Instytut Inzynierii Rolniczej Uniwersytet Przyrodniczy we Wroclawiu Recenzja rozprawy doktorskiej mgr inz. Patryka Stasiaka pt.

Transkrypt

1 Prof, dr hab. inz. Jozef Szlachta Wroclaw, dnia r. Instytut Inzynierii Rolniczej Uniwersytet Przyrodniczy we Wroclawiu Recenzja rozprawy doktorskiej mgr inz. Patryka Stasiaka pt. Modelowanie wytwarzania biogazu rolniczego " 1. Wsten Na wstepie pragne podkreslic, iz Autor podjaj temat pracy dotycza^cy waznej problematyki zwiazanej z wytwarzaniem biogazu rolniczego. Biorac pod uwage obowiazujaee i ciajde wzrastaja.ce wymagania w krajach UE w zakresie ograniczenia emisji gazow cieplarnianych oraz zwiekszenia udzialu energii pozyskiwanej z OZE, problematyka ta jest ciajde aktualna i wazna dla wypelnienia przez Polsk? zobowiazah w tym zakresie jakie zostaly na nasz kraj nalozone w okresie do roku Tematyka pracy wpisuje si? takze w wojewodzki i krajowy program rozwoju odnawialnych zrodel energii. 2. Ocena formalna pracy Na wstepie nalezy podkreslic, ze praca stanowi zwarte, dobrze przemyslane pod wzgl?dem metodycznym opracowanie. Praca zawiera lacznie 6 rozdzialow i liczy 205 numerowanych stron wydruku komputerowego. Opisowa. cz?sc pracy poprzedza wykaz wazniejszych oznaczeh stosowanych w pracy. Brak natomiast spisu tabel i spisu rysunkow. Poszczegolne rozdzialy zawieraja. nast?puja.ce ilosci stron: Wstep 3 1. Przeglad literatury Cel i zakres pracy 2 3. Material i metodyka badan Wyniki badan i ich dyskusja Podsumowanie i wnioski 6 6. Bibliografia wraz z wykazem norm 6 Odnoszac si? do zawartosci poszczegolnych rozdzialow odnosi si? wrazenie, ze praca jest dobrze przemyslana i opracowana zwlaszcza pod wzgl?dem metodycznym w odniesieniu do charakterystyki biometrycznej roslin energetycznych. W tym wzgl?dzie zauwazalna jest duza wiedza i doswiadczenie badawcze jakim charakteryzuje si? Katedra Maszyn Rolniczych i Lesnych, Wydzialu Inzynierii Produkcji SGGW. Rownoczesnie czytajac prac? latwo zauwaiyc, ze glowne cz?sc pracy jest poswi?cona wlasnie charakterystyce biometrycznej roslin energetycznych z przeznaczeniem do pozyskiwania biogazu, a znacznie mniej dotyczy modelowania procesu wytwarzania biogazu, jak to sugeruje tytul pracy. Tematyce zwiazanej z modelami matematycznymi wytwarzania biogazu Autor poswi?cil zaledwie 7 stron w rozdziale wyniki oraz kilka stron w metodyce. Uwazam wi?c, ze tytul pracy powinien raczej brzmiec "Charakterystyka roslin energetycznych w aspekcie przydatnosci do wytwarzania biogazu rolniczego". Rozdzial 1 - przegl^d literatury - to wazna cz?sc pracy, gdzie Autor koncentruje si? na analizie stanu zagadnienia dotyczacego produkcji i wykorzystania biogazu rolniczego. Wiele miejsca poswi?ca problematyce czynnikow determinuja^cych proces wytwarzania biogazu, wlasciwosci biomasy jako substratu wsadowego do fermentacji, poprawie efektywnosci procesu. Autor opisuje takze kilka podstawowych modeli stosowanych do opisu kinetyki wytwarzania biogazu jak model Gompertza, Jewella, ADM1, zwracajac uwag? na zlozonosc i wielofazowosc procesu biochemicznego rozkladu substancji organicznej. Autor analizuje takze stan wiedzy w aspekcie parametrow procesu fermentacji i analizuje znaczenie parametrow prowadzenia procesu fermentacji jak obciazenie obj?tosciowe komory oraz hydrauliczny czas retencji, co z punktu widzenia bilansowania wsadu do komory fermentacyjnej odgrywa wazna. rol?. Rozdzial 2 - Cel i zakres pracy - Autor stwierdza, ze celem pracy bylo wyjasnienie wplywu parametrow wejsciowych na efektywnosc produkcji biogazu rolniczego z wybranych surowcow

