Bioenerģijas Observatorija

Degšanas procesa modelēšana  2024. gada jūnijs

Izpētīta iespēja matemātisko modelēšanu integrēt ZKB kurināmo granulu paraugu degšanas procesa eksperimentālajā pētījumā. Zinot parametrus, kas būtu jānoskaidro ZKB kurināmo granulu sadedzināšanas procesa izpētes laikā (termodinamika, gāzveida emisijas, PM emisijas, pelni un sakūšņi), tika precizēta šo parametru matemātiskai modelēšanai piemērotā programmatūra. Lai identificētu programmatūru, tika izvēlēta bibliometriskās analīzes metode. Bibliometriskā analīze tika veikta SCOPUS datubāzē. Rezultātā tika identificētas divas programmatūras: ANSYS Fluent programmatūra ir piemērota termodinamisko procesu un gāzveida emisiju plūsmu modelēšanai, vienlaikus XDEM programmatūra ir ideāli piemērota daļiņu plūsmu modelēšanai un pelnu/sakūšņu akumulācijas ģenerēšanai. Plānots izmatot šīs programmas tālākajā darbā. Uzsākti pasākumi, kuru mērķis ir apmācīties lietot minētās programmatūras (piem., pareizā modeļa izveide un iestatīšana, teorētiskais pamatojums, rezultātu interpretēšana utt.).

Dalība starptautiskā zinātniskā konferencē CONECT 2024. gada maijs

Projekta dalībnieki aktīvi piedalījās starptautiskā zinātniskā konferencē CONECT 2024, kas norisinājās no 15 līdz 17 maijam Rīgā, Latvijā. Konferencē tika organizēta atsevišķa sesijas par bioresursu ilgtspējīgu izmantošanu un alternatīvas biomasas izmantošanas potenciālu enerģētika. Kopumā notika divas uzstāšanas ar prezentācijām:

1. V. Kirsanovs “Biomass diversification for heat production: from theory to practice”;
2. M. Dzikēvičs “Overview of low-quality biomass pellet combustion process mathematical modelling”

Un divas uzstāšanas ar posteri:

1. O. Švedovs “Bibliometric Analysis of the Modelling of Low Quality Biomass Pellets Combustion”
2. V. Priedniece “Search for alternative raw materials for pellet production – a preliminary study”

Tika nodibināti kontakti ar vairākiem ārzemju zinātniekiem un tika vienots par sadarbības veicināšanu alternatīvas biomasas izpētē.

Sakušņu veidošanās problēma 2024. gada maijs

Biomasas sadedzināšanas procesā veidojas pelni. Atkarībā no biomasas veida pelnu daudzums var variēt no mazāk kā 1% līdz aptuveni 13%. Atkarībā no biomasas veida mainās gan ķīmiskais sastāvs, gan fiziskās īpašības kā blīvums. Šīs biomasas īpašības ietekmē gan degšanas procesu, gan kā uzvedās biomasas pelni, kas palikuši no degšanas procesa. Ja pelniem ir zema kušanas temperatūra, tad tiem ir lielāka iespēja izkust, salipt kopā ar citām daļiņām vai pielipt pie katla iekšējām virsām, un radīt problēmas katla darbībā vai ilgizturībā. Tāpēc vēlama biomasas īpašība ir augsta pelnu kušanas temperatūra. Pelnu kušanas temperatūru ietekmē tādi aspekti kā silikātu un fosfora daudzums (jo vairāk, jo zemāka kušanas temperatūra) vai kalcija un magnija daudzums (jo vairāk, jo augstāka kušanas temperatūra). Tā kā katla dizains būtiski ietekmē degšanas procesu, tad jaunas degvielas izstrādei ir nepieciešamas noteikt iespējamās kušanas temperatūras un izvērtēt iespējamās izmaiņas katla dizainā vai darbībā, lai mazinātu sakušņu veidošanos.

Biomasas resursu novērtēšanas rīka izstrāde 2024. gada aprīlis

Tika uzsākts darbs pie kompleksa biomasas resursu novērtēšanas rīka izstrādes. Rīka izstrāde notika balstoties uz veikto izpēti par alternatīvas biomasas izmantošanu granulu ražošanā un to sadedzināšanas procesa raksturojumu. Pašreiz indekss iekļauj tehnoloģisko un vides dimensijas un ietver tādus indikatorus kā granulu sadegšanas siltums, pelnu saturs, tilpuma blīvums, mehānisko izturība, pelnu kušanas temperatūru, degšanas procesa radītas emisijas (CO, NOx, PM), katla efektivitāti un citus.

