WIELOKIERUNKOWE WYKORZYSTANIE TRAW I INNYCH GATUNKÓW ROŚlIN W ROLNICTWIE I PRODUKCJU PRZEMYSŁOWEJ. Dr inż. Danuta Martyniak

Transkrypt

1 WIELOKIERUNKOWE WYKORZYSTANIE TRAW I INNYCH GATUNKÓW ROŚlIN W ROLNICTWIE I PRODUKCJU PRZEMYSŁOWEJ Dr inż. Danuta Martyniak Radom, r.

2 BIOMASA AGRO - jest typowo lokalnym surowcem EKOLOGICZNYM, alternatywnym, które mogą być wykorzystane w rolnictwie, energetyce, papiernictwie czy budownictwie. Surowce alternatywne Surowce alternatywne to takie, które nie mogą zawierać żadnych szkodliwych związków i nie zanieczyszczać środowiska.

3 Produkcja biomasy tylko w oparciu o gleby słabej wartości rolniczej. Struktura zasiewów roślin rolniczych w Polsce. Kategoria Powierzchnia tys. ha nieużytki 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 Powierzchnia gruntów o słabej wartości rolniczej (wg. GUS,).

4 Klimatyczny bilans wody IV- I (IUNG Doroszewski)

5 ENERGETYCZNE wykorzystanie biomay Jeśli nie węgiel, to co.? Odnawialne źródła energii (OZE ) to przede wszystkim biomasa, wiatr, energia słoneczna, woda itp. Ich zasoby są to praktycznie niewyczerpalne, nieustannie uzupełniane, odnawialne w procesach naturalnych, zaś paliwa kopalne (węgiel, gaz, ropa ) są nie odnawialne!!!

6 Biomasa jest jedną z głównych alternatyw nie tylko dla paliw kopalnianych. Zmniejsza zanieczyszczenie atmosfery CO 2 do 2020 roku może powstać dodatkowo 190 tys. miejsc pracy (skup, przetwórstwo, transport biomasy). Aby sprostać wymaganiom tj. redukcji CO 2 należałoby obsadzić roślinami energetycznymi ok. 0,5 mln ha plantacji.

7 Jakie gatunki: Rozmnażane generatywnie (przez nasiona): perz wydłużony, stokłosy, kostrzewa trzcinowa, życie trwała i wielokwiatowa, kostrzewa łąkowa, proso rózgowate, sorgo Wegetatywnie (przez sadzonki): miskant, wierzba, spartina preriowa, paulownia (Oxytree)

8 Cechy decydujące o przydatności roślin do produkcji energii Wysoki plon z jednostki powierzchni; Niskie zapotrzebowanie na składniki pokarmowe; Zawartość celulozy oraz lignin zależna od charakteru przerobu (biogaz czy spalanie), Łatwa i tania reprodukcja (cecha na poziomie wyboru gatunku zakładanie plantacji, zbiór przy pomocy tradycyjnych maszyn) Zdolność do adaptacji na możliwie rozległym obszarze oraz na terenach marginalnych (zasolenie, zakwaszenie, susza, zalewy itp.)

9 Szacunkowe koszty założenia, użytkowania i likwidacji 1 ha plantacji roślin rozmnażanych generatywnie i przez sadzonki Wyszczególnienie Nakłady (w zł) Perz kępowy Wierzba Miskant Przygotowanie pola Materiał (nasiona, sadzonki) Razem koszt Zbiór Wymagany sprzęt, maszyny narzędzia, maszyny kosiarka, prasa Likwidacji plantacji pług rębarki, rozdrabniacze, kombajn (duży areał) karczownik rozdrabniacz karp (rototiler) Przywrócenie właściwości gleb kosiarka, prasa wysokiego zgniotu chemicznie, rozdrabniac z, pług, czasokres 1 rok 4-5??? 2-3??

10 Biogaz Biomasa perzu Bamar w końcu kwietnia Fot. D. Martyniak Zbór biomasy w pokosach mieszanki traw z lucerną

11 Kostrzewa trzcinowa (Festuca arundinacea) TIMER, TIMEZA w badaniach rejestrowych COBORU 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 wymagająca w stosunku do siedliska (rośnie zarówno na glebach kwaśnych, zasadowych, nawet toleruje zasolenie) Zawiera duża ilość związków strukturalnych (lignin, celuloz i hemiceluloz) Wykorzystywana: biomasa do spalania i produkcji biogazu

