RECENZJA. rozprawy doktorskiej mgr Marty Bloch-Michalik. pt. Technologia wykorzystania produktu ubocznego fermentacji metanowej jako

Transkrypt

1 Dr hab. inż. Jacek Dach, prof. nadzw. Instytut Inżynierii Biosystemów Wydział Rolnictwa i Bioinżynierii Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu Poznań, dn. 15 marca 2018 r. RECENZJA rozprawy doktorskiej mgr Marty Bloch-Michalik pt. Technologia wykorzystania produktu ubocznego fermentacji metanowej jako paliwa wtórnego z uwzględnieniem aspektów energetycznych", wykonanej w Katedrze Organizacji i Inżynierii Produkcji na Wydziale Inżynierii Produkcji Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie pod kierunkiem dra hab. Marka Gaworskiego, prof. nadzw. SGGW OCENA FORMALNA PRACY Recenzję rozprawy doktorskiej wykonałem na zlecenie Dziekana Wydziału Inżynierii Produkcji, pana dra hab. Tomasza Nurka, prof. SGGW, godnie z uchwałą Rady Wydziału z dn. 23 stycznia 2016 r. o powołaniu mnie na recenzenta. Promotorem pracy doktorskiej jest Pan dr hab. Marek Gaworski, prof. nadzw. SGGW. Rozprawa zawiera łącznie 127 stron, w tym 19 rysunków, 25 tabel oraz 138 pozycji literaturowych, wśród których dominuje literatura angielskojęzyczna (76 pozycji), głównie w postaci artykułów naukowych z renomowanych czasopism o zasięgu ogólnoświatowym, a także raportów Komisji Europejskiej oraz międzynarodowych organizacji branżowych. Ponieważ temat zagospodarowania pofermentu jest w Polsce tematem stosunkowo młodym, stąd wykorzystanie w pracy tak licznych źródeł zagranicznych wpływa korzystnie na zwiększenie wartości naukowej dysertacji, także w kontekście dalszego rozpowszechniania wyników badań w renomowanych czasopismach o zasięgu międzynarodowym. Oceniana dysertacja ma układ właściwy dla prac o charakterze doświadczalnym z zakresu inżynierii rolniczej oraz zawiera kompletny układ wymaganych rozdziałów. W przedstawionej mi dysertacji Doktorantka wyróżniła łącznie 7 rozdziałów (w tym Wstęp, który jednak nie jest numerowany). Spośród rozdziałów największy objętościowo (aż 50 stron) to Metodyka i Materiał Badawczy, który znacznie dominuje nad rozdziałem Wyniki Badań i Ich Dyskusja (22 strony). W późniejszych komentarzach będę wskazywał, że część

2 materiałów z rozdziału dotyczącego metodyki powinna znaleźć się jednak w części wynikowej. Na podkreślenie zasługuje wyartykułowanie problemu badawczego w rozdziale 3. bowiem wciąż zdarza się, że doktoranci pomijają jego znaczenie, a nawet formułują go mimochodem w sposób niejawny we wstępie czy części literaturowej. SZCZEGÓŁOWA OCENA PRACY Praca podejmuje temat zagospodarowania pulpy pofermentacyjnej, będącej ubocznym produktem procesu fermentacji metanowej, na cele energetyczne. Autorka skupiła się przede wszystkim na określeniu zawartości węgla organicznego w pofermencie, który umożliwiałby racjonalne wykorzystanie frakcji stałej pofermentu jako peletu - czyli biopaliwa stałego. Należy podkreślić, że problem racjonalnego zagospodarowania pofermentu w Polsce jest bardzo duży bowiem produkt ten, choć posiada korzystne właściwości nawozowe, wg krajowego prawa jest traktowany jako odpad (w odróżnieniu np. od Niemiec czy Włoch). Stąd wiele biogazowni boryka się z dużymi trudnościami z zagospodarowaniem pulpy, a są to ilości niemałe - bowiem typowa biogazownia o mocy elektrycznej 1 MW może produkować nawet tys. ton pofermentu rocznie. Innym