Izmantojot novērtēšanas rīku tika aprēķināts 8 dažādu biomasas granulu  ilgtspējas indekss.  Visaugstāko rezultātu ieguva koksnes granulām, tiem seko alus drabiņu, koku lapu un kaņepju granulas. Tiks turpināts darbs pie biomasas resursu novērtēšanas rīka pilnveidošanas, paplašinot indeksu ar citiem indikatoriem.

Granulu dzīves cikla novērtējums 2024. gada aprīlis

Dzīves cikla analīze veikta granulām ar visaugstāko potenciālu – koksnes, alus drabiņu, lapu un kaņepju. Dzīves cikla analīzes mērķis bija noteikt ietekmi uz vidi, ko rada granulas, iekļaujot audzēšanas, ražošanas un sadedzināšanas posmu. Audzēšanas posms tika iekļauts koksnes, lapu un kaņepju granulu gadījumā. Analīzē izmantoti dati no literatūras. Alus drabiņu granulu gadījumā pieņemts, ka granulu ražošanā izmantots materiāls, kas paliek kā blakusprodukts pēc alus ražošanas. Granulu ražošanas un sadedzināšanas posmā lielākā daļa no izmantotajiem datiem iegūti eksperimenta laikā. Granulu ražošanas posms iekļauj izmantoto elektroenerģijas patēriņu biomasas apstrādē un granulu presēšanā, bet sadedzināšanas posmā – emisiju apjoms, kas rodas sadedzināšanas laikā (CO, NOx, PM), kā arī elektroenerģijas patēriņu katla darbināšanai. Par funkcionālo vienību pieņemta 1 MWh siltumenerģija. Līdz šim analizēti bāzes un alternatīvie scenāriji. Alternatīvo scenāriju mērķis ir apzināt tos procesus vai darbības, kurus iekļaujot tiktu panākts ietekmes samazinājums, piemēram, elektroenerģijas izmantošana no AER, dūmgāzu attīrīšanas iekārtas izmantošana, biomasas un granulu transportam izmantota kravas automašīna, kas rada mazāk emisiju, kā arī apskatīts scenārijs, kas neiekļauj biomasas audzēšanas posmu.

PM risku novērtējums 2024. gada marts

Veikta literatūras analīze par cietajām daļiņām (particulate matter – PM), kas veidojas biomasas degšanas procesā. Raksturota PM veidošanās dabiskos un mākslīgos procesos, to iedalījums pēc izmēriem un īpašībām. Aplūkota PM radītā ietekme uz vidi, īpaši augu attīstību un ietekme uz cilvēkiem.

Analizēts PM sastāvs dažāda veida koksnes, biomasas un fosilas izcelsmes materiāliem, lai identificētu visbiežāk sastopamos ķīmiskos elementus un potenciālās problēmas no materiāla ķīmiskā sastāva.

Veikta izpēte par analīzes metodēm un tehnoloģijām, kas tiek izmantotas PM un biomasas materiālu ķīmiskā sastāva noteikšanai.

Identificēti ķīmiskie elementi, kas vistiešāk ietekmē pelnu kušanas temperatūras izmaiņam.

Sadarbībā ar RTU “Materiālu un virsmu tehnoloģijas institūtu” veiktas pirmās ķīmiskās analīzes zeltslotiņas un kaņepju pelniem, izmantojot EDX un XRD metodes. Rezultāti iekļauti publikācijā. Paralēli norit darbs pie ICP-OES testēšanas pilnveides alternatīvas biomasas pelnu ķīmisko analīžu veikšanai.

Biomasas diversifikācija lielas jaudas biomasas katlos 2024. gada marts

Balstoties uz veikto literatūras un statistisko datu analīzi aktivitātē 2.4. “Centralizētas siltumapgādes tehnoloģiju novērtējums” tika secināts par potenciāliem risinājumiem biomasas diversifikācijai lielas jaudas biomasas katlos. Aktivitātes 4.2. “Alternatīva biokurināma izmantošana centralizētā siltumapgādē”  ietvaros tika veikta eksperimentāla izpēte šķeldu katlā ar nominālo jaudu 2 MW. Tika izvērtētas iespējas aizstāt šķeldu ar zemākas kvalitātes kurināmo – koksnes mizu.  Papildus tika aplūkots degšanas procesa uzlabošanas iespējas pievienojot biomasu ar augstāko kvalitāti – koksnes skaidas un saulespuķu granulas. Eksperimentālas izpētes rezultāti liecina par to ka pastāv iespējas veikt biokurināmā diversifikāciju esošos energoavotos, vienlaikus: 1) zemākas kvalitātes biomasas (miza) izmantošana pazemina degšanas procesa efektivitāti un palielina gāzveida emisijas; 2) sausas biomasas (granulas un skaidas) pievienošana pie zemākas kvalitātes biomasas uzlabo energoefektivitāti un emisiju radītājus. Eksperimentāla izpēte turpināsies meklējot labākus pieejamus risinājumus biomasas diversifikācijai.

