach Ontario do prawie US$400.000 w niektórych częściach Alberty. W przypadku systemów bioenergetycznych dzierżawy gruntów i koszty podatku od nieruchomości są niewielki w stosunku do całkowitych kosztów operacyjnych. Dlatego nieznacznie przyczyniają się kosztów wytwarzania energii z biomasy.

Czynniki, które mają pośredni wpływ na koszt wytwarzania energii elektrycznej

Czynniki, które mają pośredni wpływ na koszty energii ze źródeł odnawialnych odnoszą się głównie do różnych polityk władz i celowych instrumentów ekonomicznych. Systemy wsparcia obejmują: dotacje kapitałowe, dotacje i rabaty dla konsumentów, ulgi podatkowe dla przedsiębiorstw, ulgi podatkowe dla prodcentów energii, obniżki podatku od nieruchomości, ulgi w podatku od sprzedaży, gwarancje finansowe i nisko oprocentowane pożyczki, wykup kwot emisyjnych oraz dotacje na badania i wdrożenia. Czynniki te są postrzegane jako pośrednie, ponieważ nie od razu wpływają na nakłady inwestycyjne lub zmniejszają koszty operacyjne. W analizach kosztów prowadzonych przez Energy Information Agency i zarządy publiczne energetyki są uwzględniane w przypadku kiedy deweloper projektu odzyskuje w wyniku obniżek lub ulg podatkowych część kosztów po ich powstaniu. Efekty zwrotu kosztów, które mogą mieć wpływ na ekonomikę projektu, obejmują:

- zmniejszenie podatków i wzrost zysku netto
- wzrost przychodów
- zmniejszone potrzeby finansowania
- spłata zadłużenia w trybie przyspieszonym i zmniejszone koszty finansowania

Wszystkie czynniki wsparcia przekładają się na zmniejszenie okresu zwrotu inwestycji, a przez cały czas trwania projektu zmniejszenie kosztów wytwarzania energii elektrycznej.

Dotacje kapitałowe

Dotacje kapitałowe finansowane przez rząd w ramach programów skierowanych do komercyjnych dostawców energii elektrycznej pokrywają pewien procent kosztów inwestycji w odnawialne źródła energii elektrycznej i zakup technologii, urządzeń i instalacji. W kilku stanach w USA i prowincji w Kanadzie działa szereg programów dotowania rozwoju technologii odnawialnych źródeł energii elektrycznej. Większość programów oferuje wsparcie dla szerokiego zakresu technologii odnawialnych wytwarzania energii elektrycznej, podczas gdy niektóre koncentrują się na promowaniu jednego rodzaju energii ze źródeł odnawialnych, takich jak technologia wiatrowa lub ogniw fotoelektrycznych. Dotacje te są zwykle dostępne przede wszystkim dla sektorów przemysłowych, użyteczności publicznej, edukacji i rządowych. Programy różnią się pod względem oferowanej kwoty - od US$500 do US$1mln, a niektóre nie ustanawiają żadnych ograniczeń. Dotacje kapitałowe mogą pomóc zmniejszyć początkowe nakłady na uruchomienie projektów energetycznych. Jednak ze względu na stosunkowo niewielki rozmiar dotacji zwykle dla dużych inwestycji na energię z biomasy ich wpływ na koszty projektu jest niewielki.

Dotacje dla konsumentów i rabaty

Podobnie jak dotacje kapitałowe, dotacje dla konsumentów i rabaty pozwalają zaoszczedzić pewien procent kosztów inwestycji w odnawialne źródła energii i zakup urządzeń, dzięki finansowaniu przez rząd poprzez programy skierowane do końcowych użytkowników energii elektrycznej (mieszkańców i przedsiębiorców). Takie programy są ustanawiane na poziomie państwa, a także na poziomie lokalnym. Zazwyczaj są skierowane na małe instalacje fotowoltaiczne, a w niektórych przypadkach na małe turbiny wiatrowe. Ze względu na skalę przemysłową typowych instalacji bioenergetycznych dotacje dla konsumentów i rabaty nie wpływają istotnie na koszty.

Zachęty podatkowe dla firm

Ulgi podatkowe

Zachęty podatkowe pozwalają przesiębiorcom uzyskać ulgi lub odliczenia od 10% do 35% w stosunku do kosztów energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych z tytułu uruchomienia instalacji lub urządzenia. W niektórych przypadkach ulgi są ograniczane z upływem czasu od uruchomienia projektu. W większości przypadków, nie ustala się maksymalnego limitu nałożonego na kwotę odliczenia lub ulgi. Wzrost stawki amortyzacji dla urządzeń energetycznych zużywjące biomasę może znacznie zmniejszyć obciążenie podatkowe bioenergetyki w pierwszych latach ich pracy i pozwalają na szybsze okresy zwrotu nakładów na inwestycje i wcześniejszą spłatę długu. W związku z tym koszty produkcji energii mogą drastycznie różnić się między regionami udzielającymi zachęt podatkowych i nie dającymi tych ulg dla firm.

