Optymalizacja pozyskiwania biomasy traw oraz innych gatunków w wieloletnich z upraw na glebach o niskiej wartości rolniczej do produkcji biogazu

Transkrypt

1 Optymalizacja pozyskiwania biomasy traw oraz innych gatunków w wieloletnich z upraw na glebach o niskiej wartości rolniczej do produkcji biogazu Danuta Martyniak Grzegorz śurek Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin Państwowy Instytut Badawczy, Pracownia Traw Pozapaszowych i Roślin Energetycznych, Modliszewice, 2014

2 Cel realizacji projektu: Uzyskanie wytycznych (w oparciu o badania naukowe) do produkcji biomasy na gruntach o słabej wartości rolniczej, z przeznaczeniem do wytworzenia energii odnawialnej (biogaz). Poszerzenie wiedzy na temat efektów siedliskowych upraw na cele energetyczne.

3 Zadania w obrębie tematu: Zadanie 1. Dobór gatunków bądź ich mieszanek oraz analiza dynamiki ich wzrostu oraz potencjału plonotwórczego (D.M.) Prace będą obejmowały: 1.1. Określenie gatunków ew. mieszanek gatunkowych przydatnych do określonego rodzaju gleb oraz warunków lokalnych (woda, konfiguracja terenu, itp.) Analizę dynamiki wzrostu i rozwoju badanych gatunków w zasiewach czystych i mieszankach Charakterystyka podstawowych parametrów biomasy w róŝnych fazach rozwoju (skład chemiczny, efektywność produkcji metanu itp.).

4 Zadanie 2. Aspekty siedliskowe upraw roślin wieloletnich na glebach o niskiej wartości rolniczej (G.ś.) Prace będą obejmowały: 2.1. Analizę jakości gleb (makroskładniki, zaw. materii organicznej, zasolenie, ph, metale cięŝkie) przed rozpoczęciem doświadczenia oraz po kilku latach uprawy Dynamika migracji składników pokarmowych w układzie gleba roślina Bilans wodny wieloletniej uprawy roślin na cele energetyczne na glebach o niskiej wartości rolniczej.

5 Zadanie 3. Opracowanie zasad technologii uprawy roślin wieloletnich na cele energetyczne. Zadanie 4. Katalog Roślin Energetycznych Województwa Świętokrzyskiego.

6 Produkcja roślinna na cele energetyczne tylko w oparciu o gleby słabej s wartości rolniczej.

7 Powierzchnia gruntów o słabej s wartości rolniczej (wg. GUS, 2011). Kategoria Powierzchnia tys. ha nieuŝytki 481,7 grunty zdewastowane i wymagające rekultywacji 62,1 odłogi i ugory 498,4 razem grunty niezagospodarowane 1042,2 grunty klasy V VI 871,0 łącznie 1913,2

8 Klimatyczny bilans wody IV I (IUNG Doroszewski)

9 Klimat lokalny powiatu Busko Zdrój Opady: średnia 600 mm Korzystne warunki insolacyjne 1151 godz. słonecznych w ciągu roku (fotowoltaika) Jakość gleb: Wskaźnik bonitacji gleb: 0,85 (Gnojno 0,7; najwyŝszy 1,22 Pacanów) Tuczępy? Średnio korzystny Podział gleb wg klasy rolniczej przydatności gleb Klasa gleby Powierzchnia w ha (%) klasa I, II 7061 (10,1%) klasa III (a i b) (23,1%) klasa IV (a i b) (32,3%) w tym kl. IVb (20,6 %) klasa V klasa VI i VIb Suma (17,1%) (17,3) 24 tys. (35 %) ha

10 Trawy wieloletnie i inne rośliny cechy decydujące ce o przydatności do produkcji energii Wysoki plon energii z jednostki powierzchni; Niskie zapotrzebowanie na składniki pokarmowe; Zawartość celulozy oraz lignin zależna od charakteru przerobu, Łatwa reprodukcja