2 2 organicznych oraz wyznaczenie relacji miedzy parametrami charakteryzujacymi substrat do procesu fermentacji (np. rozmiar czastek, wilgotnosci) i parametrow prowadzenia procesu fermentacji beztlenowej a iloscia. wytworzonego biogazu, co w konsekwencji moze stworzyc mozliwosc opracowania modeli matematycznych odwzorowujacych proces fermentacji anaerobowej. Osiajmiecie tak okreslonego celu glownego uzyskano przez realizacj? celow szczegolowe jak: > Sporzadzenie charakterystyk biometrycznych pedow naziemnych roslin i wymiarow czastek rozdrobnionego materiahi roslin energetycznych (miskant olbrzymi, rdestowiec sachalihski, spartina preriowa, slazowiec pensylwahski, topinambur, palczatka Gerarda) przeznaczonych na produkcj? biogazu. > Empiryczne oznaczenie mocy i energii efektywnej niezbednej do przygotowania materiahi wsadowego do produkcji biogazu (rozdrobnienie materiahi, zag?szczenie mieszanin w formie minisilosow) oraz porownanie z energia. efektywna. uzyskana. z wyprodukowanego metanu. > Wyjasnienie wpfywu parametrow wejsciowych na efektywnosc produkcji biogazu z wybranych roslin energetycznych oraz wyznaczenie relacji miedzy parametrami charakteryzujacymi wsad do procesu fermentacji i parametrami prowadzenia procesu fermentacji beztlenowej a iloscia. wytworzonego biogazu. > Opracowanie modeli matematycznych wytwarzania biogazu z substratow badanych roslin energetycznych. Zakres pracy obejmowai miedzy innymi opracowanie metodyk badan i wykonanie stanowisk badawczych, wyznaczenie wlasciwosci fizycznych badanych roslin energetycznych (charakterystyki biometryczne, rozklad wilgotnosci wzdhiz pedu), wyznaczenie sredniej geometrycznej oraz odchylenia standardowego rozdrobnionych czastek roslin energetycznych, zageszczenie materiaha roslin energetycznych do minisilosow z przeznaczeniem na biogaz, wyznaczenie jednostkowej mocy i energii efektywnej do ciecia surowca z roslin energetycznych. Oddzielna. grup? podj?tych badan stanowilo wyznaczenie podstawowych parametrow kiszonki z roslin energetycznych przeznaczonych do produkcji biogazu oraz przeprowadzenie w skali laboratory]nej badan w celu wyznaczenia ilosci i skladu wyprodukowanego biogazu z roslin energetycznych w zakladanym czasie retencji. Nastepnie zakres badan obejmowai opracowanie modeli matematycznych wytwarzania metanu w procesie fermentacji anaerobowej wybranych roslin energetycznych z uwzglednieniem analizy statystycznej. Zakres pracy obejmowai- w pierwszym etapie pracy sporzadzenie charakterystyki biometryczne pedow i rozdrobnionej biomasy z roslin energetycznych zbieranych w dwoch fazach rozwojowych z przeznaczeniem do produkcji kiszonki i nastetpnie biogazu. Badaniami objeto material roslin energetycznych miskanta olbrzymiego, rdestowca sachalihskiego, spartiny preriowej, slazowca pensylwahskiego, topinamburu i palczatki Gerarda. W drugim etapie pracy przewidziano poddanie kiszonki z roslin energetycznych procesowi fermentacji metanowej. Przebieg fermentacji byl monitorowany przez zapis ilosci wyprodukowanego biogazu, metanu i dwutlenku wegla. Rozdzial 3- Material i metodyka badan - przedstawia szczegolowy opis stanowisk badawczych, stosowanych procedur i metod badan i opracowania wynikow wyjsciowych odnosnie pozyskiwania materiahi roslinnego do badan, sposobu rozdrabniania, zageszczanie w minisilosach oraz sposobu prowadzenia fermentacji beztlenowej badanych roslin energetycznych. Do oszacowania wynikow produkcji metanu z poszczegolnych roslin energetycznych zastosowano modele: model Gompertza, model zmodyfikowany