Kanadyjski program wydatków na energię odnawialną i oszczędzanie energii CRCE (Canadian Renewable and Conservation Expense) wspiera projekty dotyczące energii odnawialnej w taki sam sposób jak to ma miejsce dla inwestycji w innych rodzajach działalności na rzecz ochrony zasobów. W CRCE wydatki kwalifikowane są w 100% odliczane od podstawy opodatkowania w roku ich poniesienia lub mogą być przeniesione na czas nieokreślony do odliczenia w latach późniejszych. Ulgi te mogą być też przeniesione na rzecz inwestorów za pomocą przepływu uprawnień z akcji. Koszty kwalifikowane obejmują zazwyczaj koszty planowania i projektowania, przygotowanie terenu, studia wykonalności, opłaty transakcyjne i wystąpienia do organów nadzoru. Dla energetyki wiatrowej CRCE obejmuje również koszt budowy " testowych turbin wiatrowych", których moc może stanowić do 20 procent mocy produkcyjnych całej farmy wiatrowej.

W Stanach Zjednoczonych wprowadzono stałe rozszerzenie standardowych ulg inwestycyjnych (§ 1916), co stanowi 10% ulgi inwestycyjnej głównie dla technologii słonecznej i geotermalnej. Ponadto, w ustawie o podatku od energii ETA (Energy Tax Act) jest program ulg podatkowych dla gospodarstw domowych i przedsiębiorstw, które dokonają zakupu instalacji wytwarzającej energię odnawialną. Dzięki temu programowi ulgi w podatkach dochodowych z tytułu wydatków na urządzenia dla pozyskania energii słonecznej i wiatrowej zostały określone na 30% za pierwsze US$2000 wydatków i 20% za następnych US$8000. Najważniejszą zachętą w sektorze energii elektrycznej w USA jest 10% ulgi podatkowej dla przedsiębiorstw na inwestycje w technologie energii odnawialnej, w tym słonecznej, wiatrowej i geotermalnej. Ulga ta jest doliczana do 10% ogólnie stosowanej ulgi podatkowej na inwestycje.

Szczególne zasady amortyzacji

Skrócone lub "przyspieszone" zasady amortyzacji podatkowej istnieją we wszystkich trzech krajach Ameryki Północnej. W Kanadzie federalne ustawy o podatku dochodowym ITA (Income Tax Act) przewidują przyspieszenie umorzenia kapitału (o 30% powiększone tempo względem normalnego trybu umorzeń) w odniesieniu do nakładów na niektóre urządzenia dla wykorzystania odnawialnych źródeł energii, przeznaczonych do wytwarzania energii elektrycznej lub do wytwarzania energii cieplnej. Wśród urządzeń uwzględnionych w ustawie są niektóre systemy kogeneracji, małe elektrownie wodne, sprzęt energetyki wiatrowej, niektóre generatory fotowoltaiczne, słoneczne urządzenia grzewcze i niektórych urządzenia stosowane w systemach zużycia gazu składowiskowego.

W USA jest dostępna pięcioletnia amortyzacja, przyspieszona i progresywnie (od 150% do 200%) naliczana od wartości nieruchomości zakupionej dla produkcji energii odnawialnej. Taką przyspieszoną amortyzację stosuje się do "zakładów małej produkcji energii elektrycznej", która obejmuje instalacje o mocy mniejszej niz 80 megawatów. Zakłady energetyczne użyteczności publicznej mają również prawo do przyspieszonej amortyzacji.

W Meksyku, inwestycje w przyjazne dla środowiska, w tym technologie energii odnawialnej, mogą korzystać z przyspieszonej amortyzacji. Zgodnie z wytycznymi tego programu przyspieszenia amortyzacji inwestorzy mają prawo do odliczenia 100% wartości inwestycji po roku pracy, o ile urządzenie działa przez co najmniej pięć lat po zgłoszeniu deklaracji podatkowej wnioskującej o tę ulgę.

Ulgi podatkowe dla produkcji

W Kanadzie i USA prywatne podmioty wytwarzające energię elektryczną z odnawialnych źródeł energii są uprawnione do federalnej ulgi podatkowej. Ulgi podatkowe dla produkcji są zazwyczaj określane jako część ceny za kWh (US$/kWh). Opierając ulgi podatkowe na wielkości produkcji, a nie na inwestycjach kapitałowych, jest postrzegane jako bardziej skuteczny mechanizm zapewnienia efektywności projektu. Ulgi takie pomagają pokryć koszty związane z produkcją bioenergii, co poprawia sytuację rynkową w porównaniu do tradycyjnych źródeł energii elektrycznej. Podobnie jak inne zachęty podatkowe, ulgi podatkowe na produkcję mogą doprowadzić do szybszego zwrotu kapitału i obniżyć ogólne koszty operacyjne. W związku z tym koszt produkcji energii może znacznie różnić się między dostawcami uprawnionymi i tymi bez ulg podatkowych do produkcji.