12 Stokłosa bezostna Bromus inermis TIMEXA trawa wieloletnia, odznacza się dobry przezimowaniem wieloletnia (co najmniej 3 lata użytkowania) nadaje się na gleby mineralne, suche, nie znosi stanowisk podmokłych, wykazuje się b. dobrą żywotnością i dużą energią odrastania ciągu całego okresu wegetacji (2-3 pokosy), o wysokiej zawartości białka 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

13 Rożnik przerośnięty (Sylfia) Odmiany : SYLE N2, SYLEN 3 Wieloletnia, kępiasta bylina z rodziny astrowatych (podobnie jak słonecznik i topinambur). Niewielkie wymagania pokarmowe, roślina pionierska przy rekultywacji terenów degradowanych wysoki plon do 20 ton s. m. z 1 ha (podsuszonej do 40 ton z ha). Wytwarza nasiona, żywotne. Walory: na biogaz (krotki okres ferment. po 7 dniach uzysk biogazu 90% CH4) i na paszę do spalania dekoracyjne, cenny surowiec dla przemysłu farmaceutycznego (saponiny w liściach, kłączach) - roślina miododajna (550 kg miodu z ha)

14

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

16 Sorgo odmiany: MARMAR MARDAN ) alternatywa na suszę - roślina tropikalna, duże wymagania termiczne. - mniejsze wymagania glebowe (lekkie, piaszczyste). - rośliny mogą osiągać 3-4 m wysokości. -biomasa świetna do zakiszania, w połączeniu z kukurydza. Zbiór dojrzałość woskowa IX X, plon zielonej masy do t z 1 ha, s.m ton. Pierwsze formy hodowlane w Polsce wytwarzająca nasiona, żywotne!!!!!. Fot. D. Martyniak. Fot. D. Martyniak

17 SORGO do produkcji: bioetanolu, biogazu, biopliw stałych ZALETY Mniejsze wymagania glebowe niż kukurydza Może być uprawiana na glebach lekkich, piaszczystych Bardzo oszczędnie gospodaruje wodą Może być wykorzystana do produkcji bogazu, bioetanolu i biopaliw stałych Stosunkowo odporna na patogeny występujące w Polsce (nie wymaga oprysków) WADY B.wysokie wymagania termiczne Większość odmian sorga nie wytwarza żywotnych nasion w warunkach klimatycznych Polski Wrażliwość na intensywne opady i podtopienia po siewie mała popularność, materiał siewny z zagranicy (francuskie, niemieckie) Wymaga odchwaszczanie w początkowej fazie wzrostu

18 Jak wybrać zielone źródła biogazu ZIELONA TAŚMA Rodzaj uprawy Żyto i mieszanki zbożowe trawy w uprawie polowej mieszanki traw z motylkowatymi trawy z łąk wielokośnych sylfia sorgo kukurydza topinambur, ślazowiec okopowe (burak, ziemniak), kapusta past. Miesiące w roku: Uzyskanie informacji o sposobie dostarczania substratów, do bioelektrowni w sposób ciągły tzw. zielona taśma stanowi bardzo ważny element dla zielonej przedsiębiorczości. (opracowanie własne D.Martyniak)

19 Optymalne fazy fenologiczne pozyskiwania biomasy z gatunków Substrat kiszonka / stadium rozwoju roślin Trawy - faza kwitnienia (prawa polowa) - wszystkich pokosów (ruń łąkowa) Kukurydza - dojrzałość woskowa - wysoki udział ziarna - dojrzałość woskowa średni udział ziarna - faza dojrzałości mlecznej Uzysk biogazu m 3 / z ha Sylfia Marbio - faza po kwitnieniu po kwitnieniu 7500 Sorgo Marmar - faza mleczna ziarna mleczna ziarna 6700

20 kostrzewa trzcin. 'W' sylfia sorgo stokłosa bez. kukurydza cukrowa perz kępowy Metan Biogaz m m 3 /ha Wydajność metanu (CH 4 ) i biogazu w m 3 z ha wybranych roślin energetycznych. (Radzików).