11 Rośliny energetyczne zastosowane do produkcji biogazu ZIELONA TAŚMA MA od kwietnia do października Roślina / substrat Warunki glebowe, kl. bonit. Zbiór biomasy /termin Plon biomasy podsuszonej do 30 40% ton z 1 ha śyto i mieszanki zboŝowe owe ozime IV V druga połowa owa kwietnia, do maja 30 Trawy: (23 3 pokosy) kostrzewa trzcinowa AGENT perz wydłuŝony stokłosa osa bezostna i uniolowata Ŝycica trwała a 4n IV V III od maja do września (początek kłoszeniak oszenia) 30 do 60 Mieszanki: traw z motylkowatymi (np. lucerną) III i IV od czerwca do połowy owy października 40 do 60 Łąki kośne (2 pokosy) RoŜnik przerośni nięty (Sylfia DANMAR ) Sorgo MARMAR organiczne IV IV od czerwca do września 30 do 40 lipiec wrzesień wrzesień 4050 Kukurydza III wrzesień 5060 Topinambur, ślazowiec IIIIV wrzesieńpaździernik 60 Buraki, ziemniaki kapusta pastewna (I, II) III Wrzesień, październik 80 40

12 Zielona taśma Miesiące w roku: Rodzaj uprawy śyto i mieszanki zboŝowe trawy w uprawie polowej mieszanki traw z motylkowatymi trawy z łąk wielokośnych sylfia sorgo kukurydza topinambur, ślazowiec okopowe (burak, ziemniak), kapusta past.

13 Uzyski biogazu i inne parametry substratów roślinnych materiały** Surowiec /biomasa Sucha masa % Sucha masa organiczn a Uzysk biogazu* s.m.o. m 3 /t zawartość CH 4 % Czas fermentacji Dni efekt. czas ferment. Substraty surowe z i e l o n k a Kostrzewa trzcin. AGENT Spartina Sylfia DANMAR 22,2 41,0 22,3 83,4 94,4 71, ,3 50,3 49,2 4 tyg Substraty po z a k i s z e n i u Kukurydza (łodygi) Kostrzewa trzcin. AGENT Spartina Sylfia DANMAR 21,9 41,3 23,7 81,6 94,0 61, ,1 53,2 61,5 5 tyg tyg. efekt. czas za ferment. *w przeliczeniu na sucha masę organiczną **Badania przeprowadzona na w ITP., oddział w Poznaniu

14

15 Parametry energetyczne kiszonki wybranych gatunków w traw energetycznych na biogaz. Gatunek odmiana /genotyp SM % SMO % s.m. Biogaz M 3 /t s.m.o. Metan (CH 4 ) % Kiszonka śycica trwała a 4n Stokłosa osa uniolowata Stokłosa osa bezostna Perz wydłuŝony Bamar 14,6 19,1 17,0 18,6 86,0 81,0 83,0 84, ,8 51,0 51,0 53,5 SM sucha masa, SMO sucha masa organiczna

16 Optymalne fazy fenologiczne pozyskiwania biomasy z gatunków Substrat kiszonka / stadium rozwoju roślin traw faza kwitnienia (prawa polowa) wszystkich pokosów (ruń łąkowa) kukurydzy dojrzałość woskowa wysoki udział ziarna dojrzałość woskowa średni udział ziarna faza dojrzałości mlecznej Uzysk biogazu m 3 / z ha sylfia Danmar faza po kwitnieniu 7500 sorgo Marmar faza mleczna ziarna 6700

17 Przeciętny uzysk metanu i wydajność energetyczna wybranych substratów roślinnych Roślina / substrat Uzysk metanu Wydajność energetyczna m 3 CH 4 ha 1 rok MWh ha 1 rok 1 Burak pastewny Kukurydza Trawy Mieszanki (trawy i lucerna) Sylfia Sorgo Kapusta pastewna Ziemniak Jęczmień

18 Tab. Zapotrzebowanie na kiszonkę i minimalny areał w zaleŝności od zainstalowanej mocy Zainstalo wana moc Zapotrzebow anie na biogaz Kiszonka stanowi 100% substratu minimalne zapotrzebowanie na kiszonkę m 3 ton/ rok ton/ m c ton/ tydzień ton/ doba areał pod uprawę kiszonki 1 MW MW ha