W Kanadzie program "Inicjatywa dla Produkcji Energii z Wiatru" WPPI (Wind Power Production Incentive) zapewnia wsparcie finansowe dla uruchomienia 1000 MW nowych mocy do marca 2007. Wsparcie jest przeznaczona na pokrycie około połowy kosztów energii elektrycznej z wiatru. Do czerwca 2006 r. prawie 1000 MW zostały uruchomione w ramach WPPI, co oznacza, że program okazał się skuteczny. Ten sukces zainspirował grupy interesów, które zaczęły naciskać na rząd federalny w celu rozszerzenia programu WPPI. W związku z tym w budżecie na 2005 r. przewidziano US$200mln na przedłużenie programu na kolejne 5 lat, a następne US$920mln w ciągu 15 lat w celu wsparcia budowy energetyki wiatrowej o docelowej mocy 4000 MW. W ramach nowej transzy programu przyznaje się dotację w wysokości 1 centa za kilowatogodzinę energii w ciągu pierwszych 10 lat działalności uruchomionej przed 1 kwietnia 2010 roku. Kwalifikację produkcji ustala Natural Resources Canada.

Oprócz WPPI w budżecie na 2005 r. rząd federalny ogłosił program Inicjatywa dla Produkcji Energii Odnawialnej RPPI (Renewable Power Production Incentive) w celu wsparcia dla inwestorów instalacji do wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych (innych niż elektrownie wiatrowe), tj. małych hydroelektrowni, bioenergetyki i geotermii. Planuje się utworzenie 1500 MW nowych mocy wytwórczych energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Podobnie jak WPPI 1 cent za kWh będzie przyznawany w ciągu pierwszych 10 lat działalności po 31 marca 2006 r. i przed 1 kwietnia 2011 roku. W roku 2005 przyznano budżet US$97mln na pięć lat, a w ciągu 15 lat łącznie US$886mln dla całego programu RPPI. Na początku 2006 roku programy RPPI i WPPI zostały zawieszone do dalszej oceny. 19 stycznia 2007 r. ogłoszono program zatytułowany ecoENERGY for Renewable Power o zasadach podobnych do wcześniejszych programów, więc jest to połączenie obu programów.

W USA produkcja energii ze źródeł odnawialnych jest dotowana w programie REPC (Renewable Electricity Production Credit), także nazywanym Production Tax Credit (PCT), ustanowionym już 1992 roku.

Dotacja w formie ulgi podatkowej jest liczona za kilowatogodzinę ($/kWh) dla energii elektrycznej wytworzonej przez kwalifikowane instalacje energetyczne geotermalne, bioenergetyczne (w tym systemy iodzyskiwania energii z odpadów zwierzęcych), małe urządzenia irygacyjne, instalacje zużywające biogaz z odpadów, spalarnie odpadów komunalnych i energetyki wiatrowej. Energy Policy Act z 2005 r. (EPAct 2005) rozszerza dotację na małej hydroelektrownie, ale usunięto instalacje słoneczne z listy obiektów kwalifikujących się do programu. Pierwotnie REPC przyznaje ulgę podatkową w wysokości 1,5 centa za 1kWh, która jest co roku aktualizowana z uwzględnieniem inflacji. Po skorygowaniu ulgi w 2007 r. przyznano około 2 centy za 1kWh. Wytwórcy energii elektrycznej z biomasy rolniczej, z małych elektrowni wodnych służących do nawadniania, z gazu wysypiskowego, z odpadów komunalnych i energii wodnej otrzymują obecnie 1,0 cent za 1kWh. Czas trwania dofinansowania jest w tych branżach 5 lat, a pozostałe są uprawnione do 10 lat dotowania.

Zwolnienia z podatku od nieruchomości

Większość przepisów dotyczących ustalania podatku od nieruchomości nakazuje postępować według prostego modelu, który zwalnia wartość urządzeń energetyki odnawialnej spod wyceny majątku dla celów podatkowych. Podatki od nieruchomości są pobierane lokalnie, więc niektóre państwa umożliwiają władzom lokalnym decycję w sprawie ustanowienia zachęt w formie odlczeń podatku od nieruchomości dla urządzeń energii odnawialnej. W Stanach Zjednoczonych, sześć stanów ma takie przepisy: Connecticut, Iowa, Maryland, New Hampshire, Vermont i Wirginii. Ulgi w podatku od nieruchomości mogą również przybrać formę zwolnienia właścicieli odnawialnych źródeł energii od płacenia całości lub części podatków od nieruchomości, zmniejszając tym samym ich obciążenia podatkowe. Jest to jednak mniej popularne.