21 Uzysk biogazu (m 3 ) i udział metanu (%) u wybranych gatunkach traw Biogaz m 3 z 1 t. s.m.o. - rozdrobiona - zmikronizowana Metan (CH 4 ) w % - rozdrobniona - zmikronizowana życica trwała stokłosa uniol. stokłosa bezostna perz wydłużony ,8 50,2 50,4 53,0 57,5

22 Biogazownie: niemiecki rynek biogazu rolniczego (stanowi 50% rynku europejskiego); np. w 2011 r. powstało 1270 instalacji - 92 Polska (do 2020 r. miało ich powstać ok. 2000) Specyfiką niemieckiego rynku jest oparcie na substratach rolniczych (kiszonki uzupełniane gnojowicą) - biomasa roślinna w 45% - gnojowica 24% - odpady pochodzące z przetwórstwa 30% 45% ( w tym kukurydza stanowi ponad 90%,) Należy unikać monokultur np. kukurydzy (Niemcy = 2 mln ha) (Polska 1-1,1 mln ha) (w w Niemczech - na poszerzenie areału uprawy kukurydzy należy uzyskać pozwolenie od Min. Ochrony Środowiska) Najtrudniej przekonać mieszkańców. Budowa biogazowni budzi kontrowersje wśród lokalnej społeczności.

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

24 Słoma lignocelulozowa Spalania, produkcji pelet, brykietów

25 Wartość ipałowa MJ/tonę MJ/kg 15, w ilgotność, % suchej masy Wartośc opałowa biomasy roślin energetycznych od wilgotności

26 Perz wydłużony kępowy BAMAR łac. Elymus elongatus Agropyron elongatum, Elytrigia elongata, Elytrigia pontica,

27 Perzu wydłużony kępowy Bamar wysoka ok. 2 m, zbitokępowa, bez rozłogowa nie inwazyjna! - przez COBORU wpisana do rejestru Nie wysusza gleb, wręcz odwrotnie wzbogaca w masę organiczną ubogie gleby wieloletnia (6-10 lat) wytrzymała na suszę i mrozy (nawet do -20 oc) b. wcześnie rusza wiosną znosi gleby suche, piaszczyste, ubogie (kl. IV -VI), skażone, zasolone i alkaliczne) przeciwerozyjna i rekultywacyjna (silny, głęboki system korzeniowy) doskonale rozmnażanie za pomocą nasion

28 Fot. D. Martyniak Fot. Danuta Martyniak

29 Porównanie korzeni pszenicy ozimej (po lewej stronie w każdym miesiącu) oraz perzu wydłużonego

30 Parametry użytkowe wybranych gatunków traw do produkcji bioenergii Spalanie bezpośrednie Gatunek Sposób mnożenia Szacunkowe plony Wartość kaloryczna Zawartość [t s.m. / ha] [MJ/kg] popiołu [%] Kostrzewa trzcinowa nasiona ,0 7,0 Mozga trzcinowata nasiona ,7 6,3 Perz wydłużony nasiona ,6 3,1 Spartina preriowa kultury in vitro ,8 2,6 Miskantus olbrzymi podział kęp, kultury in vitro (44) 18,2 2,0 Proso rózgowate nasiona ,0 1,7 Węgiel kamienny ,0 22,0

31 Wartość opałowa i skład chemiczny biomasy oraz wybranych paliw stałych Biomasa Surowiec Wartość kaloryczna Popiół Siarka Chlor [MJ/kg] [%] [%] [%] Miskant olbrzymi ,0 0,05 0,1 Mozga trzcinowata ,0-9,0 0,15 0,5 Perz wydłużony ,05 0,1 Wierzba ,0-4,0 0,05 0,5 Węgiel kamienny ,8 0,1

32 Wartość opałowa biomasy np. perzu Bamar i węgla kamiennego: Kaloryczność 1 kg suchej masy: Perz wydłużony: 17,9MJ / kg Węgiel kamienny 25 MJ / kg 1 tona węgla równoważy 1,5 tony biomasy = MJ Plon s. masy (10-12 ton ) z 1 ha równoważy 5-7,0 ton węgla 1 tona węgla kosztuje obecnie ok. 800zł Plon perzu z 1 ha równoważy 6,0 ton węgla x 800 zł około 4800 zł. Zawartość popiołu przy spalaniu: - węgla 12-18% - biomasy ok. 3,1%

33

34 Proso rózgowe (Panicum virgatum odmiany MARDAN i RADMAR roślina o cechach fotosyntezy typu C 4, pochodzi Ameryki Północnej, doskonale adoptuje się w naszych warunkach klimatycznych o małych wymaganiach wodnych, glebowych (piaszczyste, lekkie o dobrej żyzności) kl. V i VI. wymagania termiczne (słoneczne) b. duże wytrzymała na niskie temperatury do C wytwarza nasiona o stosunkowo dobrej żywotności (po okresie spoczynku 1-2 lat), rozmnaża się generatywnie duża trwałość plantacji do 10 lat wysoki plon biomasy s t/ha (faza generatywna o dużej zawartości włókna i celulozy rośliny o bardzo dużym ulistnieniu, w fazie pełni kłoszenia na biogaz (uzysk CH4 8 tys. m 3 /ha) i bioetanol o silnie rozbudowanym i głębokim systemie korzeniowym Rozbudowany system korzeniowy 8 mies. rośliny

