Logistyka dostaw surowca w produkcji biopaliw 6

Transkrypt

1 Sylwester Borowski 1, Wojciech Żarski 2, Edmund Dulcet 3, Jerzy Kaszkowiak 4, Marcin Zastempowski 5 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Logistyka dostaw surowca w produkcji biopaliw 6 Paliwa kopalne są największym źródłem emisji zanieczyszczeń i gazów cieplarnianych. W ostatnich latach przywódcy państw Unii Europejskiej zatwierdzili obszerny pakiet działań służących zapobieganiu zmianom klimatu oraz zapewnieniu Europie niezawodnych i wystarczających dostaw energii. Pakiet stanowiący najszerzej dotychczas zakrojoną reformę europejskiej polityki energetycznej ma na celu zapewnienie Unii pozycji światowego lidera w dziedzinie energii odnawialnej i technologii niskoemisyjnych. Wynikiem tych ustaleń ma być ograniczenie emisji gazów cieplarnianych o 20% do roku 2020, w porównaniu z rokiem Unia Europejska zamierza osiągnąć powyższy cel, przede wszystkim ograniczając zużycie energii i zwiększając wykorzystanie energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych (OZE). Taki stan rzeczy doprowadził do wzrostu wykorzystania technologii produkcji energii opartych na zasobach odnawialnych, w tym m.in. do dynamicznego wzrostu wykorzystania biomasy na cele energetyczne, w szczególności jako surowca do produkcji biopaliw. Energetyczne wykorzystanie biomasy jako surowca do produkcji biopaliw jest uzasadnione wówczas, gdy pozwala osiągnąć pozytywny efekt ekologiczny (redukcję emisji gazów cieplarnianych). W wielu źródłach literaturowych jako czynniki wpływające na efektywność produkcji biopaliw wymienia się odpowiednią lokalizację ich produkcji. Musi ona uwzględniać m.in. zasobność obszaru w biomasę oraz racjonalną organizację produkcji pod względem transportu i magazynowania surowca [2, 5]. Stąd też przyjęcie odpowiedniej strategii logistycznej dostaw surowca biomasy, jest bardzo ważnym aspektem przy planowaniu produkcji biopaliw. Z punktu widzenia odpowiedniej lokalizacji ich produkcji istotne jest właściwe rozpoznanie zasobów surowcowych, a także kierunków ich użytkowania, zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju. Aktualnie coraz częściej, w poszukiwaniu dogodnej lokalizacji stosuje się techniki oparte o systemy informacji przestrzennej GIS [3, 8]. Logistyka jest planowaniem zapotrzebowania, wydajności w czasie i przestrzeni oraz sterowaniem i wykorzystaniem zaplanowanego strumienia, masy i energii przy uwzględnieniu optimum kosztowego. W zależności od zapotrzebowania występują kombinacje wymienionych niżej procesów: pozyskania surowca, przygotowania (przetwarzania) surowca do postaci użytkowej (handlowej), magazynowania jako operacji pośredniej, transportu (bliskiego i dalekiego), w tym prac załadunkowych i rozładunkowych. Przy rosnącym wykorzystaniu biomasy na cele związane z pozyskaniem energii, optymalizacja logistyki dostaw, wymaga właściwego planowania, organizacji oraz zarządzania bazą surowcową i środkami transportu [9]. Potencjał energetyczny surowca do produkcji biopaliw Użytkowanie biomasy na cele energetyczne wiąże się z następującymi procesami produkcyjnymi: produkcją biomasy, produkcją biopaliw z biomasy oraz produkcją energii z biomasy lub biopaliw. Podkreślić należy fakt, iż procesy te zazwyczaj realizowane są przez odrębne podmioty gospodarcze. Biopaliwo to paliwo, które powstaje z przetwórstwa biomasy. Surowcem w produkcji biopaliw są różne rodzaje biomasy roślinnej lub zwierzęcej. Ze względu na stan skupienia, biopaliwa dzieli się na stałe, ciekłe i ga- 1 Dr inż. Sylwester Borowski, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Maszyn Roboczych, sylwa@utp.edu.pl 2 Mgr inż. Wojciech Żarski, Wydział Zarządzania, Katedra Inżynierii Zarządzania 3 Prof. dr hab. inż. Edmund Dulcet, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Maszyn Roboczych 4 Dr inż. Jerzy Kaszkowiak, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Maszyn Roboczych 5 Dr inż. Marcin Zastempowski, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Maszyn Roboczych 6 Artykuł recenzowany.

