Systemy logistyki pozyskiwania biomasy drzewnej z lasów

Transkrypt

1 Monika Pecyna 1, Monika Stoma 2, Grzegorz Maj 3, Wiesław Piekarski 4 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Systemy logistyki pozyskiwania biomasy drzewnej z lasów Wstęp Polskie lasy posiadają ogromne zasoby drewna, które wpływają na rozwój energetyki i ciepłownictwa poprzez dywersyfikację źródeł energii. Zarówno lasy państwowe, jak i prywatne wytwarzają bardzo duże ilości surowca potrzebnego do produkcji peletu. Wytwarzanie peletu oparte jest na pozyskiwaniu odpadów, głównie trocin, które pochodzą z przemysłu drzewnego, tartaków i zakładów meblarskich. Ważne jest, by charakteryzowały się niską wilgotnością, dzięki czemu proces technologiczny będzie wydajniejszy i szybszy, a jakość peletu lepsza. Jednakże istnieją ograniczenia dostępności takiego surowca, co przekłada się na wzrost cen trocin. Biomasa według Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE to ulegająca biodegradacji część produktów, odpadów lub pozostałości pochodzenia biologicznego z rolnictwa (łącznie z substancjami roślinnymi i zwierzęcymi), leśnictwa i związanych działów przemysłu, w tym rybołówstwa i akwakultury, a także ulegającą biodegradacji część odpadów przemysłowych i miejskich [11]. Natomiast według Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dn. 14 sierpnia 2008 r. (Dz. U. z 28 sierpnia 2008 r. Nr 156, poz. 969 ze zm.) biomasa to stałe lub ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także przemysłu przetwarzającego ich produkty, a także części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji, oraz ziarna zbóż niespełniające wymagań jakościowych dla zbóż w zakupie interwencyjnym określonych w art. 4 rozporządzenia Komisji (WE) nr 687/2008 z dnia 18 lipca 2008 r. ustanawiającego procedury przejęcia zbóż przez agencje płatnicze lub agencje interwencyjne oraz metody analizy do oznaczania jakości zbóż (Dz. Urz. UE L 192 z , str. 20) i ziarna zbóż, które nie podlegają zakupowi interwencyjnemu [2]. Zasoby leśne w Polsce W Polsce, według danych GUS, w okresie ostatnich 20 lat nastąpił wzrost powierzchni lasów z tys. ha (powierzchnię lasów w 1990 r. zwiększono o oszacowaną na około 190 tys. ha powierzchnię gruntów związanych z gospodarką leśną) do tys. ha w 2012 r. [6], tj. o 486 tys. ha. W tym okresie odnotowano również wzrost lesistości z 27,8% do 29,3% [6]. Lasy stanowią istotne miejsce w strukturze użytkowania terenu kraju. Jednakże stopnień zalesienia poszczególnych województw jest zróżnicowany. Obszary Polski środkowo wschodniej, tj. województwo łódzkie, mazowieckie, lubelskie wykazują się najmniejszą lesistością, natomiast duży stopień zalesienia występuje na północy i zachodzie Polski w województwach, do których można zaliczyć: lubuskie, pomorskie, zachodniopomorskie, warmińsko mazurskie, a także podkarpackie [6]. Wzrost stopnia lesistości w Polsce przyczynił się do zwiększenia możliwości pozyskiwania drewna z lasów na cele energetyczne. Potencjał techniczny biomasy leśnej do energetycznego wykorzystania oszacowano na poziomie 7,15 mln ton w 2020 roku, a prognozy potencjału ekonomicznego są porównywalne z potencjałem rynkowym [10]. Generalna Dyrekcja Lasów Państwowych przewiduje, że 2-2,5 mln m 3 odpadów drzewnych pozostaje w lasach ze względu na ograniczony popyt. Ocenia się, że ze 100 m 3 drewna, które zostało pozyskane z 1 mgr inż. M. Pecyna, doktorantka, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Energetyki i Pojazdów 2 dr hab. M. Stoma, adiunkt, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Energetyki i Pojazdów 3 dr inż. G. Maj, adiunkt, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Energetyki i Pojazdów 4 prof. dr hab. W. Piekarski, profesor zwyczajny, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Energetyki i Pojazdów 284