35 Formy hodowlane prosa na glebie piaszczystej, VI z. region świętokrzyski Wykorzystanie: na cele energetyczne biogaz - faza kłoszenia wegetatywna, spalania, pelety, brykiety - faza generatywna pastewne (sianokiszonki) przeciwerozyjne i rekultywacyjne na tereny skażone, umacniania skarp, poboczy przemyśle celulozowym, budownictwie

36 Porównanie efektywności energetycznej prosa rózgowatego Na podstawie badań amerykańskich Rodzaj surowca Pellety z Panicum virgatum Biodiesel z rzepaku + spalanie słomy Biodiesel z rzepaku Brykiety z odpadów leśnych Brykiety lub pellety ze słomy odpadowej Bioetanol z pszenicy Efektywność energetyczna (Ee) 14,6 2,74 1,74 1,24 1,05 0,86 Energia uzyskana z produktu Ee = Energia włożona w jego wytworzenie

37 Surowce AGRO w budownictwie (Oprócz drewna) - surowców włóknistych i ligno-celulozowych to gatunki szybko rosnące (wierzba, topola) oraz wieloletnie trawy. mogą być wykorzystane w przemyśle budowlanym: płyty paździerzowe, pilśniowe, maty izolacyjne itp. (badania w toku) Płyta wiórowa wykonana przy udziale 15% słomy włóknistej traw np. rajgrasu, perzu itp. i drewna odpadowego. Budowa supernowoczesnych domów w Walii przy wykorzystaniu drewnopochodnych płyt ze słomy. Ściany wypełnione z dużym udziałem słomy, daje doskonalą izolację, która zmniejsza zapotrzebowanie na energię o 90 % w porównaniu ze zwykłymi domami. Doskonale izolują w gorące upalne dni.

38 Słoma najbardziej tradycyjny materiał ociepleniowy. Ze słomy produkuje się płyty słomiane grubości około 2 do 5 cm, do ocieplania dachów, ścian szkieletowych, stropów oraz poddaszy. Mały współczynnik przewodzenia ciepła.

39 Maty wykonane ze słomy trzciny do izolacji i ociepleń w budownictwie

40 Clon in Vitro to drzewo hybrydowe będące krzyżówką 2 gatunków, nie wydaje nasion, od 2011 r. posiada Europejski certyfikat jakości oraz licencję handlową Uniwersytetu Castilla-La Mancha (Hiszpania) Oxytree (Paulownia) fot. D.Martyniak 4 mies. roślina, Radzików IHAR-PIB

41 Właściwości biologiczne: 1. rozmnaża się za pomocą sadzonek z kultur in vitro, 2. szybko rośnie, wytwarza ogromne ilości tlenu (111 ton/ha/rok).! 3. koszt 1 sadzonki ok. 10 euro, 1 ha = 500 szt. ( 25 tys. zł.) plus koszty przygotowania i pielęgnacyjne oraz koszty wycinki. 4. Bardzo duże potrzeby wodne ponad 800 mm Posiada unikalne cechy: - w 6 roku od posadzenia osiąga 16 m wysokości, 35 cm średnica pnia, - drzewo rośnie prosto, nie ma sęków, - system korzeniowy do 9 m głębokości i stamtąd pobiera składniki, - nie inwazyjna roślina,

42 WYKORZYSTANIE DREWNA OXYTREE - przy budowie statków, jachtów oraz desek surfingowych. Właściwości drewna: jest lekkie, elastyczne, wytrzymałe, wodoszczelne ROLA W OCHRONIE KLIMATU!!!!!!!!!!: ZDOLNOŚĆ POCHŁANIANIA CO 2 np. Dąb burgundzki - 7,8 tony/hektar/rok Dąb szypułkowy - 9,1 tony/hektar/rok Robinia akacjowa -10,7 tony/hektar/rok Buk - 11,6 tony/hektar/rok Oxytree (drzewo tlenowe ton/hektar/rok

43 Obwód 3 letniego drzewa osiąga cm! Średnica liściaś cm. 6 letni pień, eksponat 2-letni las

44 Średni roczny zysk z plantacji Oxytree, z 1,0 ha po 6 latach od posadzenia drzew - zysk oscylujący w granicach tys. zł. ( HISZPANIA)

45 Przed zimą listopad 2016, Radzików, zielone pędy Po zimie marzec 2017, Radzików, martwe, wymarznięte pędy

46 Utrudnienia - wady 1. Może wymarzać w naszych warunkach klimatycznych?? 2. Duże potrzeby wodne Nawadnianie - b. koszt 3. Usuwanie pędów bocznych 4. Wyjałowi doszczętnie glebę i utrudnia rekultywację???

