Bez energie nebude žádný trvalý rozvoj v africe
– case study pro súdánskou republiku
NO SUSTAINABILITY WITHOUT ENERGY IN AFRICA CASE STUDY SUDAN
OHNE ENERGIE KEINE NACHHALTIGE ENTWICKLUNG IN AFRIKA AM BEISPIEL DER REPUBLIK SUDAN
Doc. Dr.-Ing. Klaus Koppe, DrSc.
dlouholetého pedagoga TU Drážd‘any, Německo (D)
hostující profesor na VŠB-TU Ostrava (CZ)
Dr.-Ing. Arig G. Bakhiet
Biomass Department
Energy Research Institute (ERI)
P.O. Box 4032, Khartoum-Sudan
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Abstrakt
V současné době nemá přístup k elektrické energii 1,6 Mld lidí. 2,4 Mld jsou odkázány na využívání biomasy – dřeva, potravinářské odpady a hnoje – pro účely vaření a topení. Na venkově rozvojových zemí žijí 4 z pěti lidí bez elektrické energie. Po krátkém přehledu politické a hospodářské situace a představení významu energetického sektoru v Súdánské republice bude v této přednášce naznačena cesta řešení, jak lze zplyňováním odpadní biomasy produkovat elektrickou energii – bude představen koncept řešení.
Abstract
Today there 1.6 Mrd. person world wide with no connection to electricity services. Additionally there is 2.4 Mrd. people who are totally dependant on raw biomass i.e wood, dung or food waste to satisfy their energy needs. In the rural areas of the developing countries every 4 persons out of five had no electricity services. This papers examine the the possibility of erection gasification based power plant for electricity production in Sudan, taking into consideration the political and economical situation together with the current energy sitiuation. Further a concept for this power plant is presented.
Abstrakt
Derzeit haben 1,6 Mrd. Menschen keinen Zugang zu Elektrizität. 2,4 Mrd. Menschen sind zum Kochen und Heizen auf einfache Biomasse - Holz, Dung und Lebensmittelabfälle - angewiesen. In den ländlichen Gebieten der Entwicklungsländer leben vier von fünf Menschen ohne Elektrizität. Nach einem kurzen Überblick zur politischen und wirtschaftlichen Situation und der Bedeutung des Energiesektors in der Republik Sudan wird im folgenden Beitrag ein Weg aufgezeigt, wie man mit der Vergasung von Biomasseabfällen über einen Gasmotor Elektroenergie erzeugen kann. Ein mögliches Konzept wird vorgestellt.
Klíčová slova: energie, chudoba, biomasa, odpadní biomasa, zplynování, zplyňovací zařízení
Key words: energy, poverty, biomass, biomass resduies, gasification, gasification plants
Kennwörter: Energie, Armut, Biomasse, Biomasseabfälle, Vergasung, Vergasungsanlage
1 Úvod / introduction / Einleitung
Um den Kampf gegen die Armut in Afrika gewinnen zu können, muss die Energie-Armut beseitigt werden. Rund die Hälfte der afrikanischen Bevölkerung lebt in absoluter Armut, 70 Prozent sind auf traditionelle Biomasse als einzige Energieform angewiesen. Es gilt, die afrikanischen Länder dabei zu unterstützen, ihren großen Energiebedarf zu decken, um ihnen wirtschaftliches Wachstum zu ermöglichen. Dabei sollen vor allem erneuerbare Energien gefördert werden, um negative Auswirkungen auf das Klima möglichst zu vermeiden und um die Abhängigkeit der afrikanischen Volkswirtschaften von teurem Öl zu verringern.
Die International Energy Agency (IEA) [6] [7] stellt fest, dass gegenwärtig in den ländlichen Gebieten der Entwicklungsländer vier von fünf Menschen ohne Elektrizität leben. Geografisch konzentriert sich der Mangel auf Subsahara-Afrika sowie Süd- und Südost-Asien. Ohne Zugang zu bezahlbarer Energie wird es unmöglich sein, Wirtschaftswachstum zu erreichen sowie Gesundheits- und Bildungssysteme zu verbessern. Ohne eine sichere und preiswerte Versorgung der Menschen mit Energie insbesondere in Asien und Afrika ist keine wirtschaftliche Entwicklung möglich. Energie ist die Schlüsselfrage für die Überwindung der Armut.