kierunkiem niż nawozowy jest zagospodarowanie frakcji stałej pofermentu (po jej uprzedniej separacji) na cele energetyczne. W dominującej w Europie technologii NaWaRo stopień przefermentowania substratów (głównie kiszonek) jest dość niski. W efekcie pulpa pofermentacyjna zawiera dużą ilość nierozłożonych fragmentów roślinnych, przede wszystkim zawierających ligninę i hemicelulozę - a więc związki o dużej wartości energetycznej. Stąd idea wykorzystania tej frakcji do produkcji biopaliw stałych (peletów) wydaje się być słuszna. W przyszłości pewnym zagrożeniem dla tego kierunku może stać się natomiast rozpowszechnienie wysokowydajnych technologii fermentacji opracowanych w Polsce (Dynamie Biogas czy ProBioGas), w których dogłębna fermentacja różnych substratów skutkuje kilkukrotnie mniejszą zawartością frakcji stałej w pulpie pofermentacyjnej. Przechodząc do merytorycznej oceny stwierdzam, że tytuł odpowiada zarówno treści pracy, jak i zgodny jest z zakresem przeprowadzonych przez Autorkę badań i analiz. We Wstępie Doktorantka opisuje aktualne problemy sektora energetycznego w Polsce, produkcji energii elektrycznej oraz uzasadnia podjęcie tematu. Nie zgodziłbym się jednak ze stwierdzeniami Autorki, iż (str. 11.) [...] należy oczekiwać. Iż struktura wytwarzania energii 2

3 elektryczne w Polsce nie ulegnie znaczącej zmianie" oraz Czynnikami, które w największym stopniu przyczyniły się do takiego wyniku są stosunkowo niskie obecnie i zakładane w przyszłości ceny CO2 [...]". Doktorantka pisała te słowa zapewne pod koniec 2017 roku, tymczasem od stycznia 2018 roku obserwujemy ogromny wzrost cen uprawnień do emisji CO2 - o 3 A aż do nienotowanych poziomów 14 euro/mg. Osobiście uważam, że w wyniku nacisków KE na rozwój OZE w krajach członkowskich, planowane wprowadzenie limitów emisji na poziomie 500 g 002/kWh energii elektrycznej dla rynku mocy oraz coraz większe spadki kosztów wytwarzania energii z OZE - udział węgla w krajowym miksie energetycznym będzie stopniowo (aczkolwiek coraz szybciej) malał w perspektywie 2-3 kolejnych dekad. Stąd proszę Doktorantkę o ustosunkowanie się do mojej powyższej uwagi (a także Jej wcześniejszych, cytowanych stwierdzeń) w trakcie obrony pracy. Doktorantka nie wyodrębniła jednego rozdziału Przeglądu Literatury, ale przegląd ten podzieliła na dwa rozdziały (1. Zasoby energii odnawialnej w Polsce oraz 2. Produkt uboczny fermentacji metanowej). Nie jest to błąd, ale szczęśliwszym rozwiązaniem byłoby jednak zamknąć oba te punkty w jednym rozdziale obejmującym Przegląd czy Analizę Literatury. Chciałbym natomiast pochwalić panią mgr Martę Bloch-Michalik za zrozumienie istoty funkcjonowania biogazowni bowiem na str. 14. pisze Ona, iż [...] podstawową funkcją instalacji biogazowych jest efektywne wykorzystanie odpadów". Jest to bardzo istotna kwestia, bowiem w odróżnieniu od innych rodzajów OZE - biogazownie nie służą li tylko produkcji energii elektrycznej i cieplnej w skojarzeniu, ale przede wszystkim są najbardziej efektywnymi ekonomicznie i ekologicznie instalacjami do utylizacji bardzo wielu rodzajów odpadów. Autorka na str. 15. podkreśla także praktycznie zerową emisję CO2 z biogazowni. Ja poszedłbym jeszcze dalej - bowiem w przypadku, gdy biogazownie przerabiają odchody zwierzęce (zwłaszcza obornik), są to wówczas instalacje o ujemnej emisji CO2 bowiem redukują niekontrolowaną emisję