EFEKTYWNOŚĆ ORAZ TECHNOLOGIE POZYSKANIA DENDROMASY Z PLANTACJI ENERGETYCZNYCH

Transkrypt

1 prof. dr hab. inż. Mariusz J. Stolarski, dr. inż. Michał Krzyżaniak Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Katedra Hodowli Roślin i Nasiennictwa Plac Łódzki 3, Olsztyn EFEKTYWNOŚĆ ORAZ TECHNOLOGIE POZYSKANIA DENDROMASY Z PLANTACJI ENERGETYCZNYCH Wprowadzenie Biomasę z dedykowanych wieloletnich upraw gatunków zdrewniałych (ang. short rotation woody crops (SRWC) można pozyskiwać i wykorzystać na cele energetyczne i przemysłowe. Na północy Europy przeważnie uprawia się wierzbę, natomiast na południu topolę [Labrecque i Teodorescu 2005, Volk i in. 2006, Rédei i in. 2008, Aravanopoulos 2010, Krzyżaniak i in. 2014]. W Polsce badania w zakresie produkcyjności oraz jakości biomasy SRWC prowadzi się w kilku ośrodkach naukowych. Najbardziej rozpoznane jest plonowanie wierzby, jednakże jest ono bardzo zróżnicowane, chociażby ze względu na dużą liczbę stosowanych gatunków i odmian. W doświadczeniach w optymalnych warunkach plony wierzby były kilkukrotnie wyższe niż na plantacjach produkcyjnych. W Polsce spośród SRWC dominuje uprawa wierzby, a następnie topoli. Natomiast robinia akacjowa w systemie SRWC była uprawiana tylko w małoobszarowych doświadczeniach. W ostatnim czasie w kraju obserwuje się wzrost zainteresowania pozyskaniem topoli na cele papiernicze oraz energetyczne ze strony dużych zakładów celulozowych. gatunków i odmian SRWC pozyskiwany w różnych cyklach zbioru jest zróżnicowany, co przekłada się na jego wartość energetyczną, a następnie na efektywność energetyczną produkcji biomasy [Stolarski i in. 2011]. Produkcję szybko rosnących gatunków SRWC cechują wysokie nakłady na założenie plantacji oraz produkcję biomasy. Są to główne czynniki hamujące zwiększenie areału tych roślin na gruntach rolniczych. Przykładowo zbiór i transport wierzby są najbardziej kosztownym i energochłonnym procesem produkcji i mogą stanowić od 39% do 60% nakładów na produkcję biomasy. Nakłady na zbiór zależą od metody zbioru, lokalnej sytuacji jaka panuje na danym terenie, zakresu transportu, liczby zaangażowanego sprzętu (ciągniki, przyczepy) oraz plonu z jednostki powierzchni [Volk i in. 2006, Abrahamson i in. 2008]. W związku z powyższym ciągle poszukuje się różnych możliwości obniżenia nakładów produkcji dendromasy. Przykładowe rozwiązania zbioru SRWC Sposób przygotowania gleby pod plantacje SRWC oraz ich pielęgnacja w okresie wegetacji w Polsce opierają się w znacznej mierze na tradycyjnych technikach rolniczych. Natomiast zbiór wymaga indywidualnych rozwiązań, jest to związane ze stosunkowo wysokimi, a zarazem zmiennymi oporami ścinania pędów. Przykładowo w technologii zbioru wierzby w początkowym okresie wykorzystywano techniki stosowane w rolnictwie lub leśnictwie. Z czasem modyfikowano zespoły robocze lub całe maszyny, a obecnie na rynku oferowane są specjalistyczne maszyny z nowoczesnymi rozwiązaniami układów roboczych i jezdnych. W maszynach do zbioru wierzby stosowane są różne

2 mechanizmy tnące jak: piły tarczowe, piły łańcuchowe, tarcze nożowe, noże listwowe, noże bijakowe [Lechasseur i Savole 2005, Lisowski 2010]. Biomasa SRWC może być zbierana w postaci całych pędów lub zrębków. Metoda zbioru będzie zależna od cyklu zbioru rośliny, dostępności sprzętu do zbioru i oczekiwanego wykorzystania pozyskanej biomasy. Jednoetapowy zbiór roślin w postaci zrębków może być wykonywany za pomocą silosokombajnów (jedno lub dwurzędowych) współpracujących z ciągnikami lub za pomocą samobieżnych kombajnów ze zmodyfikowanymi hederami np. Claas