Ulgi w podatku od sprzedaży

Ulgi w tym podatku polegają zazwyczaj na zwolnieniu ze stanowych lub lokalnych podatków od sprzedaży, które mają udział w kosztach zakupu sprzętu dla energii odnawialnej. Kilka prowincji i stanów w Ameryce Północnej wprowadziły takie formy wsparcia, głównie dla technologii słonecznych.

Ulgi w osobistym podatku dochodowym

Wiele stanów oferuje odliczenia lub ulgi w osobistym podatku dochodowym na pokrycie kosztów zakupu i instalacji urządzeń energii odnawialnej. Niektóre stany oferują ulgi podatkowe do określonego procentu dochodu lub do określonej kwoty dochodów osobistych. Odliczenia mogą być ograniczony do pewnej liczby lat od zakupu lub instalacji urządzeń energii odnawialnej. Technologie zakwalifikowalne do tej formy wsparcia to fotowoltaiczne systemy energii słonecznej, energia geotermalna, energia wiatru, biomasy, wodna i paliwa alternatywne.

Programy kredytowe

Program finansowania kredytów dla energii odnawialnej polega na dofinansowaniu nisko oprocentowanych lub nie oprocentowanych pożyczek. Ta forma wsparcia poprawy efektywności energetycznej jest powszechnie stosowaną strategią zarządzania popytem po stronie użytkownika energii. Ponadto kilka rządów stanowych również oferuje pożyczki na zakup sprzętu dla energii odnawialnej. Do tej formy wsparcia jest zakwalifikowalnych wiele rodzajów technologii odnawialnych źródeł energii. W wielu stanach są dostępne pożyczki dla gospodarstw domowych, placówek handlowych, zakładów przemysłowych, dla transportu publicznego oraz sektora non-profit. Harmonogram spłaty jest różny, gdyż większość jest ustalana na podstawie indywidualnych umów, a niektóre linie kredytowe oferują okres spłat 7-10 do lat.

Na przykład w USA Oregon Department of Energy udostępnił nisko oprocentowane kredyty dla producentów energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, na oszczędzanie energii oraz na wykorzystanie materiałów pochodzących z recyklingu do wytwarzania produktów. Program małych pożyczek dla producentów energii SELP (Small Scale Energy Loan Program) jest samofinasującym się programem finansowania kredytów, który zasilany jest ze sprzedaży obligacji stanu Oregon. Kredytobiorcy mogą wykorzystać pożyczki na zapłacenie większości kosztów bezpośrednich projektu i koszty ogólne, takich jak prace projektowe i planistycne, wystąpienia o pozwolenia, opłaty i koszty kredytów komercyjnych i kosztów zarządzania projektem. Do podmiotów zakwalifikowanych do korzystania z preferencyjnych kredytów jest większość obywateli Oregonu, firmy, organizacje non-profit, instytucje państwowe, szkoły, zarządy miast, powiatów, dzielnic, publiczne korporacje stanowe i agencje federalne.

W Kanadzie rząd powołał dwie uzupełniające się fundacje w celu wspierania inwestycji w innowacyjne projekty dotyczące infrastruktury komunalnej i ochrony środowiska, w tym rozwoju odnawialnych źródeł energii elektrycznej. Są one skierowane do kanadyjskich samorządów, ich partnerów publicznych i prywatnych. Rząd przeznczył CAN$250mln na wspieranie projektów i badań. Środki te udostępniono w formie Zielonego Miejskiego Funduszu Inwestycyjnego GMIF (Green Municipal Investment Fund), którego całkowity budżet wynosi CAN$200mln. GMIF wspiera realizację innowacyjnych projektów na rzecz ochrony środowiska. Dzięki GMIF władze miejskie mogą zaciągać pożyczki na korzystnych warunkach oprocentowania, tj. 1,5% poniżej stopy oprocentowania obligacji Banku Kanadyjskiego. Partnerzy dewelopera projektu są także uprawnieni do pożyczek na atrakcyjnych warunkach. Ponieważ są dostępne pożyczki o korzystnych stopach procentowych koszty finansowania projektów bioenergetycznych można znacznie zmniejszyć.

Kwoty emisyjne

W kilku krajach ustanowiono programy ograniczenia emisji takich jak dwutlenek siarki SO₂ lub dwutlenek węgla CO₂. Są to regulowane przez rząd lub dobrowolne programy rozdziału pozwoleń na emisję. Zwykle polegają one na przypisaniu każdemu wytwórcy energii kwoty emisji uznanej za docelową dla programu redukcji. Uczestnicy programu mogą otrzymywać kredyty z tytułu redukcji emisji lub dodatek za każdą tonę CO₂ i SO₂ wyeliminowaną poprzez poprawę wydajności. Kwoty emisyjne można pozyskać zmieniając zasilanie w energię z tradycyjnych źródeł na odnawialne żródła energii lub zakup kwot od wytwórców energii dysponujących pozwoleniami, które zostaną przeniesione na rzecz nabywców.