2 politická a ekonomická situace / political and economical situation /
Politische und wirtschaftliche Situation
Die Republik Sudan ist ein Staat in Nordost-Afrika (Obrázek 1 / Figure 1 / Bild 1). Mit einer Fläche von über 2,5 Millionen Quadratkilometern ist das Land etwa siebenmal so groß wie Deutschland und größter Flächenstaat des Kontinents. Ca. 40 Millionen Menschen, verteilt auf über 550 Stämme mit mehr als 130 unterschiedlichen Sprachen, leben im Sudan. Das Pro-Kopf Einkommen der Bevölkerung beträgt weniger als 400 Euro. Die Ernährungslage der Bevölkerung ist vielerorts besorgniserregend. Naturgewalten und Dürreperioden verursachen periodische Hungerkatastrophen. Wassermangel und Desertifizierung behindern in weiten Landesteilen die Entwicklung.
Obrázek 1 / Figure 1 / Bild 1: Sudan
Süd- und Zentralsudan verfügen über reichhaltige Bodenschätze wie Erdöl, Erdgas, Gold, Diamanten, Magnesium, Eisen, Marmor, Gips, Granit und Uran. Die meisten Ölfelder wurden bisher noch nicht erschlossen. In einigen Fällen wurde nicht einmal die Konzessionen vergeben. Die Volkrepublik China ist der wichtigste Investor in Sudan. Etwa 6 bis 8 Prozent der gesamten Ölimporte Pekings kommen aus dem Sudan. Etwa ein Drittel des sudanesischen Erdöls wird nach China exportiert.
Trotz des oben genannten Ölbooms und dem Wirtschaftswachstum von 7% leidet die sudanesische Wirtschaft unter Zerstörung der Infrastruktur, unter Missmanagement und vor allem unter den innenpolitischen Konflikten. Zusätzlich zum vorgenannten Erdöl exportiert der Sudan traditionell Baumwolle, Sesam, Erdnüsse und Häute. Weitere Erzeugnisse der Landwirtschaft sind Zuckerrohr, Weizen, Hirse und Sorghum. Außerdem ist der Sudan Haupterzeuger von Gummi-Arabikum, das vom Harz der Akazien in Kordofan gewonnen wird. Der Sudan importiert vorwiegend Maschinen, Ersatzteile, Chemikalien, Medikamente, Nahrungsmittel und Textilien.
3 Energetický sektor / energy sector / Energiesektor
Zentrale Bedeutung kommt dem Energiesektor zu. Mit einer Erzeugungskapazität von derzeit nur ca. 4 Millionen kWh kann der Bedarf des Landes nicht annähernd gedeckt werden (Obrázek 2 a 3 / Figure 2 and 3 / Bild 2 und 3). Stromausfälle sind an der Tagesordnung. Dezentrale Kraftwerke, als die gegenwärtigen Elektrizitäts-produktionsbetriebe, decken nur die Versorgung von 13 % der Bevölkerung ab. Die Kraftwerkskapazitäten sollen durch Großprojekte erhöht werden.
Obrázek 2 : Podíl primární energie na dodávkách v roce 2006 [7]
Figure 2: Share of total primary energy supply in 2006 [7]
Bild 2: Primärenergie-Anteil an der Gesamtenergieversorgung im Jahr 2006 [7]
Obrázek 3: Produkce elektrické energie dle sektoru [7]
Figure 3: Electricity generation by fuel [7]
Bild 3: Elektrizitätserzeugung aus Wasserkraft und Erdöl [7]
Nirgendwo sonst auf der Erde wird weniger Energie pro Einwohnen verbraucht als in Afrika. Dementsprechend gering ist auch der CO2-Ausstoss (Obrázek 4 / Figure 4 / Bild 4).
