Czas na Holzgas? (w małej energetyce)

W czasie II Wojny Światowej po drogach poruszało się wiele samochodów wyposażonych w charakterystyczne cylindryczne zbiorniki o wysokości około 1-1,5 m. Zbiorniki te były zasadniczym elementem generatora gazu drzewnego służącego jako paliwo zastępujące benzynę.

Adler Diplomat 3 GS z generatorem gazu drzewnego eksponowany w Muzeum Niemieckim w Monachium
(fot. Mattes, na licencji Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported)

Gaz drzewny jest wytwarzany w procesie zgazowania drewna polegającym na spalaniu tego surowca przy ograniczonym dostępie powietrza. W skład gazu drzewnego wchodzą: wodór i tlenek węgla (po około 20 % objętości), niewielkie ilości metanu, azot (około 50-60% objętości) a także dwutlenek węgla i para wodna.[1]

Generatorem wykorzystywanym – gdzieniegdzie po dziś dzień – do zasilania gazem drzewnym samochodowych silników spalinowych jest gazogenerator Imberta.[2]

Głównymi elementami typowego niewielkiego agregatu prądotwórczego są prądnica i napędzający ją silnik benzynowy. Do wytworzenia w takim agregacie 1 kilowatogodziny energii elektrycznej (1 kWh_e) potrzeba około 0,75 litra benzyny.[3] Wartość opałowa benzyny wynosi około 32,4 MJ/l (32,4 megadżula na litr).[4,5] By zatem wytworzyć w typowym agregacie prądotwórczym 1 kWh energii elektrycznej trzeba mu dostarczyć w paliwie mniej więcej:

32,4 MJ/l benzyny x 0,75 l benzyny/kWh_e = 24,3 MJ/kWh_e

Dolna wartość opałowa gazu drzewnego wynosi około 6 MJ/m³.[1] Załóżmy teraz, że do silnika agregatu prądotwórczego przyłączamy generator gazu drzewnego. Zgodnie z tym co zostało wcześniej napisane, by agregat wytworzył 1 kWh energii elektrycznej gazogenerator musiałby dostarczyć:

24,3 MJ/kWh_e / 6 MJ/m³ gazu drzewnego = 4,05 m³ gazu drzewnego/kWh_e

Z 1 kg drewna można wytworzyć około 2,737 m³ gazu drzewnego.[6] Wobec tego, by wyprodukować owe 4,05 m³ gazu drzewnego potrzebnych do uzyskania 1 kWh energii elektrycznej w agregacie prądotwórczym konieczne jest drewno w ilości:

4,05 m³ gazu drzewnego/kWh_e / 2,738 m³ gazu drzewnego/kg drewna ≈ 1,5 kg drewna/kWh_e

Chodzi tu przede wszystkim o drewno z drzew liściastych – w szczególności bukowe – o wilgotności bezwzględnej około 15%. Taki materiał jest najlepszym wsadem do gazogeneratora Imberta.[7] Wspomniana wilgotność bezwzględna jest wyrażonym w procentach stosunkiem masy wody zawartej w drewnie do masy drewna absolutnie suchego.

Wiąże się z tym pewien szkopuł, o którym należy wiedzieć: świeżo ścięte drewno bukowe, by osiągnęło podaną wyżej wilgotność, wymaga około 24 miesięcznego suszenia.[8] Zatem drewno bukowe pozyskane w lesie jesienią 2022 roku stanie się surowcem do produkcji gazu drzewnego dopiero jesienią 2024 roku.

Suszenie powoduje oczywiście utratę masy drewna związaną z odparowaniem wody.

Załóżmy, że chcemy wytworzyć w agregacie prądotwórczym napędzanym gazem drzewnym 1 kWh energii elektrycznej i zamierzamy w tym celu zakupić świeże drewno bukowe o wilgotności bezwzględnej 64%. Aby obliczyć jaką masę takiego drewna musimy nabyć, należy podaną wyżej masę podsuszonego drewna o wilgotności 15% pomnożyć przez współczynnik 164/115:

1,5 kg drewna/kWh_e x 164/115 ≈ 2,14 kg drewna świeżego/kWh_e

Wiedząc, że gęstość świeżo ściętego drewna bukowego wynosi około 0,99 kg/dm³ [9] łatwo policzyć, że 2,2 kg tego drewna będzie zajmowało objętość:

2,14 kg/kWh_e / 0,99 kg/dm³ ≈ 2,2 dm³/kWh_e

Z pobieżnej kwerendy cenników detalicznych obowiązujących aktualnie w nadleśnictwach wynika, że można w nich kupować świeże drewno bukowe opałowe (sortyment S4) za cenę brutto około 189-210 zł za m³.[10,11] Przyjmijmy w dalszych rozważaniach, że cena świeżego drewna bukowego sprzedawanego w nadleśnictwach wynosi obecnie 0,21 zł za dm³.