Jaguar, Krone, New Holland i inne [Lechasseur i Savole 2005, Seixas i in. 2006, Lisowski 2010]. Za pomocą tych maszyn pędy są ścinane, a następnie rozdrabniane do postaci zrębków i ładowane na przyczepy transportowe (analogicznie jak zbiór kukurydzy na kiszonkę). Zbiór jednoetapowy jest najbardziej rozpowszechniony w Europie. Z danych literaturowych wynika, że np. starszymi wersjami kombajnu Claas pozyskiwano średnio około ton zrębków na godzinę pracy [Seixas i in. 2006]. Natomiast wydajność zbioru topoli kombajnem Claas Jaguar 880 z hederem GBE2 wahała się w przedziale t/h i wynosiła średnio około 55 t/h [Fiala i Bacenetti 2011]. Z kolei średnia wydajność kombajnu Krone jest szacowana nawet na 60 t/h, ponadto jest on w stanie kosić pędy o średnicy do 1500 mm [Wingels 2009]. Zbiór kombajnami jest wygodny i szybki, jednak rozpowszechnienie tych maszyn w warunkach Polski jest słabe. Maszyny te są drogie, a ich ekonomiczne użytkowanie jest uzasadnione dla dużych plantacji [Lechasseur i Savole 2005, Spinelli i in. 2009]. Natomiast na terenie Polski mamy do czynienia z sytuacją, w której plantacje SRWC mają niewielką powierzchnię, a niekiedy są znacznie od siebie oddalone. Dlatego też stosowanie maszyn specjalistycznych stanowi często barierę ekonomiczną dla właściciela plantacji. Należy tu dodać, że np. pędy wierzby zebrane jednoetapowo mają wilgotność średnio ok. 50%. Ta biomasa powinna być jak najszybciej wykorzystana na cele energetyczne [Stolarski i in. 2012]. Dlatego też inną propozycją pozyskania biomasy SRWC jest zbiór dwuetapowy. Znacząca cześć biomasy musi być przechowywana jako rezerwa. Jest to konieczne ze względu na bark możliwości zbioru biomasy np. ze względu na niesprzyjające warunki atmosferyczne (duży opad śniegu) czy sezon roku (w praktyce rośliny powinny być koszone od końca listopada do końca marca). Dlatego też w określonych przypadkach dwuetapowy zbiór roślin jest dobrym rozwiązaniem. Istnieje możliwość zbioru całych pędów za pomocą specjalistycznych maszyn samobieżnych lub współpracujących z ciągnikami. Pędy mogą być również koszone i formowane do postaci bel analogicznie jak słoma zbożowa. Przykładem takiego sposobu zbioru SRWC jest biobaler WB 55. Biobaler został zaprojektowany w Kanadzie, specjalnie do pozyskiwania biomasy pochodzenia rolniczego i leśnego w trudnych warunkach, na różnym terenie. Zbiór SRWC za pomocą biobalera łączy cięcie, ubijanie i prasowanie w bele w jednym cyklu produkcyjnym przez jedną maszynę. Według danych producenta optymalna wydajność biobalera wynosi t/h, a rzeczywista około 16 t/h. Trzeba wziąć pod uwagę rodzaj terenu, ponieważ biobaler jest w stanie wyprodukować do 40 bel na godzinę na terenie uprawnym oraz bel na godzinę w warunkach krajobrazu naturalnego [Anderson Group, Savoie i in. 2010]. Poza biobalerem do zbioru dwuetapowego używane są takie maszyny jak np: Bundler, Empire 2000, Frobbesta czy Rodster [Seixas i in. 2006]. Dwuetapowy sposób pozyskania i przygotowania biomasy umożliwia systematyczną dostawę biomasy do odbiorcy, ponieważ może być ona wykorzystana, kiedy jest najbardziej potrzebna. Ponadto naturalne suszenie biomasy podczas jej składowania skutkuje obniżeniem jej wilgotności oraz wzrostem wartości opałowej [Stolarski i in. 2012]. Właśnie poprawa jakości biomasy pozyskanej dwuetapowo jako surowca energetycz- 2