Obrázek 4: Spotřeba primární energie, spotřeba proudu a producke CO2 na obyvatele
Figure 4: Primary energy need, Requirements of electric current and CO2-Output for each inhabitants
Bild 4: Primärenergiebedarf, Strombedarf und CO2-Ausstoß je Einwohner
4 Fosilní energie / fossil fuel / Fossile Energien
Der Sudan verfügt über so genannte nachgewiesene Reserven von 5 Milliarden Barrel Rohöl (Obrázek 5 / Figure 5 / Bild 5). Zurzeit werden davon etwa 1 Million Barrel pro Tag gefördert. Hauptbezieher des sudanesischen Rohöls sind derzeit Japan, gefolgt von China, Südkorea, Indonesien und Indien.
Im Land gibt es zudem umfangreiche Erdgasvorkommen, deren Größenordnung aufgrund fehlender technischer Infrastruktur und verlässlichen Daten zurzeit noch gar nicht bekannt ist. Experten gehen aber davon aus, dass diese die Erdölvorkommen bei Weitem übersteigen.
Nahe der sudanesischen Hauptstadt befindet sich übrigens mit einer Leistung von 257 MW das größte von Dieselmotoren angetriebene Kraftwerk der Welt.
Kohle ist nicht verfügbar. Atomkraftwerke gibt es nicht.
5 Obnovitelné energie / renewable energy / Erneuerbare Energien
Afrika besitzt ein gewaltiges Potenzial für die Produktion umweltverträglicher Energie. Allein die Wasserkraft könnte einen entscheidenden Anteil zur Lösung des Energieproblems leisten. Momentan dient vor allem der Industrie und den Städten, nicht aber der Mehrzahl der armen Menschen auf dem Land.
Großprojekte, wie etwa der Merowe-Staudamm, am Nil etwa 350 Kilometer nördlich von Khartum gelegen, sind umstritten. 50.000 Menschen müssen vom fruchtbaren Niltal in die nubische Wüste umgesiedelt werden. Der Damm ist insgesamt 9.200 m lang und bis zu 67 m hoch. Die Kraftwerksleistung beträgt 1.250 MW. Das Regelarbeitsvermögen wird bei einer Auslastung von 50 % auf jährlich 5.500 GWh geschätzt, damit wird die bisherige sudanesische Stromproduktion mehr als verdoppelt. Zwecke des Dammes sind neben der Stromgewinnung die Schaffung neuen Ackerlandes, Schutz vor Überflutungen des Nils sowie die Reduzierung von problematischen Sedimentansammlungen im 350 km stromabwärts liegenden Assuan-Staudamm. Es gibt aber auch durchaus gelungene Modellprojekte für kleine, regionale Wasserkraftwerke.
Obrázek 5: Majitelé a zásoby v Top African Proven Oil, 2007
Figure 5: Top African Proven Oil Reserve Holders, 2007
Bild 5: In Afrika nachgewiesene Erdölreserven, 2007
Obrázek 6: Spotřeba a produkce nafty v Súdánu, 1986-2006
Figure 6: Sudan’s Oil Production and Cosumption, 1986-2006
Bild 6: Sudans Erdölgewinnung und -verbrauch, 1986-2006
Sonnen- und Windenergie sowie Geothermie spielen bislang keine nennenswerte Rolle. Allein die Solartechnik scheint auf lange Sicht geeignet, das Energieproblem zu lindern.
6 biomasa a odpadní látky / biomass and waste / Biomasse und Abfallstoffe
In Afrika wird über die Hälfte der Energie aus Holz gewonnen. Für eine Reihe afrikanischer Staaten liegt der Anteil bei über 80%. Dabei werden pro Person für Haushaltszwecke 500 bis 700 kg im Jahr benötigt. Das macht ungefähr zwei kg Holz pro Tag. Dort, wo Biomasse in traditioneller Weise energetisch genutzt wird, geschieht das oft technisch ineffizient.
Biomasse in Form von Brennholz, landwirtschaftliche Reststoffe und Tierdung waren und sind die Energieträger der ärmeren Bevölkerungsgruppen. Die Suche nach alternativen Energien war bislang wenig erfolgreich. Forschungsaktivitäten, die sich den erneuerbaren Energieträgern widmen, sind aber durchaus viel versprechend. Ihr Einsatz erfolgt einerseits naturwissenschaftlichen Erkenntnissen und andererseits volkswirtschaftlichen Erwägungen und ist dezentral und netzungebunden möglich. Möglich ist die Gewinnung von Biogas aus Wasserhyazinthen. Es scheint zunächst ein schier unerschöpflicher Rohstoff (auf einem Quadratkilometer wachsen jährlich rund 3 Tonnen). Jedoch stellte sich heraus, dass die Pflanze für die Produktion von Gas nicht so recht geeignet ist. Versuche, Energie aus Baumwollstengeln oder Maisstroh zu gewinnen, haben ebenfalls nicht den gewünschten Erfolg gebracht.