Gompertza, model funkcji logistycznej, opublikowany przez Pierre-Francois Verhulsta. Dodatkowo otrzymane wyniki produkcji biogazu aproksymowano przy wykorzystaniu: -modelu Rosina-Rammlera-Sperlinga-Bennetta (RRSB). Rozdzial 4 - Wyniki badan i ich dyskusja - zawiera wyniki badan dotyczacych przede wszystkim charakterystyki biometrycznej roslin energetycznych, wilgotnosci materiahi, charakterystyki rozdrobnienia materialow roslinnych wraz z wykresami skumulowanej cz?stosci czastek pocietego materiahi z uwzglednieniem terminu jego zbioru. Znaczna. cz?sc tych badan poswiecono problematyce

3 3 zageszczania surowca w minisilosach wyznaczajac charakterystyki zageszczania rozdrobnionego surowca z poszczegolnych roslin dla ulozenia od 1-4 warstw materialu. Wyznaczono takze macierze korelacji pomiedzy parametrami zageszczania w minisilosach oraz opracowano modele matematyczne dla stopnia zageszczania surowca w minisilosach. Rozdzial 5- Podsumowanie i wnioski - stanowi podsumowanie dokonah badawczych. Autor dokonujac podsumowania poczynionych badan i analiz pod katem przydatnosci badanych roslin do wytwarzania biogazu opracowal 15 wnioskow nawiazuja/cych do celu pracy i celow szczegolowych postawionych przy formulowaniu problemu badawczego. 3. Merytoryczna ocena rozprawy U podstaw genezy podjecia tematu rozprawy, co Autor stwierdza we wstepie, istnieje miedzy brak wiedzy odnosnie modeli fermentacji beztlenowej roslin energetycznych jak: topinambur, slazowiec pensylwahski, spartina preriowa, miskant olbrzymi, palczatka Gerarda, rdestowiec sachalihski. Natomiast podsumowujac przeglad literatury Autor slusznie zauwaza, ze glownymi elementami majacymi wplyw na przebieg procesu fermentacji jest zawartosc suchej substancji i wegla organicznego. Autor zauwaza takze, ze zebranie glownych danych o substracie wsadowym, przy zachowaniu na odpowiednim poziomie pozostalych parametrow substratu, pozwala modelowac produkcje biogazu na podstawie pozostalych parametrow procesu jak: ph, temperatura zawartosc azotu. Powyzsze sugeruje, ze glowny ciezar w pracy zostanie polozony (zgodnie z tytulem) na modelowanie produkcji biogazu?! Tymczasem czytajac prace odnosi si? wrazenie, ze glowny nacisk polozono na charakterystyk? biometryczna. surowca roslinnego z bardzo szeroka. i doglebna. analiza. procesu jego rozdrabniania, zageszczania w minisilosach, analizie porownawczej ilosci zuzytej energii na rozdrabnianie i zbior wobec energii zawartej w pozyskanym metanie. Niewatpliwie ta czesc pracy dostarcza wielu cennych informacji o charakterze poznawczym i utylitarnym, jak szczegolowa analiza biometryczna pedow roslin energetycznych, charakterystyka czajstek po rozdrobnieniu czy ich podatnosc do zageszczania podczas zakiszania. Wysoko oceniam caly podrozdzial Charakterystyki rozdrobnienia materialu roslinnego, gdzie dokonano wnikliwej analizy rozkladu gestosci wymiarow czastek materialu z roslin energetycznych za pomoca. sieczkarni toporowej. Zamieszczone wykresy rozkladu wymiaru czajstek, wykresy skumulowane czestosci czastek oraz analiza statystyczna obejmujaca analize wariancji wieloczynnikowej a takze test Duncana dla wykazania grup jednorodnych wymiarow czastek analizowanych roslin energetycznych stanowi wazny wklad do rozpoznania przydatnosci badanych roslin energetycznych do procesow fermentacji anaerobowej. Z punktu widzenia wymagah, jakie sa. wazne dla prawidlowego zakiszania zielonej masy na cele energetyczne, niewatpliwie przydatne sa. zwlaszcza dla praktyki zamieszczone charakterystyki zageszczania