TRAWY WIELOLETNIE NA CELE ENERGETYCZNE AGROTECHNIKA I TECHNOLOGIA PRZEROBU

Transkrypt

1 1 Dr inż. DANUTA MARTYNIAK *, dr hab. GRZEGORZ ŻUREK *, mgr MARCIN MARTYNIAK ** * Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin Państwowy Instytut Badawczy, ** Uniwersytet Warszawski TRAWY WIELOLETNIE NA CELE ENERGETYCZNE AGROTECHNIKA I TECHNOLOGIA PRZEROBU NORMY WYSIEWU I WYSADZANIA Gatunki, które nie rozmnażają się z nasion (gatunki z rodzaju Miscanthus) lub wytwarzają nasiona o niskiej zdolności kiełkowania (np. Spartina i Andropogon) można rozmnażać przez wysadzanie sadzonek otrzymanych metodą in vitro lub przez podział starszych roślin z już istniejących plantacji. Metoda ta jest pracochłonna i wymaga dostępności materiału. Z kolei produkty techniki in vitro są już dostępne na polskim rynku i w zasadzie nie ma praktycznych ograniczeń w ich stosowaniu. Na zagospodarowanie 1 ha uprawy miskantusa lub spartiny potrzeba od 10 do 20 tys. sadzonek. Wysadzanie powinno odbywać się wtedy, gdy ryzyko przymrozków jest już niewielkie, tzn. w drugiej połowie kwietnia. Pole pod wysadzanie tych gatunków powinno być wolne od szybko rosnących chwastów, które w początkowym okresie wolnego wzrostu traw, mogłyby je zagłuszyć. Gatunki wysiewane z nasion (perz wydłużony, mozga trzcinowata, kostrzewa trzcinowa) wysiewa się tradycyjnym, odpowiednio uregulowanym siewnikiem zbożowym. Ilości wysiewanych nasion w zależności od gatunku wynosi od 5 do 10 kg/ha. NAWOŻENIE Zasobność gleby bezpośrednio warunkuje potrzeby nawozowe roślin. W odniesieniu do specyficznych upraw, jakimi są trawy energetyczne zasadniczo należy unikać zbyt obfitego nawożenia. Większość podanych zewnętrznie składników pokarmowych (azot, potas, sód) przechodzi do biomasy i może, o ile nie przeprowadzi się zabiegów ograniczających ich zawartość (np. sezonowanie), wpływać negatywnie na jakość biomasy (tab. 1). Różnice w ilościach makroskładników zawartych w biomasie mogą sięgać do około 97 kg potasu, 24 kg azotu i 19 kg magnezu na 1 ha nawożonej uprawy miskantusa olbrzymiego zebranego późną jesienią w porównaniu do zbioru wiosennego (marzec-kwiecień). Nadmiar tych substancji wpływa niekorzystnie na proces przerobu biomasy. Wiadomo, że spalanie biomasy roślinnej odznaczającej się znacznym udziałem siarki i chloru, a także metali alkalicznych (sodu, potasu czy magnezu), może prowadzić do wzmożonej wysokotemperaturowej korozji chlorowej i siarczanowo-siarkowej oraz żużlowania powierzchni ogrzewalnych kotłów energetycznych. W kotłach fluidalnych istnieje zaś ryzyko aglomeracji złoża. Nadmiar azotu powoduje z kolei nadmierną emisję tlenków azotu (NO x ) do atmosfery. Nawożenie wspomaga wzrost i rozwój młodych roślin po posadzeniu lub wysiewie. Z obserwacji autora wynika, że