In einer umfangreichen Studie [5] wurde die Möglichkeit der Stromproduktion durch Vergasung von landwirtschaftlichen Abfällen untersucht. Das geschätzte Potential landwirtschaftlicher Abfälle liegt bei ca. 13.000 Tonnen/Jahr (Tabulka 1 / Table 1 / Tabelle 1). Kokos- und Erdnussschalen sind durchaus geeignet. Die experimentellen Arbeiten zeigen, dass Erdnussschalen in einem Festbett-Gleichstrom-Vergaser vergast werden und durchaus akzeptable Gaseigenschaften erreicht werden können.
Tabulka 1: Odpadní biomasa v Súdánu v tis. tunách [2], [3]
Table 1: «Biomass wastes» in the Sudan in thousand tons [2], [3]
Tabelle 1: «Biomasseabfälle» im Sudan in Tausend Tonnen [2], [3]
(Quelle: Ministerium für Energie, Sudan, 2001)
*) die Kutkihirse (Panicum sumatrense) besonders in Indien
und auf Ceylon verbreitet.
Der Heizwert des Produktgases schwankt zwischen 3 und 6 MJ/Nm3 und liegt im Mittel bei 4 MJ/Nm3 (Obrázek 7 / Figure 7 / Bild 7). Die Zusammensetzung des Produktgases hängt von der Vergasungsatmosphäre (bei den vorliegenden Untersuchungen ist es die autotherme Vergasung mit Luft) ab. Dabei liegt der Anteil von CO und CO2 jeweils zwischen 11 und 22 Vol.-%, von H2 zwischen 6 und 15 Vol.-% und von CH4 zwischen 2 und 6 Vol.-% (Obrázek 8 / Figure 8 / Bild 8) [1], [4], [5]. Unter diesen Verbindungen leisten Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan den wesentlichsten Beitrag zum Heizwert. Daneben entstehen feste Rückstände, wie Asche und nicht umgesetzter Kohlenstoff (Koks). Eine gründliche Gasreinigung und eine optimale Anpassung des Gases an die jeweiligen Forderungen der Anlage sind die Voraussetzungen zur späteren Gasnutzung. Erdnusskerne haben einen hohen Proteingehalt und sind deshalb eine wichtige Ernährungsquelle für viele Länder. Die Schale selbst (als Reststoff) hat einen relativ hohen Heizwert und kann deshalb zur Energiegewinnung genutzt werden. Die Elementaranalyse zeigt, dass wichtige chemische und physikalische Parameter mit denen von Holz vergleichbar sind. Die Asche enthält keine giftigen Komponenten und ist damit als Düngemittel geeignet und kann darüber hinaus auch auf einer Deponie problemlos entsorgt werden (Tabulka 2 / Table 2 / Tabelle 2).
Tabulka 2: Elementární, anylýza popela a jeho vlastností ořechových slupek [1], [3], [4], [5]
Table 2: Elementary analysis, ash analysis and ash fusion behaviour of groundnuts shells [1], [3], [4], [5]
Tabelle 2: Elementaranalyse, Ascheanalyse und Ascheschmelzverhalten von Erdnussschalen [1], [3], [4], [5]
Obrázek 7: Složení plynu při zplyňování ořechových skořápek [1], [4], [5]
Figure 7: Composition of the product gas of groundnuts shells [1], [4], [5]
Bild 7: Zusammensetzung des Produktgases von Erdnussschalen [1], [4], [5]
Im Ergebnis der Untersuchungen wird ein Konzept für ein Biomassekraftwerk (Obrázek 9 / Figure 9 / Bild 9 vorgeschlagen, dessen Hauptkomponenten ein Festbett-Gleichstrom-Vergaser in Verbindung mit einem mehrstufigen Gasreinigungssystem (Zyklone, Wäscher und Filter) sowie ein Gasmotor und ein Generator sind. Ein mechanisches Aschesystem ergänzt die Anlage.