sieczki z badanych roslin z uwzglednieniem nacisku i ilosci warstw w minisilosie. Opracowane szczegolowe macierze korelacji pomiedzy parametrami zageszczania w minisilosow wnosza. cenne informacje poznawcze do problematyki przygotowania substratow roslinnych do biogazowni. Pozytywnie nalezy ocenic cz?sc pracy dotyczaca. procesu fermentacji beztlenowej kiszonek z badanych roslin energetycznych. Prezentowane wyniki procesu uzyskano zgodnie ze standardami metodycznymi w zakresie prowadzenia procesu fermentacji beztlenowej jak rowniez opracowania wynikow badan. Uzyskane wydajnosci biogazu, metanu oraz wydajnosci CO2 dla badanych roslin i dwoch terminow zbioru wskazuja. na przydatnosc tych roslin jako substraty biogazowe, aczkolwiek wykazano istotne roznice pomiedzy poszczegolnymi roslinami zarowno pod wzgledem wielkosci produkcji biogazu i metanu a takze czasu trwania fermentacji do pelnego wygazowania substratu z danej rosliny. Istotny i stanowia^cy aspekty poznawcze jest kohcowa czesc pracy - rozdzial 4.7- gdzie Autor dokonuje bilansu energii jednostkowej w procesie przygotowania biomasy i energii zawartej w wytworzonym metanie. Obliczona energia jednostkowa ciecia w odniesieniu do 1 tony suchej substancji wahala si? od 5,33 kwh dla miskanta do 3,61 kwh dla spartiny preriowej. Znajac teoretyczne ilosci energii wyrazonej w kwh/t ss obliczonych na podstawie wartosci opalowej metanu

4 4 3 9,97kWh/m n dokonano bilansu energii efektywnej na ciecie, zbior roslin wobec energii jednostkowej zawartej w metanie. W rozdziale 4.8 Autor dokonal porownania opisu skumulowanej produkcji biogazu i metanu z piecioma modelami matematycznymi, tj. medelem Gompertza, zmodyfikowanym modelem Gompertza, modelem logistycznym, modelem Rosina-Rammlera-Sperlinga-Bennetta (RRSB) oraz modelem Gaussa. Autor, w oparciu o wspolczynniki determinacji R 2 i Wedu globalnego 5 g ocenil przydatnosc poszczegolnych modeli do opisu kinetyki procesu fermentacji dla poszczegolnych roslin. Wykazal rownoczesnie, ze model logistyczny jest najlepiej opisuje srednie oceny miar wszystkich szesciu badanych roslin energetycznych przy R 2 = 99,76% i 5 g =2,91%. Do najwazniejszych osiajgniec Autora zaliczam: 0 dopracowanie metodyki do okreslania parametrow biometrycznych roslin energetycznych jak miskant olbrzymi, spartina preriowa, slazowiec pensylwahski, rdestowiec sachalihski, topinambur i palczatka Gerarda, E3 dokonanie wnikliwej analizy ciecia materiahi roslinnego oraz okreslenie mocy jednostkowej ciecia w odniesieniu do suchej substancji, Q okreslenie wskaznikow miar i modeli matematycznych zageszczania materiahi w minisilosach uwzgledniajacych wspolczynnik podatnosci materialu do zageszczania, (ill wyznaczona. empirycznie efektywna. energie jednostkowa. niezbedna. do rozdrobnienia biomasy oraz porownanie jej z energia. uzyskana. z wyprodukowanego biogazu metanu, ktora wykazala, ze procentowe relacje tych energii wynosza. dla spartiny preriowej 0,97%, slazowca pensylwahskiego 1,00%, rdestowca sachalihskiego 1,10%, palczatki Gerarda 1,53%, miskanta olbrzymiego 1,65% i topinambura 2,16%. Stworzony ranking roslin wzgledem tej relacji wskazuje na efektywnosc energetyczna. biomasy i jest korzystniejsza. miara. oceny rosliny do produkcji metanu niz jej wartosci bezwzgledne, wykazanie, ze do opisu krzywej kinetyki procesu wytwarzania metanu, sposrod pieciu analizowanych modeli matematycznych, najlepszym modelem do symulacji procesu produkcji metanu okazal sie model funkcji logistycznej, chociaz wysokimi miarami ocen cechuja. sie rowniez modele wykladnicze Gompertza i zmodyfikowany Gompertza. Dla tych modeli wspolczynniki determinacji sa. wysokie, powyzej 99,5%, a wartosci bledu globalnego sa. male (<4,5%). 