2 zowe. Do biopaliw stałych zalicza się między innymi słomę w postaci bel, kostek albo brykietów, granulat trocinowy lub słomiany tzw. pelet, tzw. zrębki roślin energetycznych, a także różne inne przetworzone odpady roślinne. Biopaliwa ciekłe otrzymywane są w drodze fermentacji alkoholowej węglowodanów, fermentacji butylowej biomasy, bądź z estryfikowanych w biodiesel olejów roślinnych. Biopaliwo gazowe biogaz, powstaje np. w wyniku fermentacji beztlenowej odpadów rolniczej produkcji zwierzęcej. Produkcja biopaliwa wydaje się być szczególnie korzystna w ujęciu lokalnym, tzn. poprzez jego zagospodarowanie w miejscu pozyskania, na potrzeby lokalnych społeczności. Taki sposób użytkowania biomasy ma wiele zalet, m.in.: zmniejsza koszty związane z transportem surowców oraz dystrybucją biopaliw i bioenergii, może się przyczynić do powstawania nowych miejsc pracy, daje możliwość zagospodarowania odpadów i nadwyżek surowców z produkcji rolniczej, przemysłu drzewnego i spożywczego, a także zwiększa lokalne bezpieczeństwo energetyczne [11]. Cel i metody badawcze Celem artykułu jest przedstawienie zarysu wybranych problemów wynikających z logistyki surowców do produkcji biopaliw. Określono kosztochłonność procesu transportu surowców do produkcji biopaliw ze względu na potencjał ekonomiczny tegoż surowca. Wykonano analizę oceny zasobności w biomasę terenu funkcjonowania trzech producentów biopaliw. Są to realnie działające firmy, z którymi nawiązana została współpraca w aspekcie analizy dostaw surowca. Ze względu na obowiązującą tajemnicę handlową nie ujawnia się szczegółowych danych. Firmy te zlokalizowane są w województwie kujawsko-pomorskim i zajmują się następującą działalnością: Firma A biogazownia rolnicza producent energii elektrycznej z biogazu rolniczego produkowanego z kiszonki kukurydzy oraz gnojowicy, Firma B przetwórnia słomy producent biopaliwa stałego w formie brykietów, Firma C producent biopaliwa ciekłego w formie estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych. Ocenę zasobności wykonano na bazie metody szacowania potencjału energetycznego biomasy nazywanej inaczej metodą kaskadową [6]. Polega ona na wyznaczeniu ilości możliwej do pozyskania energii z biomasy z uwzględnieniem równych kryteriów ograniczających możliwości jej wykorzystania. Dla jej potrzeb wyróżnia się następujące poziomy (rys. 1) potencjału energetycznego surowca [4, 7] : POTENCJAŁ TEORETYCZNY ilość energii możliwa do wykorzystania z biomasy pod warunkiem posiadania odpowiednich urządzeń o 100% sprawności (nie uwzględnia się niedoskonałości procesu), a także przy założeniu, że całkowity dostępny potencjał jest wykorzystany tylko na cele energetyczne; POTENCJAŁ TECHNICZNY część potencjału teoretycznego, która może zostać wykorzystana, pomniejszona z powodu restrykcji technicznych, (sprawność dostępnych obecnie na rynku urządzeń, czasami potrzeby własne procesu, położenie geograficzne, magazynowanie energii); określany zazwyczaj na podstawie szczegółowych analiz technicznych; POTENCJAŁ EKONOMICZNY - określony jako część powyżej zdefiniowanego potencjału technicznego, jaka może być wykorzystana z uwzględnieniem kryteriów gospodarczych.

3 Rys. 1. Rodzaje potencjału energetycznego. Źródło: opracowanie własne. Ilość dostępnego surowca dla poszczególnych firm określono według algorytmu przedstawionego na rysunku 2. Rys.2. Uproszczony algorytm szacowania potencjału energetycznego. Źródło: opracowanie własne na podstawie 10. W tabeli 1 zawarto zestawienie danych dotyczących powierzchni gruntów ornych oraz gruntów przeznaczonych na uprawy będące surowcem w produkcji ww. biopaliw, w jednostkach samorządów terytorialnych, w których znajdują się zakłady wytwórcze.

