Wybrane zagadnienia dotyczące obrotu biomasą i biopaliwami. grupa 1, 2, 3

Transkrypt

1 Wybrane zagadnienia dotyczące obrotu biomasą i biopaliwami Zajęcia II- Biopaliwa w bilansie energetycznym obiektów indywidualnych grupa 1, 2, 3

2 WIERZBA Salix viminalis ALTERNATYWĄ ENERGETYCZNĄ DLA GOSPODARSTW ROLNYCH W MAŁOPOLSCE 1. Wstęp Człowiek wykorzystywał odnawialne źródła energii od bardzo dawna. Swoje potrzeby na ciepło, światło zaspokajał wykorzystując przede wszystkim takie zasoby przyrody jak: drewno, energię wody i wiatru, oleje roślinne itp. Rewolucja przemysłowa zmieniła tę sytuację i od kooca XVIII wieku mamy do czynienia z stale rosnącym zużyciem paliw kopalnianych. Stajemy więc dzisiaj przed dylematem, na jak długo wystarczy tych paliw, gdzie jest granica ich wydobycia i emisji gazów cieplarnianych. Wracamy więc do korzeni, traktując na razie odnawialne źródła energii jako częściową alternatywę dla paliw kopalnianych. Obecna pozycja odnawialnych źródeł energii (OZE) w bilansie paliw i energii pierwotnej jest niewielka i w skali światowej wynosi 18%. W Unii Europejskiej udział OZE wynosi zaledwie 6%, przy czym należy podkreślid, że np. w Austrii i Szwecji udziały te są większe i wynoszą odpowiednio 24,3 i 25,4 %, a ich głównym źródłem jest energia wody. Wielkości udziału OZE w Polsce są rozbieżne *Pasierb Najbardziej realna wydaje się liczba 2,5% (czyli 104 PJ) podawana przez Europejskie Centrum Energii Odnawialnej [EC BREC/IBMER 2000]. Kraje UE uznały, że potrzebna jest większa promocja i otwarcie rynku dla OZE. Znalazło to odbicie w polityce i programach Unii takich jak: Konwencja Klimatyczna Protokół z Kioto (grudzieo 1997), Biała Księga (styczeo 1996) oraz Energia dla przyszłości: odnawialne źródła energii (listopad 1997). W Polsce w sierpniu 2001 roku Sejm zaaprobował "Strategię rozwoju energetyki odnawialnej", w której postawiono, że w roku 2010 udział energii ze źródeł odnawialnych w bilansie paliw pierwotnych kraju wyniesie 7,5% a w 2020 roku 14%. Polska podpisała również protokół z Kioto, zobowiązując się do redukcji gazów cieplarnianych o 6% w stosunku do roku bazowego Jak wykazują dane Krajowego Centrum Inwentaryzacji Emisji *KCIE największy udział w gazach cieplarnianych stanowi CO 2 emitowany głównie przez przemysł energetyczny (67,3 %). Chcąc wywiązad się ze zobowiązao, Polska powinna więc w pierwszej kolejności wprowadzid ograniczenia emisji gazów w tej dziedzinie. Najbardziej skuteczna drogą redukcji gazów cieplarnianych jest zwiększanie udziału energii pochodzącej z odnawialnych źródeł *MŚ 2000, EC BREC/IBMER 2000]. Takie rozwiązanie sprzyja również wypełnianiu zobowiązao zawartych w Strategii rozwoju energetyki odnawialnej *MŚ Na podstawie przyjętych przez rząd dokumentów określających wzrost zużycia OZE powstało wiele prognoz rozwoju poszczególnych źródeł energii w perspektywie następnych 20 lat i więcej. Według jednej z nich,

3 przygotowanej przez EC BREC *Ministerstwo Środowiska 2000+, największy udział w OZE stanowid będzie biomasa (około 85%) pozyskiwana głównie z drewna, roślin zbożowych oraz z plantacji roślin energetycznych. Na szczególną uwagę zasługuje fakt, że ponad 30% energii uzyskiwanej z OZE będzie pochodzid z indywidualnych kotłów. Zgodnie z powyższymi uwagami należy się spodziewad, że w ciągu najbliższych lat znacznie wzrośnie zainteresowanie stosowaniem paliw odnawialnych a w szczególności biomasy. 2. Cel i zakres Celem pracy było określenie opłacalności uprawy wierzby z przeznaczeniem jako paliwo do kotłów grzewczych w gospodarstwie indywidualnym na terenie Małopolski. W oparciu o zapotrzebowanie energetyczne - oszacowane na podstawie ilości energii zużywanej na ogrzewanie budynku mieszkalnego i przygotowanie ciepłej wody użytkowej - określono minimalny areał niezbędny do zabezpieczenia odpowiedniej ilości biomasy. Określono koszty zastosowania zrębków wierzby jako paliwa przy zastosowaniu dwóch wariantów uprawy. W jednym założono, że plantacja jest w pełni utrzymywana poprzez usługi, w drugim zaś, że jedynie proces zrębkowania wykonywany jest jako usługa. Koszty jednostkowe stosowania tego rodzaju OZE porównano z innymi nośnikami energii. 3. Plantacje wierzby jako źródło biomasy do celów energetycznych Przewidując rozwój OZE na terenie woj. małopolskiego należy wziąd pod uwagę pewne aspekty społeczne oraz gospodarcze specyficzne dla tego regionu. Do najważniejszych należy zaliczyd [US w Krakowie 2003, UM Woj. Małopolskiego 2003+: - średnią powierzchnię gospodarstwa- 2,61 ha (w kraju 6,59 ha) - średnią gęstośd zaludnienia- 214 osób/km 2 (w kraju 122 osób/km 2 ) - średnią gęstośd zaludnienia obszarów wiejskich- 119 osób/km 2 ( w kraju 50 osób/km 2 ) - udział lasów prywatnych w terenach leśnych- 40 % (w kraju ok. 16 %) Zgodnie z uwagami zawartymi we wstępie należy się spodziewad, że ponad dwukrotnie większe zaludnienie obszarów wiejskich w Małopolsce (w porównaniu do reszty kraju) spowoduje odpowiednio większe zainteresowanie OZE. Opierając się na prognozie zakładającej, że ponad 80 % udziału energii z odnawialnych źródeł będzie pochodzid z biomasy, konieczne staje się określenie