3 nego oraz możliwość sukcesywnego dostarczania tego paliwa do odbiorcy końcowego powodują, że jest to interesująca technologia. W szczególności w porównaniu do jednoetapowego zbioru biomasy i uzyskania mokrych zrębków, które powinny być w krótkim czasie zagospodarowane. Efektywność energetyczna produkcji biomasy W tabeli 1 przedstawiono efektywność energetyczną produkcji biomasy wierzby w jednorocznym i trzyletnim cyklu zbioru. Wartość energetyczna plonu biomasy wierzby pozyskanego w jednorocznym i trzyletnim cyklu zbioru była wysoce zróżnicowana i zawierała się w przedziale od 19 do 461 GJ/ha/rok. Wartość średnia tej cechy w obu badanych technologiach była zbliżona i wyniosła odpowiednio 203 i 210 GJ/ha/rok. Wysoką wartość energetyczną plonu w trzyletnim cyklu zbioru (461 GJ/ha/rok plon maksymalny) uzyskano w wyniku wprowadzenia do doświadczenia nowego klonu wierzby Salix viminalis UWM 006. Badania potwierdziły przydatność tego klonu do uprawy w cyklu trzyletnim w zagęszczeniu 25 tys. szt. roślin/ha. Zysk energii przy zbiorze roślin co roku był najwyższy (246 GJ/ha/rok) przy maksymalnym plonie. Jednakże był on o około 199 GJ/ha/rok niższy niż uzyskany przy plonie maksymalnym w trzyletnim cyklu zbioru roślin. Wskaźnik efektywności energetycznej produkcji zrębków wierzby, wyrażony ilorazem wartości energetycznej plonu i nakładów energii na jego wytworzenie najwyższy był przy uzyskanym maksymalnym plonie (27,3) w trzyletnim cyklu zbioru. Był on prawie 2-krotnie wyższy niż uzyskany przy maksymalnym plonie (14,7) w jednorocznym cyklu zbioru. Niskie wartości wskaźnika efektywności energetycznej w przedziale od 2,8 do 3,9 uzyskano przy plonach minimalnych. Tabela 1. Efektywność energetyczna produkcji biomasy wierzby w jednorocznym i trzyletnim cyklu zbioru Wyszczególnienie Wartość energetyczna plonu (GJ/ha/rok) Zysk energii (GJ/ha/rok) Energochłonność produkcji zrębków (MJ/t) Wskaźnik efektywności energetycznej Źródło: Stolarski i in a Zbiór co roku średni max. 3 min. Zbiór co 3 lata średni max. min. 203,1 264,4 47,5 209,9 461,4 19,1 186,7 246,4 35,3 200,0 445,0 14, ,4 14,7 3,9 21,2 27,3 2,8 W innych badaniach własnych oceniano energochłonność i efektywność energetyczną produkcji zrębków siedmiu nowych odmian wierzby zbieranych w rotacji trzyletniej z plantacji towarowej. Wartość energetyczna uzyskanego plonu loco plantacja zawierała się w szerokim przedziale od zaledwie 139 GJ/ha u odmiany UWM 155 do 727 GJ/ha u odmiany UWM 006 (tab. 2). W związku z tym zysk energii loco plantacja wahał się odpowiednio: 125 i 697 GJ/ha. Wysoką wartość zysku energii uzyskano również u odmiany UWM 043 (559 GJ/ha). Poniesione nakłady energetyczne oraz wielkość uzyskanego plonu istotnie różnicują wartość energochłonności produkcji jednej tony biomasy wierzby z poszczególnych odmian. W cytowanych badaniach wykazano, że najniższe zużycie diesla na wyprodukowanie 1 tony świeżych zrębków loco plantacja wystąpiło u odmiany UWM 006 (4,6 kg/t świeżej masy), co w przeliczeniu na 1 tonę suchych zrębków wynosiło 9,3 kg/t. U odmiany UWM 043 zużycie diesla na wyprodukowanie 1 tony suchej biomasy było o 3% wyższe. Natomiast u

4 pozostałych odmian wartość tego wskaźnika była wyższa w zakresie od 14% do 53%, odpowiednio dla odmian Start i UWM 155. Całkowita ilość energii zużyta na wyprodukowanie 1 tony świeżych zrębków loco plantacja była najniższa u odmiany UWM 006 i wynosiła 352 MJ/t świeżej masy. Wartość tego wskaźnika była wyższa tylko o 25 MJ/t u odmiany UWM 043. Natomiast u odmian nisko plonujących UWM 155 i Tur była ona około 2-krotnie wyższa. Wskaźnik efektywności energetycznej produkcji zrębków wierzby na bramie gospodarstwa był bardzo zróżnicowany w zależności od odmiany. Najwyższą jego wartością charakteryzowały się kolejno odmiany: UWM 006 (23,9), UWM 043, Start, Turbo, UWM 035, Tur, a