2 przemysłu drzewnego, otrzymuje się ok. 60% odpad ów drzewnych, w tym ok. 10 m 3 kory, 15 m 3 drobnicy gałęziowej, 20 m 3 odpadów kawałkowych, 19 m 3 trocin i zrębków, 36 m 3 tarcicy, a także produktów finalnych z grubizny. Zakładając, że pozyskiwane jest ok. 15,5 mln m 3 drewna w ciągu roku na potrzeby produkcyjne, z czego ok. 60% stanowią odpady, można oszacować, iż w przemyśle drzewnym powstaje rocznie ok. 9,4 mln m 3 odpadów drzewnych [3]. Proces logistyki pozyskiwania surowca Proces logistyki pozyskiwania surowca jest dość złożony, gdyż wymaga wykonania wielu działań następujących po sobie różnego rodzaju procesów technologicznych i przewozowych, operacji związanych z pozyskiwaniem, zrywką, a także wywozem zrębków. Zadania do wykonania w trakcie procesu logistycznego mogą być zarówno wykonywane w lesie, jak i na specjalistycznych powierzchniach do składowania, a także bezpośrednio w zakładzie produkującym energię. Ekonomiczność i efektywność pozyskiwania biomasy z lasu jest związana z rodzajem procesu technologicznego wykonywanych cięć pielęgnacyjnych. W początkowych fazach rozwoju drzew, podczas pozyskiwania surowca w trakcie ścinki i wyrębu drzewa najczęściej używane są siekiery i pilarki spalinowe, a zrywka i wywóz wykonywane są przy pomocy ciągników rolniczych, co przestawiono na rys. 1. Rys. 1. Przykład prac przy zrywce i wywozi drewna przy pomocy ciągników rolniczych Źródło: W Skandynawii surowiec z pierwszych cięć pielęgnacyjnych przeznaczany jest w całości do celów energetycznych, jednak jego pozyskiwanie odbywa się całkowicie w sposób zmechanizowany. Podczas ścinki drzew używa się specjalnych głowic pakietujących o szerokim zastosowaniu, które są montowane na żurawiu ciągnika bądź małego harwestera. Zrywka wykonywana jest do składnicy, która umiejscowiona jest zazwyczaj na drodze wywozowej, gdzie następuje również proces zrębkowania surowca. Dzięki zastosowaniu głowic pakietujących wydajność pracy wzrasta z 10% do 40% w porównaniu do ścinki i obalania pojedynczych drzew [9]. Wzrost zainteresowania biomasą leśną w Polsce spowodował rozwój technik i technologii, które pozwalają na wydajniejsze i łatwiejsze jej pozyskiwanie, obróbkę, składowanie i transport. Średniowymiarowe drewno przeznaczone jest zarówno dla klientów indywidualnych, jak i zakładów ciepłowniczych lub energetycznych. Pozyskiwanie drewna przeznaczonego dla przemysłu i do produkcji energii odbywa się w trakcie prowadzenia prac gospodarczych, które mają za zadanie osiągnąć postawione cele np. hodowlane. Miejsce wyrobu tego rodzaju surowca jest przyjmowane w zależności od metody pozyskiwania. Drewno średniowymiarowe opałowe nabywane jest przez klientów indywidualnych i wykorzystywane do spalania w piecach domowych, a także w kominkach w postaci kawałków. Duże zakłady, które kupują surowiec, dokonują zrębkowania, do którego wykorzystuje się rębaki (rys. 2) [9]. 285

3 Rys. 2. Przykład rozwiązania rębaka do drewna Źródło: Zrębkowanie najczęściej ma miejsce na składnicy przydrożnej, na terminalu zbiorczym lub u odbiorcy. Zrębkowanie przy drodze wywozowej jest poprzedzone dostarczeniem surowca do składnicy przydrożnej. Powszechnie stosowanym rozwiązaniem są rębaki bębnowe, które mogą być doczepiane do ciągnika bądź też zamontowane na własnym podwoziu przyczepy, a także montowane na podwoziu forwarderów lub samochodów wysokotonażowych. Maszyny te są mniej wrażliwe na zanieczyszczenia w porównaniu do rębaków tarczowych. Jednak na terminalach i składnicach odbiorcy finalnego montowane są rębaki stacjonarne. Pozostałości pozrębowe wykorzystywane są w ciepłowniach i elektrociepłowniach. Rys. 3. Przykład logistyki pozyskiwania surowca w lasach Źródło: opracowanie własne na podstawie Bardzo ważną czynnością w procesie logistycznym przy pozyskiwaniu surowca jest konieczność zgromadzenia pozostałości po zakończeniu obróbki drewna. Pozostałości pozrębowe akumuluje się w wały lub układa w stosy, które mogą znajdować się bezpośrednio na powierzchni lub przy drodze wywozowej. Następnie zrębki przewożone są za pomocą przyczep samozaładowczych z ciągnikami rolniczymi lub forwarderów. Bardzo popularnym zabiegiem staje się balotowanie. Następuje ono bezpośrednio na powierzchni przy użyciu maszyny na bazie forwardera. Surowiec w postaci balotów ładowany jest na kontenery bądź też 286