4 Tabela 1. Zestawienie danych dotyczący powierzchni surowców do produkcji biopaliw. Areał Średnie plony tys. ha dt Grunty orne w woj. kujawsko-pomorskim 986,4 - Zboża podstawowe w woj. kujawsko-pomorskim 503,4 35,7 Kukurydza na zielonkę w kujawsko-pomorskim 43,2 481,0 Rzepak w woj. kujawsko-pomorskim 87,9 28,2 Zboża w powiecie B 33,5 - Kukurydza na zielonkę w powiecie A 2,5 - Rzepak w powiecie C 3,3 - Źródło: opracowanie własne na podstawie banku danych lokalnych GUS. W szacowaniu potencjału energetycznego dla poszczególnych przedsiębiorstw wykorzystano informacje dotyczące technologii produkcji biopaliw. Pozyskano także dane dotyczące właściwości fizykochemicznych poszczególnych rodzajów biomasy, a także dane dotyczące użytkowania analizowanych zasobów biomasy, uwzględniając priorytet ich wykorzystania związany z gospodarką żywnościową. W tabeli 2 przedstawiono wyniki szacowania potencjału energetycznego słomy możliwej do zagospodarowania na cele związane z produkcją biopaliwa stałego. Obliczenia zostały wykonane w odniesieniu do poszczególnych jednostek samorządu terytorialnego tj. gminy, powiatu oraz województwa. Tabela 2. Zestawienie danych dotyczący powierzchni upraw (w ha) surowców do produkcji biopaliw. Potencjał teoretyczny techniczny ekonomiczny ha ha ha województwo powiat gmina Źródło: opracowanie własne na podstawie banku danych lokalnych GUS. Ze względu na specyfikę produkcji dane dla producenta C oszacowano dla poziomu województwa (rys. 3). W przypadku producenta biopaliwa ciekłego w formie estrów wyższych kwasów tłuszczowych, surowcem jest rzepak. Po dostarczeniu zostaje on przetworzony do formy oleju w zakładowej tłoczni. Olej jest właściwym surowcem w produkcji biopaliwa. Jednakże na potrzeby produkcji konieczne jest pozyskiwanie dużych ilości oleju rzepakowego od dostawców zewnętrznych. Zapotrzebowanie roczne na olej rzepakowy wynosi około t, co oznacza, że zapotrzebowanie przedsiębiorstwa znacznie przekracza zasoby potencjału ekonomicznego rzepaku dostępne na terenie gminy, a nawet powiatu.

5 Rys. 3. Wyniki szacowania potencjału energetycznego wykorzystania rzepaku do produkcji biopaliwa ciekłego w formie estrów wyższych kwasów tłuszczowych w województwie kujawsko-pomorskim (w TJ). Źródło: opracowanie własne. Biogazownia rolnicza zaopatruje się w surowiec od okolicznych rolników na zasadach umowy kontraktacji. Firma zakupuje materiał siewny oraz zapewnia transport substratu do biogazowni, w zamian za to rolnik jest zobowiązany wykonać niezbędne zabiegi agrotechniczne i zebrać plon. Od producentów trzody chlewnej odbierana jest także gnojowica niezbędna w procesie fermentacji. Dodatkową korzyścią dla dostawców jest jej utylizacja w trakcie całego roku. Ze względu na ograniczenia prawne, rolnicy mają utrudnione możliwości jej zagospodarowania poza sezonem wegetacyjnym. Rolnicy którzy dostarczają produkty do wytworzenia biogazu mogą odebrać w zamian substancję pofermentacyjną, która jest pozbawiona szkodliwych substancji i można ją wykorzystać do nawożenia pól. Kukurydza do produkcji biogazu zbierana jest z ok. 800 ha. Średnio z 1 ha uprawy kukurydzy można uzyskać ok. 40 t zielonki, co daje sumę wynoszącą ok t. Surowiec jest gromadzony na przełomie września i października. Następnie na terenie zakładu przygotowywana jest kiszonka zgodnie z zasadami dobrej praktyki rolniczej. Proces produkcji kiszonek trwa ok. 6 tygodni, od momentu odcięcia dostępu powietrza poprzez prawidłowe ugniecenie i okrycie zakiszanej biomasy. Dziennie ok. 80 ton kiszonki z kukurydzy zużywane jest w procesie produkcji biogazu. Rocznie zapotrzebowanie wynosi ok t. Ponadto, należy uwzględnić ok. 20% rezerwy surowcowej, w jaką powinno zaopatrzyć się przedsiębiorstwo. Drugim surowcem w procesie produkcji biogazu jest gnojowica, którą dostarczają rolnicy specjalizujący się w produkcji trzody chlewnej. Gnojowica w całości dostarczana jest od okolicznych rolników. Zapotrzebowanie na gnojowicę w przedsiębiorstwie wynosi ok. 24 ton dziennie. Wyniki szacowania potencjału energetycznego na poziomie ekonomicznym dla zielonki z kukurydzy wskazują, że w gminie możliwe jest pozyskanie surowca na ten cel z areału wynoszącego ok. 800 ha. Dla powiatu areał ten szacowany jest na około 1900 ha. Dla potrzeb teoretycznego eksperymentu przyjęto wykorzystanie różnych środków transportu przedstawionych w tabeli 3. Dla każdego przedsiębiorstwa zastosowano 3 warianty cenowe oleju napędowego oraz 3 odległości referencyjne transportu biomasy.