nienawożona plantacja miskantusa osiąga swoje optimum plonowania już po 2 latach od posadzenia, podczas gdy nawożona po 4 latach i później (rys. 1). W przypadku innych gatunków np. mozgi trzcinowej, nawożenie jest niezbędnym elementem warunkującym uzyskanie w miarę opłacalnego plonu, chociaż żywotność plantacji tego gatunku gwałtownie spada już w 3. roku od siewu (rys. 2). Tabela 1. Zawartość makroskładników w plonie biomasy miskantusa w zależności od terminu zbioru oraz poziomu nawożenia Termin zbioru Zbiór jesienny Zbiór wiosenny Nawożenie N [kg/ha] Zawartość makroskładników w plonie biomasy z 1 ha [kg] N P K Ca Mg C Plon suchej masy [t/ha] 0 72,9 6,0 61,4 17,2 17, ,4 26, ,8 7,7 94,5 19,0 19, ,1 20, ,6 8,0 141,6 32,5 32, ,9 32,4 0 47,1 1,2 17,3 4,9 7, ,3 15, ,1 2,3 26,1 7,6 13, ,6 16, ,7 3,1 44,8 13,6 13, ,1 20,1 NIR (p = 95%) 2,61 0,21 2,55 1,63 n.i. n.i. 5,1 Różnica pomiędzy zbiorami 0 25,8 4,8 44,1 12,3 9, ,1 11, ,7 5,4 68,4 11,4 6,0 976,5 3, ,0 4,8 96,8 18,9 18, ,8 12,2

2 t s.m./ha Poziomy nawożenia: N-P-K: 0-0-0; ; [kg/ha] kg/ha 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0, Poziomy nawożenia: N-P-K: 0-0-0; ; Rysunek 1. Dynamika plonowania biomasy miskantusa olbrzymiego (rok posadzenia 2008) w zależności od nawożenia Źródło: obliczenia własne Rysunek. 2. Dynamika plonowania biomasy mozgi trzcinowej (wartości średnie z dwu odmian: Keszthelyi i Premier) wysianej w roku 2008, w zależności od nawożenia ZBIÓR Zaletą uprawy traw wieloletnich na biomasę jest możliwość zbioru za pomocą konwencjonalnych narzędzi rolniczych (fot. 1, 2, 3, 4). Kosiarka boczna, prasa do słomy, przyczepa oraz ciągnik zaopatrzony w ładowacz powinny wystarczyć do podjęcia plonu z pola i przetransportowania go do miejsca składowania. Jedynie w wypadku największych gatunków, takich jak np. miskantus olbrzymi, należy wyposażyć prasę w tzw. kondycjoner, który przed sprasowaniem miażdży długi i sztywne łodygi. TECHNOLOGIA PRZEROBU Spalanie bezpośrednie Podstawowe parametry użytkowe wybranych gatunków traw wieloletnich przedstawiono w tabeli 2. Biomasa zebrana z pola powinna być przystosowana do dalszych etapów przerobu. Można ją zatem sprasować prasą niskiego lub wysokiego zgniotu i w tej formie spalać. Może być również przetworzona na pelet lub brykiet opałowy. W ten sposób uzyskujemy znaczną koncentrację energii w jednostce objętości surowca, który jest łatwy w transporcie, przechowywaniu oraz podawaniu do pieca (pełna automatyka). Fotografia 1. Biomasa miskantusa gotowa do zbioru (luty) Foto: G. Żurek Produkcja biogazu Technologia produkcji biogazu z wykorzystaniem biomasy traw stopniowo zdobywa coraz więcej zwolenników i z pewnością w najbliższej przyszłości stanie się w Polsce równie popularna jak np. w Niemczech. Podstawowym procesem zaangażowanym w produkcji biogazu jest fermentacja biomasy. Może odbywać się ona np. w silosach do kiszenia zielonki. W przeprowadzonych badaniach porównawczych nad zdolnością wybranych Fotografia 2. Koszenie biomasy miskantusa bezpośrednio z pola Foto: G. Żurek