19 Wykorzystanie biomasy roślinnej i substratów w Niemczech (ok.8 tys. biogazowni) biomasa roślinna w 45% gnojowica 24% odpady pochodzące z przerobu roślinnego na Ŝywność 15% Najbardziej popularne są kiszonki wytworzone z: całych roślin kukurydzy (96%) 96%) ziarna zbóŝ (nadwyŝki i słabej jakości) 50% traw 40% i innych roślin (buraki, słonecznik, ziemniaki) 1% oraz gnojowica w mieszaninie z kiszonkami. NaleŜy unikać monokultur (Niemcy kukurydza)

20 Plon biomasy suchej w t /1 ha wybranych gatunków traw wieloletnich z przeznaczeniem na cele energetyczne (rok siewu) i 2013 (I rok pełnego uŝytkowania). Gatunek Genotyp/ ród Lokalizacja 1 Sucha biomasa t / ha Lokalizacja II Sucha biomasa t / ha Stokłosa bezostna Rajgras wyniosły Stokłosa uniolowata 1LIN 2Br 1Viv 2Sk nr18 nr19 Perz wydłuŝony 317a 313a 3a 314a śycica wielokwiatowa śycica trwała 4n Kostrzewa trzcinowa Gisel Dukat Nr1 Nr2 Solen Flinston średnia średnia 10,2 8,8 10,4 10,3 16,2 15,8 5,3 3,1 6,2 9,0 9,4 9,6 8,8 6,9 7,5 22,6 24,0 26,2 25,8 26,2 25,8 29,8 31,7 32,8 23,5 21,3 22,0 24,6 21,1 21,5 16,4 16,4 18,3 18,1 21,2 21,6 17,6 17,4 19,5 16,2 15,3 15,8 16,7 14,0 14,5 5,4 5,3 6,9 6,5 11,3 12,2 6,5 6,6 5,9 20,4 19,4 10,8 10,7 3,7 4,6 28,5 24,2 24,6 12,9 12,3 8,9 6,6 7,5 8,4 17,5 15,4 15,2 Rahela 6,9 15,2 11,0

21 ZałoŜono dwa doświadczenia dwa w róŝnych warunkach glebowych (kl. V, a drugie III IV ) z trawami i mieszankami oraz innymi roślinami z wykorzystaniem biomasy do produkcji biogazu.

22 Tymczasowa baza noclegowa

23 Kostrzewa trzcinowa (Festuca arundinacea) ród Agent Trawa wieloletnia, o bardzo silnie rozwiniętym systemie korzeniowy (do 1,5 m) Długi okres wegetacji, szybko odrasta po skoszeniu Gatunek odporny na wszelkie stresy np. termiczne (mrozy), susze Mało o wymagająca w stosunku do siedliska (rośnie zarówno na glebach kwaśnych, zasadowych, nawet toleruje zasolenie) Zawiera duŝa a ilość związk zków strukturalnych (lignin, celuloz i hemiceluloz) Wykorzystywana: biomasa do spalania i produkcji biogazu

24 Stokłosa uniolowata (obiedkowata) Bromus unioloides gatunek południowoamerykański, nowo wprowadzony do uprawy (w latach 70. XX) o cechach fotosyntezy typu C 4, odznacza się dobry przezimowaniem wieloletni (co najmniej 3 lata uŝytkowania) nadaje się na gleby mineralne, suche (nie znosi gleb mokrych) wykazuje się b. dobrą Ŝywotnością i duŝą energią odrastania ciągu całego okresu wegetacji pędy generatywne wykształca w roku siewu po skoszeniu dobrze odrasta, zwłaszcza latem oraz wyrównaną krzywą plonowania Formy o wysokim plonie biomasy wegetatywnej do produkcji biogazu

25 RoŜnik przerośnięty (Sylfia) DANMAR Kępiasta bylina z rodziny astrowatych (podobnie jak słonecznik i topinambur). Niewielkie wymagania pokarmowe, roślina pionierska przy rekultywacji terenów zdegradowanych wysoki plon do 20 ton s. m. z 1 ha (podsuszonej do 40 ton z ha). Wytwarza nasiona, Ŝywotne. Walory: dekoracyjne, surowiec cenny dla przemysłu farmaceutycznego (saponiny w liściach, kłączach) roślina miododajna (550 kg miodu z ha) na biogaz (krotki okres ferment. 4 dni 61,5 % CH 4 )