6 Tabela 3. Układ doświadczenia. Firma Materiał Środki transportu Ładowność naczepy Cena oleju napędowego zł l -1 Odległość (wariant) km A Sieczka z kukurydzy ciągnik siodłowy + naczepa wywrotka 20 Mg, 33 m 3 3,56 10 I 4,06 30 II 4,30 50 III B Słoma w balotach walcowych fi 150 ciągnik siodłowy + naczepa platforma 36 szt. 20 Mg 3,56 10 I 4,06 30 II 4,30 50 III C Nasiona rzepaku ciągnik siodłowy + naczepa wywrotka 27 Mg, 33 m 3 3,56 10 I 4,06 30 II 4,30 50 III Źródło: opracowanie własne. Wyniki badań Dla przyjętych przewożonych materiałów dokonano symulacji kosztochłonności przewozów uwzględniając jedynie ceny oleju napędowego. Celowo nie kalkulowano kosztów stałych wynikających z amortyzacji pojazdów czy kosztów pracy. Takie podejście wynika bezpośrednio z chęci oszacowania wpływu odległości na wzrost nakładów ponoszonych na zakup surowca ze względu na odległość. Średnia cena paliwa wyliczona została na podstawie notowań archiwalnych hurtowych cen oleju eurodiesel dla lat [1], Uzyskane dane przedstawiono w tabeli 4. Podsumowanie W przedsiębiorstwach branży OZE produkujących biopaliwa istnieje konieczność wspomagania decyzji związanych z zaopatrzeniem w biomasę, wynikająca szczególnie z dużego rozproszenia terytorialnego występowania biomasy oraz jej właściwości fizycznych dużej objętości, utrudniającej transport i magazynowanie. Uwarunkowania te sprawiają, że koszty ponoszone przez producentów biopaliw, związane z zaopatrzeniem (zbiorem, transportem, magazynowaniem) są wysokie i stanowią znaczny udział w całkowitym koszcie produkcji biopaliw. Badania związane ze wspomaganiem decyzji w zakresie zaopatrzenia w surowiec bezpośrednio przyczynią się do optymalizacji tych procesów, co przełoży się na zmniejszenie kosztów i wzrost efektywności produkcji biopaliw. Jak wynika z przeprowadzonej analizy najniższe koszty uzyskuje się dla paliw o największej gęstości (rzepak). Uzyskane wyniki są zgodne z oczekiwaniami. W wyniku prowadzonych analiz uzyskano średni koszt dostarczenia surowca do przetwórni. Informacja taka jest przydatna do określania potencjału ekonomicznego biomasy przeznaczonej na cele energetyczne. Potencjał ten jest bowiem ściśle determinowany ekonomiką produkcji oraz ceną sprzedaży wyrobu.