3 3 Tabela 2. Parametry użytkowe wybranych gatunków traw do produkcji bioenergii Gatunek Kostrzewa trzcinowa Mozga trzcinowata Perz wydłużony Spartina preriowa Miskantus olbrzymi Proso rózgowate Palczatka Gerarda Sposób mnożenia Szacunkowe plony [t s.m./ha] Wartość kaloryczna [MJ/kg] Zawartość popiołu [%] nasiona ,0 7,0 nasiona ,7 6,3 nasiona ,6 3,1 kultury in vitro podział kęp kultury in vitro ,8 1, (44) 18,2 2,0 nasiona ,0 1,7 nasiona ,9 1,8 Tabela 3. Zestawienie wybranych wyników dotyczących oceny przydatności gatunków traw energetycznych do zakiszania Gatunek Węglowodany rozpuszczalne w H 2 O * [%] Współczynnik fermentacji * Miskantus cukrowy 9,8 71,3 Perz wydłużony 7,2-10,4 69,8 Proso rózgowate 4,6-5,3 46,0 Palczatka Gerarda 4,7-6,45 44,5 * wartości dla roślin w fazie pełnej dojrzałości tzn. po fazie kwitnienia na podstawie [Piłat i in. 2007a,b,c, Majtkowski i Piłat 2009] Tabela 4. Plony metanu z 1 ha uprawy wybranych gatunków roślin energetycznych Gatunek, odmina Źródło danych: Martyniak i Żurek 2013 Mast i in Życica trwała tertaploidalna 7247,0 - Stokłosa bezostna 6064,3 - Kukurydza ,0 Stokłosa uniolowata 5244,9 - Sylfia (rożnik przerośnięty) ,0 Perz wydłużony Szarvasi ,0 Perz wydłużony Bamar 3447,5 - Fotografia 3. Belowanie biomasy lignocelulozowej wprost z pola jesienią wrzesień, Radzików Fot: D. Martyniak Fotografia 4. Pomiar wilgotności (słomy) perzu wydłużonego, Radzików Foto: J. Martyniak gatunków traw do zakiszania uzyskano ciekawe i nowatorskie wyniki na polskim rynku badań naukowych (tab. 3). Badania te wskazują na znaczny potencjał tych gatunków do produkcji substratu do biogazowni. Na uwagę zasługują zwłaszcza miskant cukrowy i perz wydłużony, charakteryzujące się względnie wysokimi wartościami: zawartości węglowodanów rozpuszczalnych w wodzie i współczynnika fermentacji. Obecnie za najbardziej efektywną w produkcji biogazu uważa się uprawę kukurydzy. Jednak uwzględnienie całokształtu uwarunkowań decydujących o efektywnym plonowaniu tej rośliny (jakość gleby i materiału siewnego, nawożenie, ochrona chemiczna) wraz z aspektami ekologicznymi jej uprawy (najczęściej wieloletnia monokultura, nagromadzenie chorób i szkodników) pozwala z nadzieją przyjrzeć się alternatywie w postaci traw wieloletnich. Według analiz Martyniak i Żurka [2013, nie publikowane] oraz pracy Masta i współautorów [2014], trawy wieloletnie mogą z powodzeniem konkurować z kukurydzą jako potencjalne źródła biomasy dla produkcji biogazu (tab. 4).