26 Sorgo MARMAR alternatywa na suszę roślina tropikalna, duŝe wymagania termiczne. mniejsze wymagania glebowe (lekkie, piaszczyste). rośliny mogą osiągać 34 m wysokości. biomasa świetna do zakiszania, w połączeniu z kukurydza. Zbiór dojrzałość woskowa IX X, plon zielonej masy do 100 t z 1 ha, suchej masy do 1225 ton. Skoszone zawierają 70% wody, dlatego przed zakiszeniem wymagają podsuszenia. Pierwszą odmianą w Polsce wytwarzająca nasiona, Ŝywotne!!!!!. Odm. MARMAR Fot. D. Martyniak. Fot. D. Martyniak

27 Perzu wydłuŝony Bamar wysoka ok. 2 m, zbitokępowa powa, bez rozłogowa ogowa nie inwazyjna! przez COBORU wpisana do rejestru Nie wysusza gleb, wręcz odwrotnie wzbogaca w masę organiczną ubogie gleby wieloletnia (610 lat) wytrzymała na suszę i mrozy (nawet do 20 o C) b. wcześnie rusza wiosną znosi gleby suche, piaszczyste, ubogie (kl. IV VI), skaŝone, zasolone i alkaliczne) przeciwerozyjna i rekultywacyjna (silny, głęboki system korzeniowy) w miarę odporna na wyleganie i choroby doskonale rozmnaŝanie anie za pomocą nasion

28 Fot. Danuta Martyniak Fot. D. Martyniak

29 Porównanie korzeni pszenicy ozimej (po lewej stronie w kaŝdym miesiącu) oraz perzu wydłuŝonego

30 Szacunkowe koszty załoŝenia, uŝytkowania i likwidacji 1 ha plantacji perzu kępowego na tle innych gatunków roślin energetycznych Wyszczególnienie Nakłady (w zł) Perz kępowy Wierzba Miskant Przygotowanie pola Materiał (nasiona, sadzonki) Razem koszt Wymagany sprzęt, maszyny narzędzia, maszyny czasokres Zbiór kosiarka, prasa Likwidacji plantacji pług rębarki, rozdrabniacze, kombajn (duŝy areał) karczownik rozdrabniacz karp (rototiler) Przywrócenie właściwości gleb kosiarka, prasa wysokiego zgniotu chemicznie, rozdrabniac z, pług, 1 rok 45??? 23??

31 Biogaz Fot. D. Martyniak Biomasa perzu Bamar w końcu kwietnia Fot. D. Martyniak

32 Tab.9. Uzysk biogazu i % udział metanu u wybranych gatunkach traw Biogaz m 3 z 1 t. s.m.o. rozdrobiona zmikronizowana Metan (CH 4 ) w % rozdrobniona zmikronizowana Ŝycica trwała stokłosa uniol. stokłosa bezostna perz wydłuŝony* ,8 50,2 50,4 53,0 57,5 *Czas retencji materiału fermentacja ustaje w 21. dniu procesu,, a 90% objęto tości biometanu jest wytwarzane w ciągu dni procesu.!!!

33 Stan plantacji perzu wydłuŝonego, Radzików, 2011 III r. zbioru Fot. D. Martyniak Fot. D. Martyniak Zbiór biomasy (słomy) perzu energetycznego Bamar Radzików, 2011r. I dekada września

34 Wprowadzenie zdrowych mechanizmów: Pod uprawę roślin energetycznych przeznaczać grunty o niskiej klasie (IVV) V) ugory, odłogi. ogi. Ograniczać wykorzystywanie gleb pszennoburaczane Energetyka rozproszona oparta na lokalnych zasobach biomasy i ten rynek powinien dominować w przyszłości w kaŝdej gminie, rejonie Rozwiązanie zanie transport (logistyka) optymalna odległość przewozu biomasy do 30 km, powyŝej 5070 km, staje się na granicy opłacalności. Ograniczyć Uprawę wielkoobszarowych monokultur roślin jednego gatunku (jak to ma miejsce w przypadku kukurydzy w Niemczech). NaleŜy uprawiać róŝne rośliny energetyczne dostosowane do gleb i uwilgotnienia w danym regionie (wzrost bioróŝnorodności).

35 Dziękuję za uwagę