7 Tabela 4. Koszt zużycia oleju napędowego w czasie transportu surowca do przetwórni. Cena oleju napędowego Wariant I transport z miejsca oddalonego o 10 km Wariant II transport z miejsca oddalonego o 30 km Wariant III transport z miejsca oddalonego o 50 km zł l -1 zł t -1 zł t -1 zł t -1 Koszt oleju napędowego w czasie transportu słomy zestaw ciągnik siodłowy + naczepa platforma 3,56 1,5 4,5 7,6 4,06 1,7 5,2 8,6 4,30 1,8 5,5 9,1 Koszt oleju napędowego w czasie transportu zielonki z kukurydzy zestaw ciągnik siodłowy + naczepa wywrotka 3,56 0,50 1,51 2,52 4,06 0,58 1,73 2,88 4,30 0,61 1,83 3,04 Koszt oleju napędowego w czasie transportu nasion rzepaku zestaw ciągnik siodłowy + naczepa wywrotka 3,56 0,15 0,45 0,76 4,06 0,17 0,52 0,86 4,30 0,18 0,55 0,91 Źródło: opracowanie własne. Streszczenie Celem artykułu jest zasygnalizowanie problemu wpływu zużycia paliwa na kosztochłonność pozyskiwania surowców do produkcji biopaliw. Jest to spowodowane niewystarczającym potencjałem ekonomicznym zasobów. Zwiększenie odległości spowodowane brakiem surowców powoduje potrzebę zwiększenia promienia obszaru z którego jest on pozyskiwany. Powoduje to oprócz strat ekonomicznych także zwiększoną emisję CO 2. Działanie takie jest więc niekorzystne ze względów ekologicznych. Prawidłowe dobranie wydajności przetwórni powinno opierać się na dobrze wykonanej ocenie potencjału ekonomicznego biomasy. Słowa kluczowe Surowce do produkcji biopaliw, substraty biogazowni, rzepak Abstract Logistics of supply raw material in the production of biofuels The aim of this article is signaled influence of the problem on the fuel consumption cost-absorption raw material sourcing for the production of biofuels. This is due to insufficient economic potential resources. Increase the distance due to the lack of raw materials will need to increase the radius of the area from which it is derived. This results in addition to the economic takeoff, CO 2 - emissions also increased. Such action is so unfavorable for environmental reasons. Correct selection of processing capacity should be based on well done assessing the economic potential of biomass.

8 Keywords Raw materials for the production of biofuels, biogas substrates, rape LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Ceny paliw. wum_cen_paliw ( ) [2]. Duda-Kękuś A. Transport biomasy w logistyce dostaw paliw dla elektrowni systemowych realizujących program zielonej energetyki. Logistyka 2/2011. [3]. Janowicz L., Kunikowski G. Ocena zasobów odnawialnych w oparciu o system informacji geograficznej (GIS). Inżynieria Rolnicza 4(102)/2008. [4]. Jasiulewicz M. Potencjał biomasy w Polsce. Wydawnictwo Politechniki Koszalińskiej. Koszalin [5]. Maj G., Piekarski W., Kowalczyk-Juśko A., Logistyka dostaw surowca do biogazowi rolniczej. Logistyka 6/2014. [6]. Możliwości wykorzystania odnawialnych źródeł energii w Polsce do roku 2020, Instytut Energetyki Odnawialnej, Warszawa 2007, s [7]. Odnawialne źródła energii zasoby i możliwości wykorzystania na terenie województwa kujawsko-pomorskiego. Kujawsko-Pomorskie Biuro Planowania Przestrzennego i Regionalnego we Włocławku: s [8]. Panichelli L., Gnansounou E. GIS-based approach for defining bioenergy facilities location: A case study in Northern Spain based on marginal delivery costs and resources competition between facilities, Biomass and Bioenergy 32/2008, s [9]. Rogulska M. (et al.) Powiązanie rolnictwa i energetyki w kontekście realizacji celów gospodarki niskoemisyjnej w Polsce. Polish Journal of Agronomy 7/2011, s [10]. Siejka K. i in., Koncepcja szacowania potencjału energetycznego biomasy na przykładzie wybranej gminy województwa opolskiego, Inżynieria Rolnicza 6(104)/2008: s [11]. Żarski W., Utilization of biomass for energy production purposes in the Kujawsko-Pomorskie Province. Examples and development prospects, Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarządzania Wiedzą nr 61, Bydgoszcz 2012, s