Obrázek 8: Výhřevnost plynu vzniklého z ořechových slupek [1], [4], [5]
Figure 8: Gas heat value of groundnuts shells [1], [4], [5]
Bild 8: Gasheizwert von Erdnussschalen [1], [4], [5]
Eine gezielte Aufbereitung der Biomasse (Korngröße) vor dem Vergasungsprozess ist erforderlich. Nach Zerkleinerung und Trocknung zur Reduzierung des Wassergehaltes erfolgt die Klassierung. Nicht vernachlässigbar ist die Schüttdichte.
Obrázek 9: Koncept výroby energie [5]
Figure 9: Power generation concept [5]
Bild 9: Stromerzeugungskonzept [5]
7 Závěr / summary / Zusammenfassung
Länder und Regionen ohne stabile Stromversorgung sind für die Wirtschaft uninteressant und verfestigen die Armut. Die Länder Afrikas besitzen ein gewaltiges Potential zur Erzeugung umweltverträglicher Energien. Es gilt die traditionellen Wirtschaftsstrukturen mit den Anforderungen des Rohstoffreichtums in Übereinstimmung zu bringen. Ohne den Zugang zu bezahlbarer Energie wird es unmöglich sein, Wirtschaftswachstum zu erreichen sowie Gesundheits- und Bildungssysteme zu verbessern. Die Zukunft liegt in kleinen, dezentralen Kraftwerken. Der Einsatz von fester Biomasse in Vergasungsprozessen wird aufgrund ihrer CO2-neutralen Klimabilanz künftig einen höheren Stellenwert bekommen. Das gereinigte Produktgas kann problemlos einem Gasmotor zugeführt werden. Die technische Entwicklung der Stromerzeugung über die Biomassevergasung befindet sich allerdings noch im Entwicklungs- und Demonstrationsstadium. Für einen breiten Durchbruch fehlen die Praxiserfahrungen im Dauerbetrieb.
Literatura / Literature / Literatur
[1] Bakhiet, A. G.; Gebauer, K., Koppe, K.:
Untersuchungen zur Vergasung landwirtschaftlicher Abfälle mit dem Ziel der Stromerzeugung. Investigating on the gasification suitability of agricultural residues for electricity generation.
In: VII. Mezinárodní konferenci Ostrava 2003, S. 122-129
[2] Bakhiet, A. G.:
Untersuchungen der Möglichkeiten der Vergasung von landwirtschaftlichen Abfällen zur Erzeugung von Strom im Sudan. In: DFG-Graduiertenkolleg 338 „Lokale innovative Energiesysteme“ Abschlussworkshop 2005, S. 53-56
[3] Koppe, K., Bakhiet, A. G.:
Vergasung landwirtschaftlicher Abfälle mit dem Ziel der Stromerzeugung. Vortrag Seminar Energieverfahrenstechnik, TU Dresden 2005
[4] Bakhiet, A.; Gebauer, K.; Koppe, K.:
Vergasung landwirtschaftlicher Abfälle mit dem Ziel der Stromerzeugung. In: Bilitewski, B.; Schnurer, H.; Zechmar-Lahl, B. (Hrsg.): Müllhandbuch. Erich Schmidt Verlag Berlin 2006. ISBN: 3-503-02830-7. Loseblattwerk, 10828 S. Bd. 4 (Kennzahl 7415) S. 1-9 http://www.muellhandbuchdigital.de/doi/MuA_7415/dokument.html
[5] Bakhiet, A. G.:
Investigation of Agricultural Residues Gasification for Electricity Production in Sudan as an Example for Biomass Energy Utilization under Arid Climate Conditions in Developing Countries. Dissertation TU Dresden 2008. Verlag TUDpress Dresden 2008. ISBN 978-3-940046-82-6. 167 S.
[6] http://www.iea.org/
[7] http://www.iea.org/Textbase/country/n_country.asp?COUNTRY_CODE=SD
© Koppe 2009