Obrót kwotami spowoduje utworzenie nowego strumienia wartości na rzecz odnawialnych źródeł energii, o ile projekt redukcji emisji zostanie akceptowany przez zarząd programu. Chociaż obrót kwotami emisyjnymi nie wpływa bezpośrednio na koszty produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, to jednak tworzy nowy strumień przychodów dla producentów takiej energii i umożliwia im stworzenie oferty konkurencyjnej do wytwórców energii tradycyjnych. Ponadto, przychody z tytułu redukcji emisji mogą zmniejszyć okres zwrotu i wzrost rentowności wytwarzania energii odnawialnej. W przypadku sprzedaży uprawnień do emisji pojawia się istotne dodatkowe źródło dochodów dla projektów bioenergetycznych, które może zredukować koszty operacyjne.

Rządowe programy wsparcia dla badań i wdrożeń

Kilka państw utworzyło programy wspierania badań mających na celu rozwój technologii odnawialnych źródeł energii elektrycznej. Obejmują one dotacje lub fundacje wspierające badania podstawowe, wdrożeniowe oraz komercjalizację technologii odnawialnych źródeł energii elektrycznej. Programy te mogą również finansować edukację i akcje promocyjne, których celem jest upowszechnienie świadomości na temat możliwości i korzyści z instalacji elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Dzięki dofinansowaniu z takich programów deweloper może zmniejszyć koszty badań i wdrożeń, czas wprowadzenia technologii na rynek, a tym samym niższe koszty początkowe technologii odnawialnych źródeł energii elektrycznej.

Przykładem takiego programu jest w Kanadzie fundacja Zrównoważonego Rozwoju Technologii w Kanadzie SDTC (Canada is Sustainable Development Technology Canada). Celem fundacji jest stymulowanie rozwoju i demonstracji kanadyjskich technologii związanych ze zmianami klimatu, poprawy czystości powietrza, jakości wody i gleby. Program częściowo finansuje projekty kwalifikowalnych twórców. Należą do nich zespoły, do których wchodzą przedsiębiorcy prywatni i organizacje akademickie. Zakwalifikowane projekty mają na celu propagowanie rozwoju i wsparcie demonstracji nowych technologii zrównoważonego rozwoju, w tym wiele technologii odnawialnych źródeł energii elektrycznej.

Podobnie w Stanach Zjednoczonych uchwalono w 1999 r. Ustawę, która zapewnia środki finansowe na badania i rozwój, ukierunkowane na zaawansowane urządzenia fotowoltaiczne. Tematyka badań dofinansowanych z ustawy obejmuje systemy cienkowarstwowe, urządzenia wysokosprawne, technologie materiałów krzemowych, technikę charakteryzacji i inne innowacyjne koncepcje.

 Dane termodynamiczne dla bioenergetyki

Definicje

Air-Drying - suszenie na powietrzu - proces częściowego suszenia próbki w celu obniżenia jej wilgotności prawie w równowadze z atmosferą, w której mają się odbyć dalsze operacje podziału i charakterystyki próbki.

Air-Dry Loss - ubytek masy próbki spowodowany suszeniem na powietrzu. Ubytek ten jest uznawany za zawartość wilgoci.

Ash - popiół - pozostałość po prażeniu próbki w określonej procedurze.

Enthalpy – entalpia – H jest zdefiniowana równaniem: H = U + PV, gdzie U jest energią wewnętrzną układu, P jest ciśnieniem, a V jest objętością.

Gross Heat of Combustion q_v(gross) - ciepło spalania brutto - ciepło wytwarzane w procesie spalania jednej jednostki substancji w stałej objętości w bombie kalorymetrycznej pod tlenem w określonych warunkach. Warunki te są następujące: ciśnienie początkowe tlenu 2.0-4.0 MPa (20-40 atm), końcowa temperatura 20°-35°C (68-95°F), produkty stałe w postaci popiołów, woda w stanie ciekłym, CO₂ i N₂ gazowe, HCl i H₂S0₄ w postaci rozcieńczonego wodnego roztworu. Zakłada się, że jeśli znaczne ilości metali są spalane, to są konwertowane do tlenków. W przypadku materiałów, takich jak węgiel, drewno, czy też śmieci, jeśli zawierają małe lub śladowe ilości metali, to przyjmuje się, że pozostają one niezmienione podczas spalania i stanowią składniki popiołu. W dokładnych badaniach ciepło zmierzone korygowane jest o udziały reakcji uboczne i sprowadzane jest do warunków standardowych, w których wszystkie gazy są pod ciśneniem jednostkowym. Dla większości danych prezentowanych tutaj, dokładność pomiarów nie wymaga takiego szczegółowego opracowania.