Granulu degšanas procesa optimizācija 2024. gada februāris

Maisījuma lapu un koksnes granulām tika veikts degšanas procesa optimizācijas eksperiments, kurā tikai mainīts skābekļa koncentrācijas daudzums dūmgāzēs. No iegūtiem datiem var secināt, ka gaisa padošanas biežums ietekmē granulu degšanas procesu, līdz ar to arī emisiju daudzumus dūmgāzēs un katla efektivitāti. Pārāk daudz gaisa palielinās emisiju rādītājus un samazinās katla efektivitāti, bet arī pārāk maz gaisa uzrādīs tādu pašu tendenci, tāpēc katram biomasas veidam ir nepieciešams veikt optimizācijas testus, lai noteiktu efektīvāko gaisa padošanas biežumu, kad ir vismazāk emisiju un augstākā katla efektivitāte. Granulu katlā ir iespējams mainīt arī granulu padošanas biežumu, tāpēc ir svarīgi atrast līdzsvaru starp gaisa un granulu padošanas biežumu, lai degšanas procesam pietiktu granulu un sadegot tās uzrādītu zemus emisiju rādītājus un augstu katla efektivitāti.

Kokvilnas atkritumu enerģijas reģenerēšana 2024. gada janvāris

Ceļā uz klimatneitrālu un t.s. “zero-waste” ekonomiku tika izpētīts gadījums koksnes izejvielas daļas aizstāšanai kurināmās granulās ar kokvilnu, atgūtu no sašķirotā nolietotā apģērba un citiem tekstilizstrādājumiem. Gadījuma izpētes laikā tika izveidoti koksnes kurināmo granulu paraugi ar 10%, 20%, 30% un 40% atgūtas kokvilnas īpatsvaru. Tika noteiktas izveidoto paraugu kurināmajam raksturīgo īpašību vērtības – sadegšanas siltums, mitruma saturs, pelnu saturs un ķīmiskais sastāvs. Paraugu degšanas process tika izpētīts mazas jaudas cietā kurināmā granulu katlā un iegūti rezultāti par saražoto siltumu, kā arī par dūmgāzu konsistenci, tai skaitā PM koncentrācija. Rezultāti liecina, ka šāds kokvilnas utilizēšanas veids, kas pēc būtības nozīmē kokvilnas tekstilizstrādājumu atkritumos uzkrātās enerģijas reģenerāciju, ir zinātniski pamatojams, kamēr nav sasniegta pilnīga atkritumu recirkulācija.

Granulu degšanas process 2023. gada decembris

Nekoksnes biomasas degšanas procesa izpēte notika Rīgas Tehniskās universitātes Vides aizsardzības un siltuma sistēmu institūta Vides monitoringa laboratorijā, kur atbilstoši LVS EN 303-5 standartam ir izveidots eksperimentālais stends. Degšanas procesa izpēte katram kurināmajam notika 3 stundas. Tika mērīts dūmgāžu ķīmiskais sastāvs, cieto daļiņu daudzums un aprēķināta katla efektivitāte. Nekoksnes biomasas veidi salīdzināti savā starpā un ar Ekodizaina direktīvu, Ekomarķējumu un LVS EN 303-5 standarta 3. klasi. Pirmajā kārtā tika notestēti 13 dažādu biomasas granulu veidi.

Granulu testēšana 2023. gada novembris

Lai novērtētu saražoto granulu kvalitāti, tika veikta to testēšana Rīgas Tehniskās Universitātes Vides aizsardzības un siltuma sistēmas institūta Vides monitoringa laboratorijā. Vides monitoringa laboratorija ir ieguvusi akreditāciju cietā energoresursa (ieskaitot biokurināmo) testēšanas pakalpojumiem. Noteikti sekojošie granulu parametri, balstoties uz ISO cietā kurināmā testēšanas standartiem: mitruma saturs (%), mehāniskā ilgizturība (%), tilpuma blīvums (kg/m3), augstākais un zemākais sadegšanas siltums (MJ/kg), pelnu kušanas temperatūra (⁰C).