najniższą UWM 155 (10,2). Tabela 2. Wybrane wskaźniki produkcji zrębków wierzby w zależności od odmiany, loco plantacja Odmiana/klon Wyszczególnienie UWM UWM UWM Start Tur Turbo UWM 155 Nakłady energii (GJ/ha) 19,4 14,4 19,7 30,4 16,6 26,4 13,7 Wartość energetyczna plonu (GJ/ha) 344,6 191,6 341,5 727,4 259,7 585,4 138,8 Zysk energii (GJ/ha) 325,2 177,2 321,8 697,0 243,0 559,0 125,2 Zużycie paliwa (kg/t świeżej masy) 5,2 6,3 5,2 4,6 5,6 4,7 6,7 Energochłonność produkcji zrębków (MJ/t świeżej masy) Wskaźnik efektywności energetycznej 17,8 13,3 17,3 23,9 15,6 22,1 10,2 Źródło: Stolarski i in b Literatura 1. Abrahamson L.P., Volk T.A., Priepke E., Aneshanaley D., White E.H., Smart L.B Development of a willow biomass crop harvester based on a New Holland Forage Harvester and specially designed willow cutting head. Biofuels, bioenergy, and bioproducts from sustainable agricultural and forest crops: Proceedings of the Short Rotation Crops International Conference, USA, Bloomington, August Anderson Group http. // 3. Aravanopoulos F.A Breeding of fast growing forest tree species for biomass production in Greece. Biomass and Bioenergy, 34: Fiala M., Bacenetti J Economic, energetic and environmental impact in short rotation coppice harvesting operations, Biomass and Bioenergy, doi: /j.biombioe Krzyżaniak M. Stolarski M.J., Waliszewska B., Tworkowski J., Szczukowski S., Załuski D., Śnieg M Willow biomass as feedstock for an integrated multi-product biorefinery. Industrial Crops and Products, 58: Labrecque M., Teodorescu T.L Field performance and biomass production of 12 willow and poplar clones in short-rotation coppice in southern Quebec (Canada). Biomass and Bioenergy, 29(1), Lechasseur G., Savole P Cutting, bundling and chipping short-rotation willow. CSAE, paper no : Lisowski A Technologie zbioru roślin energetycznych. SGGW Warszawa, ss Rédei K., Osváth-Bujtás Z., Veperdi I Black Locust (Robinia pseudoacacia L.) Improvement in Hungary: a Review Acta Silv. Lign. Hung., 4: Savoie P., Lavoie F., D Amours L., Schroeder W., Kort J Harvesting natural willow rings with a bio-baler around Saskatchewan prairie marshes. Canadian Biosystems Engineering, 52: Seixas F., Couto L., Rummer R.B Harvesting short- rotation woody crops (SRWC) for energy. Biomassa and Energia, 3(1): Spinelli R, Nati C, Magagnotti N Using modified foragers to harvest short-rotation poplar plantations. Biomass and Bioenergy, 33: Stolarski M.J, Szczukowski S., Tworkowski J., Krzyżaniak M Lignocellulosic biomass production and deliver for biorefineries. Danish Crop Production Conference 2012, Herning, Denmark

5 14. Stolarski M.J., Krzyżaniak M. Tworkowski J., Szczukowski S., Gołaszewski J. 2014b. Energy intensity and energy ratio in producing willow chips as feedstock for an integrated biorefinery. Biosystems Engineering, 123: Stolarski M.J., Krzyżaniak M., Szczukowski S., Tworkowski J. 2014a. Efektywność energetyczna produkcji biomasy wierzby w jednorocznym i trzyletnim cyklu zbioru. Fragm. Agron., 31(2): Stolarski, M. J., Szczukowski, S., Tworkowski, J., Wróblewska, H., Krzyżaniak, M Short rotation willow coppice biomass as an industrial and energy feedstock. Industrial Crops and Products, (33): Volk T.A., Abrahamson L.P., Nowak C.A., Smart L.B, Tharakan P.J., White E.H The development of short rotation willow in the northestern United States for bioenergy and bioproducts, agroforestry and phytoremediaton. Biomass and Bioenergy, 30: Wingels. H Harvesting procedures in short rotation plantations. International Energy Farming Congress, Papenburg, Germany March CD-ROM. 5