4 samochody do wywozu drewna z burtami. Baloty wywożone są z lasu na plac magazynowy lub bezpośrednio do klienta, a następnie zrębkowane. Istotnym zagadnieniem logistycznym jest także wybór odpowiedniej gałęzi transportu biomasy. Bardzo duży wpływ na potrzeby przewozowe mają następujące czynniki: podatność transportowa ładunków (postać biomasy: rozdrobniona, nierozdrobniona, a także jej właściwości fizyczne: gęstość i wilgotność); odcinki dzielące punkty wysyłki i przeznaczenia przemieszczanych ładunków [9]. Istnieje wiele możliwości techniczno technologicznych pozyskiwania, przetwarzania oraz transportu drewna na cele energetyczne. Podczas tworzenia systemu pozyskiwania surowca i jego dalszej dystrybucji, należy uwzględnić sezonowanie materiału. Pozwala to na utrzymanie odpowiednich parametrów zrębków, co prowadzi do zwiększenia efektywności energetycznej materiału. Proces logistyczny powinien być zatem dobrze przemyślany i zoptymalizowany. Analiza energetyczna surowca Najważniejszymi parametrami termofizycznymi różnych postaci drewna jest ich wartość opałowa, która zależy od składu chemicznego i wilgotności [5]. Parametry i właściwości węgla kamiennego stosowanego w energetyce są porównywalne z właściwościami biomasy, ich skład pierwiastków jest podobny. Jednak różnice występują w udziałach podstawowych pierwiastków: węgla, wodoru, azotu, tlenu, siarki i innych związków chemicznych. Biomasa posiada o cztery razy więcej tlenu niż węgiel energetyczny, dwa razy mniej węgla, siarki i azotu. Skutkiem takiego składu jest wysoka zawartość części lotnych, które wahają się pomiędzy 65 a 80%. Kolejną charakterystyczną cechą jest wysoka reaktywność biomasy. Dlatego też należy stosować odpowiednie rozwiązania techniczne, które będą zabezpieczać jej efektywne energetycznie przetworzenie. Podstawową wadą biomasy jest zawartość wilgoci (10 60%), która jest zmienna w zależności od rodzaju biomasy i okresu sezonowania. Właściwości te są także ujemnym rezultatem, gdyż wpływają na niższe ciepło spalania biomasy i jej wartość opałową. Gęstość nasypowa drewna wynosi do 500 kg/m 3, natomiast węgla 1330 kg/m 3. Powoduje to, iż koszty transportu jednostki energii chemicznej wzrastają i są stosunkowo większe niż węgla. Biomasa w porównaniu do węgla posiada wysoką zawartość tlenku wapnia, alkaidów i fosforu oraz chloru, które mogą prowadzić do korozji oraz pojawiania się dużych osadów w kotle w trakcie spalania bezpośredniego. Jednakże istnieje rozwiązanie tego typu problemu w postaci współspalania biomasy z węglem [4]. Tabela 1. Porównanie właściwości fizyko - chemicznych biomasy i węgla Źródło: [1] Składnik Jednostka Biomasa Węgiel Węgiel % Wodór % 5,5 7 4,8 5,5 Tlen % ,8 10 Azot % 0,1 0,8 1,4 2,3 Siarka % 0,01 0,9 0,3 1,5 Chlor % 0,01 0,7 0,04 0,4 Części lotne % Zawartość popiołu % 1, Ciepło spalania MJ/kg Skład popiołu SiO2 % 26,0 54,0 18,0-52,3 Al2O3 % 1,8 9,5 10,7 33,5 CaO % 6,8 41,7 2,9 25,0 Na2O % 0,4 0,7 0,7 3,8 K2O % 6,4 14,3 0,8-2,9 P2O5 % 0,9 9,6 0,4 4,1 287