metanu (gazu cieplarnianego o 21-krotnie silniejszego niż CO2) z przechowywania nawozów naturalnych. Stanowczo nie zgadzam się ze stwierdzeniem ze str. 18., że Inwestycje w zakresie OZE, a w szczególności w biogazownie cechują się w Polsce bardzo niskim poziomem dynamiki technologicznej, niewielkim rynkiem docelowym [...]". Akurat bowiem w sektorze biogazowym polskie technologie wyznaczają światowe standardy. Technologia ProBioGas (Międzyrzec Podlaski) umożliwia fermentację z wydajnością o ponad 20% wyższą niż typowa NaWaRo, a dodatkowo jako jedyna instalacja na świecie jest w stanie produkować do 2000 m 3 dziennie biowodoru z odpadów 3

4 organicznych. Z kolei technologia Dynamie Biogas cechuje się wydajnością o 20-30% wyższą niż NaWaRo, a przy tym bardzo szybką budową stalowych biogazowni i niezwykle matą awaryjnością i kosztami eksploatacji. To w tej ostatniej technologii realizowana jest inwestycja budowy biogazowni o mocy 500 kw w Zakładzie Doświadczalnym UPwP, zlokalizowanym w miejscowości Przybroda. W obu tych technologiach możliwa jest praktycznie dowolna zmiana składu i ilości wsadu - natomiast to, co Doktorantka pisze na str. 21.: niezwykle ważne jest to, aby [...] nie zmieniać zawartości składu oraz ilości wsadu w niekontrolowany sposób" jest oczywistą prawdą, ale odnoszącą się do dość prymitywnej technologii NaWaRo, dominującej w Polsce i w Europie. W zakończeniu rozdziału 2. Doktorantka zgrabnie nawiązuje do sformułowania problemu badawczego. W rozdziale 3. Problem badawczy, Cel i Zakres Pracy Doktorantka wskazała problem badawczy, który obejmował określenie wpływu fizyko-chemicznego składu pofermentu na jego wartość energetyczną. Określiła również cel naukowy (wyznaczenie charakterystyki zmian i granicy opłacalności energetycznej wykorzystywania pofermentu wraz ze zmianą zawartości Corg w jego składzie) oraz cel utylitarny (koncepcja metody oceny ekonomicznej zagospodarowania pofermentu na podstawie bilansu energetycznego biogazowni). Sformułowała także hipotezę główną i trzy pomocnicze - przy czym wydaje mi się, że hipoteza nr 1 (poferment jest substancją bezpieczną biologicznie) jest oczywistością. Mam w związku z tym pytanie do Doktorantki: czy w obecnym stanie prawnym w ogóle możliwe jest wykorzystywanie pofermentu, który nie jest bezpieczny biologicznie, lecz np. zakażony Salmonellą czy E. coli? Kolejny rozdział 4. Metodyka i Materiał Badawczy, jak wcześniej wspomniałem - jest najbardziej rozbudowaną częścią pracy. Jednak już na początku brakuje mi dodatkowego, wydzielonego z tekstu punktu 4.1 zatytułowanego np. Proponowane rozwiązanie techniczno-technologiczne" i obejmującego strony Autorka bowiem opisała tu proponowaną linię technologiczną do zagospodarowania pofermentu, ale nie wydzieliła tego w tekście - a stanowi to ważny aspekt pracy. Z kolei materiały związane z ciepłem spalania lub składem wybranych paliw (tabele 9 i 10) wraz z opisem należałoby raczej umieścić w części literaturowej, bowiem choć są przydatne to jednak nie są bezpośrednio związane z metodyką. Sama metodyka dotycząca części analitycznej jest sprawdzona i gwarantuje uzyskanie reprezentatywnych wyników. 4