4 4 Zbiór biomasy (słomy) do spalania, produkcji pellet i brykietów Termin zbioru biomasy do spalania uzależniony jest od stanu roślin na plantacji (stojące czy wyległe) i od możliwości technicznych. Biomasę z przeznaczeniem do spalania można kosić jesienią, przeważnie już w końcu września lub zimą, w fazie brunatnienie źdźbeł (pędów generatywnych) kombajnem lub kosiarką na pokos (fot, 1). Ściętą biomasę (słomę) pozostawia się przez kilka dni na rżysku w celu ostatecznego dosuszenia (fot. 2). Taka powietrznie sucha biomasa, osiągająca zwykle wilgotność 12-20%, dobrze się sprasowuje i nadaje do belowania, brykietowania oraz do produkcji pelletu (fot. 3, 4). W przypadku konieczności przyspieszenia zbioru biomasy do spalania można zastosować oprysk plantacji preparatem np. Reglone w dawce 3 l/ha. Natomiast nie ma zasadniczych przeciwwskazań opóźniania terminu zbioru. Można go bowiem przeprowadzać do późnej jesieni, a w przypadku przewlekłych opadów lub innych powodów (np. organizacyjno-logistycznych) nawet w grudniu. Mroźna pogoda, zamarznięta gleba, a nawet niewielka okrywa śnieżna zasadniczo nie utrudniają zbioru suchych roślin. Warunkiem technologicznym jest jednak bezpośrednie belowanie słomy, nawet gdy nie będzie ona w tej postaci użyta do spalania, lecz np. do produkcji pelletu. Mogą do tego być przydatne dowolne zestawy maszyn tnących lub niezależnych pras podbierających. Funkcje te dobrze spełnia również kombajn zbożowy z prasą do słomy, zwłaszcza, jeśli biomasa będzie wykorzystana i spalana w gospodarstwie. ASPEKTY EKOLOGICZNE I EKONOMICZNE UPRAWY TRAW WIELOLETNICH NA CELE ENERGETYCZNE Decyzja związana z podjęciem jakiejkolwiek działalności gospodarczej musi być poprzedzona dogłębną analizą koniecznych do poniesienia nakładów, spodziewanych zysków oraz wpływu planowanych działań na otoczenie zewnętrzne. Między innymi w produkcji energii wykorzystuje się prosty do interpretacji wskaźnik efektywności energetycznej (Ee), który odzwierciedla ilość jednostek energii uzyskanych w stosunku do energii włożonej w ich wytworzenie. Wraz ze wzrostem stopnia komplikacji procesu przerobu biomasy na energię maleje efektywność energetyczna produktu finalnego (tab. 5). Jedna jednostka energii włożona w wytworzenie słomy z plantacji traw wieloletnich, np. miscantusa, daje w efekcie ponad 20 jednostek wyprodukowanej. Taka sama jednostka energii włożona w wyprodukowanie biodiesla z rzepaku daje w efekcie tylko 1,5 jednostek energii zawartej w tym paliwie. Nie znaczy to, że należy zaprzestać produkcji biodiesla czy oleju rzepakowego na cele energetyczne. Jest to związane z określonymi regionalnymi uwarunkowaniami i nie podlega bezwzględniej weryfikacji tylko pod kątem wartości współczynnika Ee. Tabela 5. Porównanie wartości wskaźnika efektywności energetycznej (Ee) dla różnych rodzajów surowca i różnych technologii przerobu (na podstawie literatury) Rodzaj surowca Współczynnik Ee Słoma z plantacji Miscanthusa 35,68 Drewno wierzby energetycznej 29,99 Słoma z prosa rózgowego 28,97 Słoma z mozgi trzcinowej 20,43 Pellet z prosa rózgowego 14,6 Słoma z pszenicy 8,82 Olej rzepakowy 3,76 Biodiesel z rzepaku + słoma do spalenia 2,74 Biodiesel z rzepaku 1,47 Brykiet z odpadów leśnych 1,24 Brykiet /pellet ze słomy odpadowej 1,05 Bioetanol z pszenicy 0,68 Z uprawą traw wieloletnich wiąże się cały wiele efektów bardzo korzystnych dla środowiska. Unikanie corocznych zabiegów polowych, takich jak orka, bronowanie itp. oprócz oczywistych