5 Przyszłość ekonomiczna biomasy drzewnej wydaje się być na wysokim poziomie, gdyż z roku na rok wzrasta zainteresowanie dostawami drewna energetycznego. Dzięki temu powiększa się liczba miejsc pracy, a co za tym idzie dochody lokalnej społeczności. Ograniczeniem mogą być jednak rosnące ceny drewna i ograniczone możliwości polskiego leśnictwa. Obecnie z polskich lasów pozyskuje się 4,1 mln m 3 drewna opałowego [8]. Koszty transportu i rosnące ceny paliw również niekorzystnie wpływają na zwiększenie pozyskiwania biomasy drzewnej [7]. Podsumowanie Biomasa drzewna jest obecnie bardzo powszechnym źródłem energii odnawialnej. Zrębki są pozyskiwane zarówno z lasów państwowych jak i prywatnych, co daje możliwość osiągania większych ilości biomasy, a co za tym idzie wysokiego potencjału energetycznego. Rodzaj procesu technologicznego ma duży wpływ na ekonomiczność i efektywność pozyskiwania biomasy leśnej. Podczas pozyskiwania surowca używane są najczęściej siekiery i pilarki spalinowe, a zrywka wykonywana jest przy pomocy ciągników spalinowych. Zrębki najczęściej przewożone są za pomocą przyczep samozaładowczych z ciągnikami rolniczymi lub forwarderów. Jednakże wartości energetyczne drewna zależą nie tylko od odpowiedniej zrywki, czy magazynowania. Istotne są także parametry fizykochemiczne drewna, tj. jego wartość opałowa, która zależy od składu chemicznego i wilgotności. Streszczenie W artykule przedstawiono system pozyskiwania biomasy drzewnej z lasów na terenie Polski. Zainteresowanie biomasą leśną przyczyniło się do rozwoju technik i technologii, dzięki którym pozyskiwanie drewna, jego obróbka, składowanie i transport jest łatwiejszy i wydajniejszy. Powiększające się tereny zalesień w Polsce stanowią główne źródło zwiększenia potencjału energetycznego. THE LOGISTICS OF OBTAINING WOOD BIOMASS FROM FORESTS Abstract The article presents a system for obtaining wood biomass from forests in Poland. Interest in forest biomass has contributed to the development of techniques and technologies, which logging, its processing, storage and transport is easier and more efficient. Increasing areas of afforestation in Poland are the main source of increase in potential energy. Literatura [1] Czeczko R., Biomasa rolnicza w energetyce, Autobusy, nr 10/2012. [2] Dz. U. z 28 sierpnia 2008 r. Nr 156, poz. 969 ze zm. [3] Guzek K., Pisarek M., Wykorzystanie biomasy na cele energetyczne w Polsce, Czysta Energia, nr 2/2002. [4] Hein K.R.G., Bemtgen J.M., EU clean tchnology co-combustion of coal and biomass, Fuel Processing Technology 54/1998. [5] Kowalczyk Juśko A., Cybulski J., Biomasa drzewna jako surowiec dla energetyki, Autobusy, nr 10/2012. [6] Leśnictwo 2013, Główny Urząd Statystyczny, Warszawa 2013 [7] Maj G., Piekarski W., Stoma M., Economic model and theoretical algorithm of plant biomass pellets production, Mitteilungen Klosterneuburg, vol. 6414/2014, s [8] Moskalik T., Nowacka W., Sadowski J., Zastocki D., Rynek drewna energetycznego w Polsce jako element rozwoju regionalnego, Lasy dla ludzi, ludzie dla lasów, Studia i Materiały Centrum Edukacji Przyrodniczo Leśnej R. 14, Zeszyt 32/

6 [9] Moskalik T., Techniczne, technologiczne i organizacyjne uwarunkowania pozyskania i transportu drewna energetycznego. Biomasa leśna na cele energetyczne, wyd. Instytut Badawczy Leśnictwa, s , [10] [11] 289