Zatem za objętość świeżego drewna bukowego konieczną do wytworzenia w agregacie z gazogeneratorem 1 kWh energii elektrycznej trzeba obecnie w nadleśnictwie zapłacić:

0,21 zł/dm³ x 2,2 dm³/kWh_e = 0,46 zł/kWh_e

Jak to się ma do ceny energii elektrycznej systemowej? Średnia cena brutto prądu, uwzględniająca wszystkie rodzaje opłat, dla gospodarstw domowych rozliczających się według taryfy G-11 kształtuje się dziś na poziomie 0,77 zł za kWh.[12]

W związku z tym na podstawie procentowego porównania:

(0,77-0,46) / 0,77 x 100% = 40%

można powiedzieć, że aktualnie cena zakupu w nadleśnictwie objętości drewna świeżego potrzebnej do wytworzenia z gazu drzewnego 1 kWh energii elektrycznej jest o 40% niższa od ceny zakupu 1 kWh prądu systemowego według taryfy G-11.

Jednak zbyt daleko idącym wnioskiem byłoby stwierdzenie, że cena energii elektrycznej uzyskiwanej w agregacie prądotwórczym napędzanym gazem drzewnym jest o owe 40% niższa niż cena prądu systemowego dla gospodarstw domowych. Dlaczego?

Między innymi dlatego, że w cenie energii elektrycznej z gazu drzewnego trzeba uwzględnić koszt zaopatrzenia się w urządzenia do jej produkcji – w szczególności w agregat prądotwórczy i gazogenerator. Jeżeli ktoś posiada już agregat prądotwórczy benzynowy o mocy nominalnej optymalnej w stosunku do mocy urządzeń, które nim zasila, powinien wiedzieć, że jego moc będzie niewystarczająca po przystosowaniu go do spalania gazu drzewnego. Bowiem zasilanie gazem drzewnym silnika benzynowego powoduje spadek jego mocy o około 30% – i tym samym analogiczny spadek mocy agregatu, którego ten silnik jest częścią.[13] Dlatego na przykład optymalnie dobrany do mocy odbiorników tankowany benzyną agregat o mocy 3 kW – jeśli planuje się korzystanie z gazu drzewnego – trzeba zastąpić agregatem o mocy przynajmniej:

3 kW / 70 x 100 = 4,3 kW

Ponadto z nabyciem obecnie w Lasach Państwowych drewna bukowego opałowego po cenie 210 zł za m³ jest jak z każdą inną możliwością zakupu dobra deficytowego w niskiej cenie urzędowej – trudno towar kupić od ręki, niejednokrotnie trzeba po niego czekać w kolejce, bywa wprowadzana reglamentacja, dla części chętnych towaru nie starczy, a wśród sprzedawców pojawia się pokusa odkładania go dla kumotrów.

A co z zakupem podsuszonego drewna na wolnym rynku? W przypadku produkcji prądu z gazu drzewnego nie stanowi ono dzisiaj opłacalnej alternatywy dla świeżego drewna z Lasów Państwowych. Cena rynkowa brutto podsuszonego drewna bukowego wynosi około 810 zł za m³, czyli 0,81 zł za dm³. Jak wspomniano wcześniej do wytworzenia 1 kWh energii elektrycznej potrzeba około 1,5 kg drewna podsuszonego. Gęstość drewna bukowego o wilgotności bezwzględnej 15% wynosi około 0,73 kg/dm³.[9] Zatem objętość podsuszonego drewna bukowego konieczna do wyprodukowania przy wykorzystaniu gazu drzewnego 1 kWh energii elektrycznej wynosi:

1,5 kg/kWh_e / 0,73 kg/dm³ ≈ 2,1 dm³/kWh_e

Uwzględniając podaną wyżej cenę wyjdzie nam, że koszt kupionego na wolnym rynku podsuszonego drewna bukowego potrzebnego do wytworzenia z gazu drzewnego 1 KWh prądu wynosi:

0,81 zł/dm³ x 2,1 dm³/kWh_e = 1,70 zł/kWh_e

Wobec tego cena kupionego na wolnym rynku podsuszonego drewna bukowego koniecznego do wytworzenia 1 kWh energii elektrycznej w agregacie prądotwórczym podłączonym do generatora gazu drzewnego jest około 2,2 raza wyższa od zakupu 1 kWh prądu systemowego według taryfy G-11 (przypomnijmy: 0,77 zł/kWhe). Czyni to pomysł wykorzystania takiego drewna w gazogeneratorze zupełnie nieopłacalnym.

Kolejnym składnikiem kosztu wytworzenia prądu z gazu drzewnego jest cena transportu drewna – w tym załadunku i wyładunku. Z przedstawionych wartości zużycia drewna wynika, że kto chce wytworzyć 3 000 kWh energii elektrycznej przy pomocy agregatu prądotwórczego napędzanego gazem drzewnym będzie musiał zakupić i dowieźć:

drewna świeżego:

2,14 kg/kWh_e x 3 000 kWh_e = 6 420 kg = 6,4 tony

bądź drewna podsuszonego:

1,5 kg/kWh_e x 3 000 kWh_e = 4 500 kg = 4,5 tony

Drewno do gazogeneratora musi być rozdrobnione w stopniu zależnym od konstrukcji urządzenia. Są na przykład generatory gazu, które należy ładować kawałkami o długościach boków około 5 cm. Nakłady – także własnej pracy fizycznej – poniesione na pocięcie drewna również trzeba wliczyć do kosztów wytworzenia energii elektrycznej.

W ogóle ze względów konstrukcyjnych obsługa agregatu prądotwórczego podłączonego do generatora gazu drzewnego jest bardziej czasochłonna i trudniejsza niż agregatu napędzanego benzyną.

Poza tym jeżeli zdecydujemy się na podłączenie domowej instalacji elektrycznej do agregatu z gazogeneratorem potrzebujemy miejsca do ustawienia aparatury i składowania drewna. W przypadku właścicieli domów jednorodzinnych nie musi to być problemem. Ale lokator mieszkania w bloku nie postawi raczej agregatu oraz gazogeneratora na trawniku pod oknami swoimi i sąsiadów i nie będzie tam trzymał drewna.

Jako podsumowanie niniejszych rozważań nasuwa się wniosek, że prąd wytwarzany w agregacie napędzanym gazem drzewnym można obecnie uznać za opłacalną alternatywę dla energii elektrycznej systemowej tylko w przypadku dysponujących czasem i przestrzenią domowych majster-klepków z dostępem do taniego drewna.

W 2023 roku i następnych latach – kiedy rachunki za prąd zapewne wzrosną pomimo częściowych osłon w postaci maksymalnych cen za energię elektryczną – krąg zainteresowanych gazem drzewnym raczej nie poszerzy się znacząco, gdyż prawdopodobnie ceny drewna też będą szły w górę i nie zwiększy się istotnie jego podaż.

Źródła:

[1] https://pl.wikipedia.org/wiki/Gaz_drzewny

[2] http://www.drewnozamiastbenzyny.pl/gazogenerator-czadnica-gazownica/

[3] https://youtu.be/BHgtXUFyDGM

[4] https://pl.wikipedia.org/wiki/Benzyna

[5] https://market.lotos.pl/sdscards/currentsds.aspx?number=GL/10/06&language=PL

[6] https://sites.google.com/a/wastepoweri.com/wte/home/technology-1/gasification

[7] http://www.drewnozamiastbenzyny.pl/temat/gaz-drzewny/produkcja/page/4/

[8] https://drawsko.szczecinek.lasy.gov.pl/aktualnosci/-/asset_publisher/1M8a/content/dobra-energia-drewna#

[9] https://www.instalacjebudowlane.pl/152-33-68-wartosc-energetyczna-drewna-opalowego--tabela.html

[10] https://niepolomice.krakow.lasy.gov.pl/sprzedaz-drewna-choinek-i-sadzonek#.Y2ZPenbMK3A

[11] https://kolumna.lodz.lasy.gov.pl/sprzedaz-drewna-choinek-i-sadzonek#.Y2ZQiXbMK3A