Gross Heat of Reaction - ciepło reakcji brutto - izotermiczne ciepło reakcji brutto zmierzone w określonej temperaturze i przy stałej objętości, q_v(gross), jest równe -DU/M, gdzie DU jest molową zmianą energii wewnętrznej w procesie, a M jest masą cząsteczkową. Zwykle wartości q_v (lub DU) nie są sprowadzane do warunków standardowych (-DU°/M). Niektóre dane mają tak małą precyzję, ze względu na niedokładność poboru próbki lub zastoswanej metody pomiaru, że korekta ta jest niepraktyczne. Wartości liczbowe dla q_v(gross) podane są w J^.g^-1 , cal^.g^-1, i Btu^.lb^-1.

Heat of Fusion L_f - Ciepło topnienia L_f - ciepło właściwe topnienia (DH_fus/M) pod ciśnieniem 101325 Pa (1 atm). Ta ilość ciepła jest wchłaniana (w J, cal, or Btu), gdy jedna jednostka masy substancji przechodzi ze stanu stałego do stanu ciekłego. Dla czystego związku, topienie odbywa się w jednej temperaturze. Złożone pod względem chemicznym materiały, jakie są tu opisywane, mogą przechodzić proces topnienia w szerokim zakresie temepratur..

Heat of Sublimation L_s - ciepło sublimacji L_s - ciepło właściwe sublimacji (DH_sub/M). Ilość ciepła absorbowana, gdy jedna jednostka masy substancji przechodzi ze stanu stałego w stan gazowy.

Heat of Transition L_t - ciepło przejścia L_t - ciepło właściwe przejścia (DH_trs/M) pod ciśnieniem 101325 Pa (1 atm). Ilość ciepła absorbowana, gdy jedna jednostka masy substancji przechodzi z jednej fazy stałej do innej fazy stałej. Dla czystego związku, przejście nastąpi przy jednej temperaturze. Złożone pod względem chemicznym materiały, jakie są tu opisywane, mogą przechodzić proces topnienia w szerokim zakresie temepratur.

Heat of Vaporization L_v - Ciepło parowania L_v - ciepło właściwe parowania (DH_vap/M). Ilość ciepła absorbowana, gdy jedna jednostka masy substancji przechodzi ze stanu ciekłego w stan gazowy. Jeżeli jest wynikiem pomiaru kolorymetrycznego, to wartość ta będzie przypisana do określonej temperatury i ciśnienia. Jeśli jest wynikem obliczenia z równania d(lnP)/d(l/T) = -DH_vap/R, to wartość będzie przypisana do określonej temperatury i ciśnienia, w zależności od postaci równania. Z prostego wzoru lnP = A-B/T, można wyliczyć wartość, która odnosi się do zakresu temperatur, dla którego równanie to jest słuszne. Wartości uzyskane w ten sposób odnoszą się do jednego mola substancji. W przypadku mieszaniny substancji stosuje sie średnią masę cząsteczkową dla obliczenia jej ciepła parowania: L_v = DH_vap/M.

Internal Energy U - energia wewnętrzna U – kiedy ciepło, q, jest dodawane lub odbierane, a praca, w, jest wykonywana przez układ, jego energia wewnętrzna, U, zmienia się zgodnie z równaniem: U = q + w .

Net Heat of Combustion q_v(net) - ciepło spalania netto - ilość ciepła wytworzonego przez spalanie jednej jednostki substancji pod ciśnieniem atmosferycznym w warunkach takich, że woda będąca składnikiem produktów reakcji pozostaje w stanie pary. Ciepła spalania netto oblicza się na podstawie ciepła spalania brutto w temperaturze 20°C (68°F) przez odjęcie 572 cal^.g^-l (1030 Btu^.lb^-l) dla wody pochodzącej z jednej jednostki masy próbki, w tym także wody pierwotnie zawartej w próbce w postaci wilgoci, oraz masy wody powstałej w wyniku spalania. W przeliczeniu nie można stosować wartości ciepła właściwego parowania dla wody (586 cal^.g^-l at 20°C) ponieważ obliczenia muszą uwzględnić redukcję danych z wartości brutto w stałej objętości do wartości netto przy stałym ciśnieniu. Odpowiedni współczynnik dla tego przypadku wynosi 572 cal^.g^-l .

Net Heat of of Reaction - ciepło reakcji netto - izotermiczne ciepło reakcji netto w określonej temperaturze i przy stałej objętości. q_v(net) jest równe -DU/M, gdzie DU jest molową energią wewnętrzną procesu, a M jest masą cząsteczkową. Wartość ta różni się od q_v(gross) w ten sposób, że przyjęto wodę w stanie gazowym.

Residual Moisture - wilgotność szczątkowa - zawartość wilgoci w próbce pozostała po jej wysuszeniu na powietrzu i zmieleniu, jeśli to konieczne, próbki do analizy.

Specific Heat C_p - change in enthalpy with temperature at constant pressure (1 atm unless otherwise specified) for one unit mass of substance. C_p = [d(H/M)/dT]_p. At constant volume Cv = [d(U/M)/dT]_v. Numerical values for C are given in J^.g^-l.K^-l, cal^.g^{-l .}K^-l, and Btu^.lb^{-l .}°F^-l .