4. Wniosek koncowy Podsumowujqc przeprowadzon^ recenzje rozprawy doktorskiej mgr inz. Patryka Stasiaka pt. Modelowanie wytwarzania biogazu rolniczego stwierdzam, ze Autor wykazal sie zadawalajaca. znajomoscia. literatury przedmiotu, umiejetnoscia. komentowania danych literaturowych i rozwia^zywania problemow teoretycznych oraz bardzo dobrym przygotowaniem do planowania i realizacji eksperymentu badawczego. Autor rozwiazal przyjety w pracy problem naukowy, zawarty w celach szczegolowych pracy, a odnosza^cych sie glownie do udzielenia odpowiedzi na pytania: - jak ksztahuja, sie charakterystyk biometrycznych pedow naziemnych roslin i wymiarow czajstek rozdrobnionego materialu roslin energetycznych (miskant olbrzymi, rdestowiec sachalihski, spartina preriowa, slazowiec pensylwahski, topinambur, palczatka Gerarda) przeznaczonych na produkcje biogazu? - jak ksztahuje sie wielkosc mocy i energii efektywnej niezbednej do przygotowania materialu wsadowego do produkcji biogazu (rozdrobnienie materialu, zageszczenie mieszanin w formie minisilosow) oraz porownanie z energia. efektywna. uzyskana. z wyprodukowanego metanu? - jaki jest wplyw i powiazanie parametrow wejsciowych na efektywnosc produkcji biogazu z wybranych roslin energetycznych oraz jaka jest relacja miedzy parametrami charakteryzujacymi wsad do procesu fermentacji i parametrami prowadzenia procesu fermentacji beztlenowej a iloscia. wytworzonego biogazu? czy znane modele matematyczne stosowane w literaturze do opisu kinetyki procesu fermentacji

5 5 beztlenowej dobrze opisujajen proces w odniesieniu do kiszonek z roslin energetycznych? Uzyskane wyniki eksperymentu, analiz matematycznych i statystycznych zamieszczone w pracy przyczyniaja. si? do poszerzenia wiedzy naukowej i utylitarnej z dyscypliny inzynieria rolnicza odnosnie kompleksowej przydatnosci materialu z roslin energetycznych takich jak (miskant olbrzymi, rdestowiec sachalihski, spartina preriowa, slazowiec pensylwahski, topinambur, palczatka Gerarda) przeznaczonych na produkcje biogazu. Przedstawione w recenzji uwagi odnosnie uzycia modeli matematycznych do opisu kinetyki procesu fermentacji a nie modelowania procesu, maja. charakter dyskusyjny i nie obnizaja. wartosci merytorycznej ocenianej pracy. Majac na uwadze dobrze zaplanowany i przeprowadzony eksperyment badawczy, doglebna. i wielowatkowa. analiz? wynikow badan, pozytywnie nalezy ocenic dzialania Autora zmierzaja.ce rozwiazania problemu naukowego oraz osiajgni?cia przyj?tych celow pracy. Autor zrealizowal przyj?ty cel glowny oraz cele szczegolowe oraz wniosl nowe elementy poznawcze do problematyki dotyczacej charakterystyki roslin energetycznych jako sbubstratow stosowanych w biogazowniach rolniczych. Nalezy z uznaniem ocenic uzyskane w tym zakresie wyniki, co znaczaco zwi?ksza mozliwosc wykorzystania do biogazowni rolniczych kiszonek z takich roslin jak miskant olbrzymi, spartina preriowa, slazowiec pensylwahski, rdestowiec sachalihski, topinambur i palczatka Gerarda. W swietle powyzszego stwierdzam, ze przedlozona do recenzji rozprawa doktorska spelnia ustawowe wymagania stawiane pracom doktorskim zgodnie z ustaw;} o stopniach i tytulach naukowych oraz o stopniach i tytulach w zakresie sztuki (Dz. U. 65 poz. 595 z dnia 14 marca 2003) i na tej podstawie stawiam wniosek o dopuszczenie mgr inz. Patryka Stasiaka do dalszej czesci przewodu doktorskiego.