korzyści ekonomicznych, redukcji emisji CO 2, sprzyja również wykształcaniu się prawidłowej struktury gleby, ograniczeniu parowania wody, redukcji erozji powierzchniowej oraz zachwaszczenia itp. Pochyła powierzchnia pokryta wieloletnią uprawa traw, zatrzymuje erozję powierzchniową gleby w ilościach od 1100 do 1200 razy przekraczających te stwierdzone dla uprawy jednorocznej np. kukurydzy. Trawy wieloletnie, a zwłaszcza te o szlaku fotosyntezy C 4, bardzo efektywnie wykorzystują zasoby wodne. Według Jurczuka i Rydałowskiego [2010] miskant olbrzymi w warunkach uprawy w Polsce zużywał 1 kg wody na produkcję 5,1 g grama suchej masy. Ta sama ilość wody w wypadku wierzby energetycznej wystarczała na wyprodukowanie zaledwie 1,8-2,8 g s.m.. Nie do pominięcia są również aspekty związane z bioróżnorodnością. W uprawach traw wieloletnich znacznie chętniej gniazdują ptaki. Według Semre i Slatera [2007], w plantacji miskantusa stwierdzono średnio ponad 3 ptaki na 1 ha uprawy w stosunku do co najwyżej 1 ptaka spotykanego w 1 ha uprawy pszenicy. SZACUNKOWA EKONOMICZNA ANALIZA UPRAWY Znając niezbędne fizyczne elementy procesu inwestycyjnego, które gospodarstwo rolnicze powinno uwzględniać w kategorii pewnych wydatków w ramach konwersji uzyskanych plonów na energię, należy przeanalizować tego rodzaju inwestycję w szacunkowym ujęciu finansowym. W celu racjonalizacji późniejszych kalkulacji, niezbędne jest określenie potrzeb energetycznych przeciętnego, polskiego gospodarstwa rolniczego. Warto jednak zaznaczyć, że indywidualne gospodarstwa rolnicze zużywają energię

5 5 Tabela 6. Szacunkowe wartości kosztów niezbędnych do założenia uprawy traw wieloletniej z sadzonek (np. miskantusa) i z siewu nasion (np. perzu wydłużonego) przeznaczonych na cele energetyczne Kategoria Koszty założenia plantacji [zł/ha] z sadzonek z siewu nasion Analiza chemiczna gleby Przygotowanie pola (odchwaszczanie, orka, nawożenie) Zakup sadzonek lub nasion Odchwaszczanie plantacji w pierwszym roku Zbiór biomasy Pelletowanie/ brykietownie biomasy Koszt całkowity na podstawie danych rynkowych zasadniczo w dwóch sektorach: bytowym (utożsamianym z funkcjonowaniem gospodarstwa domowego) oraz produkcyjnym. Oznacza to, że poza koniecznością ogrzania domu mieszkalnego (i/lub wody użytkowej), w przypadku gospodarstw rolniczych należy uwzględnić także konieczność ogrzania budynków gospodarczych. Według danych GUS [2012] przeciętne gospodarstwo rolnicze zużywa w ciągu roku od 5 do 7 ton węgla w ww. celach, co kosztuje od 3700 do 5100 zł (rozpiętość szacunkowa wynika z uzupełniania spalania węgla o biomasę pozyskaną z drewna opałowego lub innych form biomasy oraz posiadania pieców jedno- lub dwufunkcyjnych). Jak wspomniano, 10 tonom węgla według równoważnika energetycznego odpowiada od 15 do 18 t s.m. roślinnej, co w przypadku przeciętego gospodarstwa rolniczego oznacza konieczność uzyskania od około 8,5 do 11,5 t s.m. roślinnej w zależności od wybranego gatunku jest to możliwe z plonów otrzymanych z około 1-1,5 ha upraw roślin na cele energetyczne. W zależności od doboru gatunku trawy wieloletniej przeznaczonej na cele energetyczne, inwestor planujący uprawę w celach uzyskania biomasy w ilości i jakości pozwalającej na zaspokojenie jego potrzeb energetycznych, powinien mieć na uwadze szereg niezbędnych nakładów finansowych, które w sposób szacunkowy ujęto w tabeli 6. Należy zaznaczyć, że szacunkowa kalkulacja oparta jest o minimalizację kosztów związanych