Sublimation Pressure - prężność sublimacji - ciśnienie równowagi par nasyconych nad substancją stałą w danej temperaturze. Wartości są wyrażone w paskalach (Pa = N^.m^-l) lub w Torr (Torr = 133.3224 Pa). Jednośtka atmosfera jest wyrażona jako 101325 Pa. Jednośtka bar jest wyrażona jako 100,000 Pa.

Temperature - temperatura - temperatura bezwzględna, T, jest opisana standardem International Practical Temperature Scale. Wartości są podane w stopniach Kelvina (symbol K). Skala Celsjusza ("Centigrade", symbol °C) jest szeroko używana w publikowanych wynikach pomiarów. Jest ona definiowana wzorem t(°C) = T(K) - 273.15. Skala Fahrenheita również stosowana jest w wielu pomiarach, a względem skali Celsjusza przeliczana jest wzorem t(°F) = 1.8t(°C) + 32. Zgodnie ze standardem SI wszystkie równania i wzory uwzględniające temperaturę są wyrażone w skali bezwzględnej (T, K), o ile nie posiadają wyraźnego odniesienia do innej skali.

Vapor Pressure - prężność par - ciśnienie pary nasyconej nad cieczą substancji w stanie równowagi przy danej temperaturze. Wartości są wyrażone w paskalach (Pa = N-m^-l) and in Torr (Torr 133,3224 Pa). The conventional atmosphere is taken as 101325 Pa.

Volatile Fraction VCM - udział frakcji lotnych VCM - parametr charakteryzujący substancję, wyznaczany w określonej procedurze: próbkę umieszcza się w zamkniętym tyglu w 600°C przez 6 minut, a następnie jest ogrzewana w temperaturze 950°C przez 6 minut. Ubytek wagi jest miarą zawartości frakcji lotnych.

Wzory do przybliżonych obliczeń ciepła spalania biomasy

W projektowaniu i modelowaniu reaktorów i reakcji z udziałem biomasy potrzebne są wartości ciepła tworzenia i spalania różnych materiałów. Zbiór reprezentatywnych danych dla biomasy i odpadów jest prezentowany w dalszej części publikacji. W innych przypadkach, skład materiałów jest znany lub może być określony, natomiast potrzebne dane termodynamiczne jeszcze nie zostały opublikowane. W 1978 r. Institute of Gas Technology zaproponował wzór na przybliżone wyliczenia dla węgli (IGT, 1978) "higher heating values, HHV" (wartość opałowa dla suchej masy):

wartość opałowa: HHV = DH_c = 146.58 C + 568.78 H - 51.53 (O + N) - 6.58 A + 29.45 S Btu/lb

gdzie C, H, 0, N, S, i A są procentowymi udziałami wagowymi węgla, wodoru, tlenu, azotu, siarki i popiołu, odpowiednio.

Równanie to powstało po skorelowaniu danych termodynamicznych ze składem ponad 700 próbek węgla. W „Survey of Biomass Gasification” (Reed, 1979) Graboski i Bain zastosowali ten wzór, razem z dwoma innymi, w przypadku 15 próbek biomasy i 5 węgla drzewnego. Uzyskali uzgodnienie wartości zmierzonych z wyliczonymi z odchyleniem 1.7 i 2,1%, odpowiednio. Zwykle dokładność obecnie uzyskiwanych wyników pomiarów wartości opałowej jest mniejsza, co prowadzi do wniosku, że ten wzór można stosować do oceny tej wartości dla biomasy. Reed (1985) rozszerza zastosowanie równania IGT na wiele materiałów węglopochodnych. Wzór przeliczony na jednostki SI ma postać:

HHV = 0.341 C + 1.322 H - 0.12 (O + N) - 0.0153 A + 0.0686 S kJ/g

Warto zauważyć, że ostatnie dwa człony mają niewielki udział w wyniku obliczeń. W przeliczeniu na jednostki molowe i z pominięciem udziału popiołu i siarki oraz dla suchej substancji wyjściowej wzór uzyskuje postać dogodną do przybliżonego wyliczenia ciepła spalania:

DH_c = 4.092 n_C + 1.322 n_H - 1.916 y_{(N + O)} kJ/mole

gdzie n_i jest liczbą atomów pierwiastków we wzorze substancji spalanej.

Ciepło tworzenia można wyliczyć z ciepła spalania przy zastosowaniu wzoru:

DH_f = DH_c - n_C [DH_c(C)] - n_H [DH_c(H₂)/2]

gdzie DH_c(C) i DH_c(H₂) są ciepłami spalania węgla i wodoru.