5 Z kolei w części metodycznej związanej z analizą numeryczną Autorka wymienia (str. 54) badane cechy zbiorów takie jak: sucha masa (SM), potas (K), fosfor (P) i azot ogólny (N). Od razu nasuwa mi się pytanie: dlaczego nie została uwzględniona inna ważna cecha czyli zawartość suchej materii organicznej (SMO), która wszak najmocniej wpływa na wartość energetyczną pofermentu? W konsekwencji, we wzorze nr 35 (str. 62) występuje parametr azotu ogólnego oraz suchej masy przed i po zagęszczeniu. Jednak proces zagęszczenia powoduje, że frakcja rozpuszczalna mineralna (czyli tzw. popiół oraz azot amonowy i azotanowy) przechodzą do odcieku, a zwiększa się w gęstwie udział frakcji organicznej - proporcjonalnie bardziej niż zwiększenie się zawartości samej suchej masy. Podrozdział Aproksymacja za pomocą funkcji liniowej", a zwłaszcza Rys. 7 - powinny się w mojej opinii znaleźć w części rezultatów, a nie w metodyce. Z kolei punkt 4.2. Analiza kosztów paliw w energetyce zawodowej należałoby w zasadzie w całości przenieść do części literaturowej bowiem rozdział ten zawiera dużo cennych danych, wykorzystywanych w dalszej części dysertacji. Natomiast w rozdziale 4.3. (str. 76) Autorka stwierdza, że koszt biomasy jest równy zero". W związku z tym mam pytanie - na jakiej podstawie przyjęto takie założenie? Można bowiem stwierdzić, że z jednej strony koszt frakcji stałej pofermentu może być związany z kosztami energii elektrycznej i amortyzacji separatora - a z drugiej łatwo jest wyliczyć wartość 1 Mg pofermentu znając zawartości w nim NPK i przemnażając te zawartości przez rynkowe ceny azotu, fosforu i potasu (w przypadku nieodseparowanego pofermentu są to zazwyczaj kwoty między 20 a 45 zł/mg). Wydaje się bowiem, że zmiana założeń odnośnie ceny bazowej surowca może mieć istotny wpływ na działanie modelu i uzyskane wyniki. Bardzo pozytywnym aspektem pracy jest wykorzystanie w obliczeniach uznanych metod i modeli jak CAMP (Capital Asset Pricing Model), CWCCIS (Cyvil Works Construction Cost lndex System), MACRS-7 (Modified Accelerated Cost Recovery System) czy PROMETHEE (Preference Ranking Organization Method for Enrichment Evaluations). Rozdział 4.4 Implementacja metodyki i koncepcja oceny wyznaczania granicy opłacalności energetycznej również moim zdaniem powinien być przesunięty do wyników ponieważ zawiera rezultaty badań. Z kolei przychylam się do opinii Doktorantki (str. 85), iż proponowana forma zagospodarowania jest innowacyjna i pionierska" - ale nie zgadzam się ze stwierdzeniem, że publikacji na ten temat nie można znaleźć. Tak było zapewne gdy Doktorantka rozpoczynała realizację doktoratu analizując literaturę przedmiotu, jednak w ostatnim czasie, w latach

6 pojawiło się kilka pozycji dotyczących produkcji peletów energetycznych z pofermentu autorstwa poznańskich naukowców: W. Czekały, A. Wawrzyniak czy Z. Zbytka (Wojciech Czekała obronił pracę doktorską związaną z nawozowym i energetycznym przetwarzaniem pofermentu wiosną 2016 roku i publikuje wyniki tam zawarte). W rozdziale 5. Wyniki Badań i Ich Dyskusja Autorka przedstawia wyniki analiz pulp pofermentacyjnych pobranych z badanych biogazowni przed i po stabilizacji oraz separacji. Bardzo właściwe było rozdzielenie badanych biogazowni na instalacje zasilane substratami wyłącznie roślinnymi, z dodatkiem odpadów zwierzęcych oraz wykorzystujących osady ściekowe. W każdej z badanych instalacji frakcja stała pofermentu nadawała się do wykorzystania jako paliwo energetyczne. Z uwag należy wspomnieć o tym, że w tabeli 15 w kolumnach 5. i 9. (zawierających zawartość azotu w pofermencie) wkradł