47 Biomasa lignocelulozowa może być wykorzystana w przemyśle celulozowym (papier) Wydajność włókna dostępnego w surowcach roślinnych suchej biomasy* Surowiec roślinny Drewno drzew iglastych (świerk, ś sosna) Miękkie drewno (brzoza, topola, wierzba) Twarde drewno liściaste (dąb, buk) Perz wydłużony (nowa odmiana Timeza) Jednoroczne (len, konopie) Dostępność włókna (wydajność) w % ok.60 < 60 (surowiec budowlany!!) 60-70! (papier) ok. 20 *badania wstępne w toku, Politechnika Łódzka wg badań własnych z UP Technologii Drewna i Instytut Szarvasi Węgry

48

49 Trendy wykorzystania traw wieloletnich i innych gatunków roślin: w bioenergetyce : - do spalania w postaci: w postaci: brykietów rykietów (w gosp. rodzinnych, kominki) pelet - szeroko stosowane w Niemczech, Austrii, Szwecji - produkcji biogazu i metanu (fermentacja biomasy z obornikiem, ściekami i odpadami organicznymi) przemyśle celulozowym na papier ze względu na wysoką jakość ligno-celulozy i włókna (alternatywa zaoszczędzenia wycinania lasów) przemyśle meblarskim i budownictwie ze względu na b.dobre parametry jakościowe włókna, (płyty wiórowe, pilśniowe) pasza - faza wegetatywna (wypas, siano-kiszonki) w ochronie środowiska do rekultywacja terenów skażonych, zasolonych i ubogich - wzbogacanie gleby w masę organiczną oraz zapobieganie erozji

50 Wprowadzenie zdrowych mechanizmów: Pod uprawę roślin energetycznych przeznaczać grunty o niskiej klasie (IV-V) ugory, odłogi. Ograniczać wykorzystywanie gleb pszenno-buraczanych. Energetyka rozproszona - oparta na lokalnych zasobach biomasy i rynek taki powinien dominować w każdej gminie, rejonie. - rozwiąże to problem transportu (logistyki rozwiąże to problem transportu (logistyki) - optymalna odległość przewozu biomasy do 30 km, powyżej km, staje się na granicy opłacalności. biomasa jedzie setki km do elektrowni na Śląsk jedzie setki km do elektrowni na Śląsk, natomiast węgiel na wieś oraz import biomasy śmieci z innych kontynentów Indie, Brazylia) Ograniczyć uprawę wielkoobszarowych monokultur roślin jednego gatunku (jak to ma miejsce w przypadku kukurydzy w Niemczech). Należy uprawiać różne rośliny energetyczne dostosowane do gleb i uwilgotnienia w danym regionie (wzrost bioróżnorodności).

51 Jak uzyskać dodatkowe dopłaty do upraw energetycznych? Uprawy energetyczne jednym ze sposobów na zazielenianie i utrzymanie obszarów proekologicznych Zazielenianie to nie przywilej lecz daleko idący obowiązek (od 2015 r.), nie wywiązywanie się przez rolnika z praktyk zazieleniania będzie skutkować nałożeniem kary (np. zmniejszeniu płatności bezpośredniej - obszarowej. Wysokość subwencji tytułem zazieleniania poprzez uprawę roślin energetycznych (gatunki: kostrzewa trzcinowa, stokłosa, perz kępowy, sylfia, proso rózgowate, sorgo itp.) zazielenianie - 74 euro /1 ha, (ok. 320 zł) płatności obszarowej około 110 euro/ha (473 zł)

52 Dziękuję za uwagę

53 O d z n a c z e n i e p a ń s t w o w e: Postanowienie Prezydenta RP Andrzeja Dudy z dn. 21. kwietnia 2017 r. o nadanie odznaczenia na wniosek Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi za zasługi w działalności na rzecz rozwoju odnawialnych źródeł energii i rozwoju hodowli roślin energetycznych: Nr leg ZŁOTY KRZYŻ ZASŁUGI dla dr inż. D. Martyniak