Wymienione tu wzory były zastosowane do wyliczenia danych termodynamicznych dla materiałów zaliczanych do biomasy, a których wyniki przedstawia poniższa tabela. Uwzględniono tu cytowane w literatirze dane o reprezentatywnych analizach próbek biomasy, węgli drzewnych, oleju pirolitycznego i smoły. Średnie różnice pomiędzy wynikami wyliczeń i danymi doświadczalnymi mieszczą się w przedziałach, 1.7, 1.6, 2.5 i 2.5%, odpowiednio. Można więc stwierdzić, że przedstawione wzory mogą posłużyć do wyliczenia danych termodynamicznych materiałów, dla których wyniki pomiarów tych wielkości nie są znane.

Tabela: obliczone i wyznaczone empirycznie ciepła spalania biomasy i różnych materiałów

SYMBOLE

podstawowe

T - temperatura termodynamiczna (temperatura bezwzględna)

K - temperatura Kelvina

t - temperatura Celsjusza

R - molowa stała gazowa

k - stała Boltzmanna

q , Q - ciepło

w , W - praca

U , (E) - energia wewnętrzna

H - entalpia: H = U + pV

S - entropia

A – energia Helmholtza: A = U - TS

J – funkcja Massieu : J = -A/T

G - energia Gibbsa: G = H - TS (energia Gibbsa często nazywa się energią swobodną, energią swobodną Gibbsa lub funkcją Gibbsa. (Często stosowany w amerykańskich pracach o termodynamice termin energia swobodna niemal zawsze odnosi się do energii Gibbsa. Zwyczaj ten, jak też używanie w tym kontekście symbolu F, jest krytykowany przez IUPAC, gdyż powoduje kolizję z pojęciem energii Helmholtza i powszechnym w Europie stosowaniem symbolu F do tego pojęcia.)

Y - funkcja Plancka: Y = G/T

Z - współczynnik ściśliwości: Z = pV/nRT

C_p - pojemność cieplna

c_p - ciepło właściwe (pojemność cieplna jednostki masy)

g , (k) – wskaźnik pojemności cieplnej: C_p /C_v

m – współczynnik Joule-Thomsona

l , k - przewodność cieplna

a – dyfuzyjność termiczna: a = l/r^.C_p

h - współczynnik przenikania ciepła

a – współczynnik rozszerzalności termicznej: u = (dV/dT)_p/V

k – ściśliwość izotermiczna: = (dV/dp)_T/V

m_B - chemical potential of substance B

l_B – aktywność absolutna substancji B: l_B = exp(m_B/RT)

f , (p*) - lotność

m - ciśnienie osmotyczne

I - siła jonowa: I = ½ Σ_im_i z_i² lub I = ½ Σ_ic_i z_i²

a_B - aktywność, aktywność względna substancji B

f_B - molowy współczynnik aktywności

g_B - molalny współczynnik aktywności

y_B – stężeniowy współczynnik aktywności

F - współczynnik osmotyczny

niektóre symbole pozostałych parametrów termodynamicznych

A , S - powierzchnia

V - objętość

t - czas

m - masa

r - gęstość (masa jednostki objętości)

p - ciśnienie

A_r - względna masa atomowa (również zwana terminem "ciężar atomowy")

M_r - względna masa cząsteczkowa (również zwana terminem "ciężar cząsteczkowy")

L , N_A – stała Avogadro

N – liczba cżasteczek

n , (n) - ilość moli substancji

x_{B ,} y_B - ułamek molowy substancji B: x_B = n_B/Σ_in_i

w_B - ułamek masowy substancji B

F_B - ułamek objętościowy substancji B

m_B – molalność roztworu substancji B (ilość moli substancji B na jednostkę masy rozpuszczalnika)

c_B [B] - stężenie substancji B (ilość moli substancji B na jednostkę objętości roztworu)

r_B – masowe stężenie substancji B (masa substancji B na jednostkę objętości roztworu)

n_B - stechiometryczny współczynnik substancji B (ujemny dla reagentów, dodatni dla produktów).

ogólne równanie reakcji chemicznej:
Σn_BB = 0
przykład dla reakcji H₂O → H₂ + ½ O₂ :
H₂ + ½ O₂ - H₂O = 0

z - stopień reakcji: (dz = dn_B/n_B)

K - stała równowagi

a - stopień dysocjacji

z_B – ładunek jonu B (dodatni dla kationów, ujemny dla anionów)

Jednostki miary

podstawowe

Pochodne jednostki SI (lista częściowa)

inne jednostki zdefiniowane w jednostkach SI (lista częściowa)

współczynniki konwersji jednostek energii

współczynniki konwersji jednostek temperatury

stałe fizyczne

stała gazowa

R = 82.0568 (26) cm^3.atm^.rnol^-1 K^-1

R = 8.31441 (26) J^.rnol^-1 K^-1

R = 1.987 19 (6) cal_th^.rnol^-1 K^-1

molowa objętość gazu

V_m = 0.02241383 (70) m^3.rnol^-1 (przy T_o = 273.15 K i p_o = 1 atm)