Granulu presēšana 2023. gada oktobris

Biomasas piemērotība izmantošanai kā kurināmais, tiek pārbaudīta granulu katlos, kas paliek aizvien populārāk. Laboratorijas līmeņa granulu ražošana notiek mazos apmēros (aptuveni 20 kg porcijas)  un ar nelielas jaudas iekārtu. Iekārta teorētiski sastāv no divām daļām, kas ir piespiestas viena otrai ar nelielu spēku. Apakšējā daļa ir apaļš disks ar konus-veida caurumiem (matrica), kur tiek sapresēta biomasa. Apakšējā daļa ir pievienota elektromotoram, kas to griež. Augšējā daļa sastāv no ruļļiem (piespiedējruļļi), kas griežas dēļ tā, ka ir piespiesti matricai. Biomasa piespiešanas vietā tiek izspiesta matricā un tiek izveidotas granulas. Procesā ir ievērojama berze, tāpēc tiek sasniegta līdz 90 ^oC grādu temperatūra, kas aktivizē lignīnu biomasā un uzlabo granulu izturību. Taču pirms ražošanas biomasu vajag sagatavot – sasmalcināt (3 – 5 mm) un sasniegt atbilstošo mitruma līmeni (12 – 18 %). Ja tiek veidotas granulas no dažādām biomasām, tās nepieciešams vienmērīgi sajaukt.

Biomasas testēšana 2023. gada septembris

Balstoties uz Latvijā pieejamās biomasas inventarizāciju, tika savākta un uz laboratoriju nogādāta dažāda veida biomasa. Uzreiz pēc biomasas nogādāšanas laboratorijā, tika paņemta reprezentatīva masa mitruma noteikšanai. No mitruma testa iegūtā biomasa  tika sasmalcinātā pulverveida formā (daļiņu izmērs < 1 mm), kas izmantots sekojošajiem testiem: analizējamā parauga mitruma saturs (%), pelnu saturs (%), siltumspēja (MJ/kg), pelnu izkausējamība (C°). Gandrīz visi testētie biomasas veidi uzrādīja pelnu saturu > 2 %, kas nozīmē, ka lielākā daļa alternatīvu biomasas veidu radīs papildus apkopi sadegšanas katlos, ja tās tiks izmantotas atsevišķi. Siltumspēja lielākajai daļai no testētajiem biomasas veidiem ir > 16,5 MJ/kg, kas norāda uz potenciālu izmantot šo biomasu granulu ražošanai un siltumenerģijas iegūšanai. Lielākā daļa no testētajiem paraugiem uzrādīja pelnu kušanas temperatūru zemāku par 1100 C°, norādot uz potenciālu pelnu izkušņu veidošanās risku.

Biomasas vākšana 2023. gada augusts

Projekta ietvaros uzsvars tiek likts uz jaunu nekoksnes biomasas granulu ražošanu, testēšanu un novērtēšanu. Eksperimentu veikšanai bija nepieciešams ievākt apmēram 50 kg dažādas biomasas, lai varētu tās notestēt. Kopumā tika ievākta zāle, lapas, niedres, zeltslotiņas, alus drabiņas, salmi, griķi, kokvilna un kaņepes. Laboratorijas apstākļos biomasa tika arī kaltēta, lai to varētu izmantot tālāk granulu ražošanai.

Dalība starptautiskā zinātniskā konferencē CONECT 2023 2023. gada maijs

Notika uzstāšanas ar projekta rezultātiem starptautiskā zinātniskā konferencē CONECT 2023, kas norisinājās no 10 līdz 12 maijam Rīgā, Latvijā. V. Kirsanovs  prezentēja pirmos rezultātus no projekta par ilgtspējīgu biomasas izmantošanu un nepieciešamību virzīties uz alternatīvas biomasas izmantošanu siltumapgādē. Savukārt O. Švedovs uzstājas ar posteri “Bibliometric Analysis of the Alternative Biomass Types and Biomass Combustion Technologies”. Konferences laikā notika tīklošanas pasākumi ar dažādu valstu zinātniekiem un notika diskusijas par biomasas lomu enerģētikā nākotnē.

Biomasas inventerizācija 2023. gada marts

Šobrīd galvenā enerģijas iegūšanai izmantotā biomasa ir koksne, kas kopā patēriņā veido 64 PJ Latvijā. Lai šo enerģijas daudzumu aizvietotu ar zemākas kvalitātes jeb alternatīvu biomasu tika veikts materiālu plūsmu izvērtējums. Lai vizualizētu materiālu plūsmas tiek izmantota Sankey diagrammu pieeja. Šajās diagrammās ir redzams, kādi ir pieejamie resursu apjomi un kādi daudzumi tiek izmantoti. Ir veikta biomasu kā koksnes, salmu, lapu, drabiņu un niedru inventerizācija un plūsmu izveide. Lielai daļai izejvielu nav pieejami dati par to apjomiem, tāpēc būtiska nozīme ir pieņēmumiem. Attiecīgie pieņēmumi, kur iespējams, ir balstīti uz zinātnisko literatūru, saistītiem statistikas datiem un citu valstu datiem.