się chyba jakiś systematyczny błąd - wszystkie wartości wydają mi się 10-krotnie podniesione (jak gdyby jednostką miary były g/kg s.m. a nie % s.m.). Zastanawia mnie także bardzo duża rozpiętość wartości opałowej próbek pofermentu między 10,7 a 16.3 MJ/kg (str. 97). Stąd pytanie do Doktorantki: co mogło być przyczyną tak dużej rozpiętości wyników! Część wynikową pracy kończy określenie granicznej zawartości węgla w suchej masie pofermentu, która gwarantuje opłacalność energetyczną jego przetworzenia w biopaliwo stałe. Na podstawie analizy PROMETHEE przeprowadzonej przez Autorkę w oparciu o scenariusz ekonomiczny - palet z pofermentu wykazał lepszą pozycję rankingową niż pelet drzewny i z odpadów porolniczych. Zastrzegam jednak, że nie jestem do końca przekonany, czy właściwe jest przyjęcie 0 zł jako kosztu surowca (pofermentu). Pracę kończy rozdział 6. Podsumowanie i Wnioski, w którym Doktorantka podsumowuje uzyskane wyniki i odnosi je do postawionych wcześniej hipotezy głównej i pomocniczych, jak też podaje rozwiązanie problemu badawczego. Wniosek nr 2. ( Opracowanie koncepcji zagospodarowania pofermentu na cele energetyczne może stanowić podwaliny do komercyjnego wdrożenia technik produkcji przyjaznego dla środowiska naturalnego paliwa alternatywnego") może być dobrą platformą do przyszłej współpracy naukowo-wdrożeniowej z firmami biogazowymi w ramach projektów finansowanych przez NCBiR czy PARP. Kończąc ocenę merytoryczną pracy należy wspomnieć o drobnych brakach czy uwagach, które zamieszczam poniżej: - 3,6 mld a nie min m 3 biogazu (str. 16);

7 - w opisie parametrów procesowych brakuje ph (str. 21); - kompostowany może być nie sam poferment, lecz jego frakcja stała (str. 29); - frakcja stała pofermentu nie może być dodatkiem bogatym w białko, bowiem białko ulega w całości przefermentowaniu (str. 33); - biogazownia w Klępsku jest w województwie lubuskim, nie lubelskim (str. 36); - rys. 3 powinien posiadać opisy w języku polskim (str. 43); - rys. 17: brak opisu wartości osi odciętych (str. 103) Powyższe uchybienia nie wpływają jednak istotnie na wartość naukową pracy. WNIOSKI KOŃCOWE Przedstawiona mi do recenzji praca podejmuje innowacyjny i nowy temat energetycznego zagospodarowania pofermentu z biogazowni rolniczych w aspekcie zmiennych jego parametrów, a zwłaszcza zawartości węgla organicznego. Stwierdzam, że analizy zostały przeprowadzone w sposób kompleksowy, rzetelnie i wg właściwej metodyki, a dodatkowo zostały poddane rozbudowanej analizie statystycznej. Moje wątpliwości dotyczące pewnych aspektów metodycznych czy wyników zawarłem bezpośrednio w tekście recenzji w formie pytań i oczekuję, że Doktorantka wyjaśni mi je podczas publicznej obrony. Reasumując stwierdzam, że rozprawa doktorska przedłożona przez mgr Martę Bloch- Michalik spełniła ustawowe wymagania do ubiegania się o stopień naukowy doktora w dyscyplinie inżynieria rolnicza, zawarte w Ustawie o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki z dn. 14 marca 2003 r. (Dz. U. Nr 65, poz. 595, z późn. zm.). Pewne niedociągnięcia popełnione przez Doktorantkę nie wpływają na pozytywną ocenę przedłożonej mi do recenzji dysertacji. Na tej podstawie kieruję wniosek do Rady Wydziału Inżynierii Produkcji Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie o dopuszczenie mgr Martę Bloch-Michalik do dalszych etapów przewodu doktorskiego. 7