ze sprzętem niezbędnym do zbioru i przekształcenia biomasy oraz zakłada outsourcing usług dotyczących zbioru słomy (biomasy) i jej brykietowania/pelletowania (jest to zasadne ekonomicznie w przypadku plantacji kilkuhektarowych). Przy założeniu 15-letniego okresu utrzymywania plantacji, zakup sadzonek jest jedynie kosztem początkowym, podobnie jak odchwaszczanie oraz analiza gleby. Jest to równoznaczne z czternastoletnim okresem, w którym koszty związane z uprawą wieloletniej trawy energetycznej bazują jedynie na nawożeniu (roczny koszt około 400 zł/ha) oraz ujętych powyżej kategoriach zbioru biomasy i jej dalszego przetwarzania na brykiet lub pellet. Pierwszy rok jest zatem okresem najbardziej kosztochłonnym, określonym według powyższych szacunków na kwotę zł/ha plantacji założonych z sadzonek, z siewu nasion zaś ten koszt jest zdecydowanie niższy i wynosi 4900 zł. Warto jednak zaznaczyć, że już po pierwszym roku uprawy inwestor będzie mógł odliczyć od powyższych kwot (w zależności od formy założenia plantacji i gatunku jaki wybierze) koszty dotyczące dotychczas stosowanego, alternatywnego źródła energii, jakim jest węgiel. Należy wyraźnie podkreślić, że według powyższych szacunków, w drugim roku oraz w kolejnych latach inwestor rokrocznie będzie ponosił wydatek około 2300 zł, co oznacza oszczędność na poziomie od kilkuset do ponad dwóch tysięcy złotych każdego roku względem stosowania alternatywnego węgla. Jest to szacunek dotyczący plantacji o powierzchni 1 ha, w przypadku większych areałów można obserwować ekonomię skali. PODSUMOWANIE Przedstawiono w zarysie wybrane zagadnienia związane z pozyskiwaniem energii z biomasy traw wieloletnich. Uprawa roślin na cele energetyczne jest obecnie jedynym realnym i najtańszym sposobem na zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego na poziomie indywidualnych gospodarstw rolnych. Informacja powinna po jej rozpowszechnieniu przyczynić się do wzrostu zainteresowania tą technologią. Poniesienie inwestycji na założenie plantacji, modernizację kotła grzewczego oraz termomodernizację ogrzewanych pomieszczeń umożliwi zrezygnowanie z corocznych zakupów węgla lub miału w perspektywie kilkudziesięciu lat. Dodatkowe zainwestowanie w brykieciarkę lub pleciarkę ułatwi składowanie biomasy, a nawet umożliwi łatwą dystrybucję jej nadwyżek. Literatura Jurczuk S., Rydałowski M., 2010: Polowe zużycie wody na plantacjach wierzby wiciowej i miskanta olbrzymiego. [W:] Grzybek A. (red.) Modelowanie energetycznego wykorzystania biomasy. ITP, Falenty, Oddział w Warszawie, Majtkowski W., Piłat J., Wykorzystanie roślin wydmuchrzycy pontyjskiej Elymus elongatus var. ponticus (Podp.) Dorn jako źródła energii odnawialnej. Biul. IHAR, 253, Mast B., Lemmer A., Oechsner H., Reinhardt-Hanisch A., Claupein W., Graeff-Hönninger S., 2014: Methane yield potential of novel perennial biogas crops influenced by harvest date. Industrial Crops and Products, 58, Buko M., 2007a: The feeding value assessment of forage from C-4 grass species in different phases of vegetation. Part I. Andropogon gerardii Vitman. Plant Breed. and Seed Sci. 55, Brucnerova M., 2007b: The feeding value assessment of forage from C-4 grass species in different phases of vegetation. Part II. Miscanthus sacchariflorus (Maxim.) Hack. Plant Breed. and Seed Sci. 55, c: The feeding value assessment of forage from C-4 grass species in different phases of vegetation. Part III. Panicum virgatium L. Plant Breed. and Seed Sci. 55,