4 głównych jej źródeł. Najłatwiejszym dla rolników sposobem pozyskania biomasy jest wykorzystanie słomy. Niestety na terenie województwa małopolskiego istnieje niedobór słomy (zbóż, rzepaku), który wynosi 74,2 tys. ton *Gradziuk i in (dla porównania w woj. wielkopolskim nadwyżka słomy wynosi 1535 tys. ton, a w kujawsko-pomorskim 1096,8 tys. ton) i prawdopodobnie jest spowodowany tym, że średnia powierzchnia upraw zbożowych nie przekracza 2 ha *US w Krakowie Należy więc poszukiwad innych źródeł biomasy. Biorąc pod uwagę drewno z zasobów leśnych można stwierdzid, że: - rozdrobnienie własnościowe terenów leśnych oraz położenie topograficzne powodują, że pozyskanie drewna opałowego na terenie Małopolski jest utrudnione a w związku z tym bardzo kosztowne. - charakter ochronny lasów Małopolski (ponad 80 %) wpływa na politykę leśną - cięcia są rozproszone, selektywne. Rozproszony wyrąb obniża koncentrację drewna opałowego, co wpływa bezpośrednio na koszty pozyskania i dlatego w wielu przypadkach, ze względów ekonomicznych, rezygnuje się z jego pozyskania *RDLP Kraków słaba infrastruktura drogowa oraz trudny teren górzysty uniemożliwiają zastosowanie maszyn do efektywnego pozyskiwania drewna opałowego *Płotkowski, Szabla Trudności w pozyskiwaniu drewna i słomy powodują, że uprawy roślin energetycznych stają się w chwili obecnej bardzo ważnym źródłem biomasy. Dotychczas stosowane rośliny w uprawach energetycznych to między innymi: wierzba konopianka, ślazowiec pensylwaoski, topinambur, rdest sachalioski, miskant olbrzymi, miskant cukrowy, spartina preriowa. Największą popularnośd wśród producentów zdobyła wierzba konopianka (Salix viminalis). Zadecydowała o tym łatwośd uprawy oraz niewielkie wymagania uprawowe. Zaleca pod uprawę wierzby grunty użytkowane rolniczo (płużnie) o klasach bonitacyjnych IIIb IV lub niższych, gleby aluwialne napływowe, mady, gleby nadmiernie wilgotne (ale nie zabagnione) oraz gleby zniszczone przez przemysł. Analizując strukturę gleb województwa małopolskiego należy stwierdzid, że największy udział stanowią gleby klas IV oraz V i VI i zajmują ponad 65% ogólnej powierzchni województwa. Te właśnie gleby stanowią potencjalny areał uprawy wierzby. Dodatkowo należy uwzględnid, że w ostatnich latach powierzchnia odłogów i ugorów wzrosła do 137,8 tyś. ha. Tak więc przeznaczając pod uprawę wierzby tylko około 25% gruntów, które zostały przekształcone w ugory i odłogi oraz około 4% użytków zielonych uzyskamy potencjalny areał wynoszący ok. 50 tyś. ha.

5 Drugim ważnym czynnikiem decydującym o sukcesie uprawy wierzby są stosunki wodne. Obszar woj. małopolskiego znajduje się w obrębie większych opadów atmosferycznych kraju, dzięki czemu stosunki wodno glebowe są korzystne. W ostatnich latach roczne sumy opadów atmosferycznych wahały się od 700 do 1500 mm *GUS ]. 4. Oszacowanie minimalnego areału uprawy wierzby energetycznej Obliczenia zostały przeprowadzone dla średniego gospodarstwa, w którym powierzchnia gruntów wynosi 2,61 ha, powierzchnia domu mieszkalnego wynosi 100 m 2 *UM Woj. Małopolskiego 2003] oraz liczba osób zamieszkujących wynosi 4 *UM Woj. Małopolskiego Areał uprawy został wyznaczony na podstawie potrzeb energetycznych w/w gospodarstwa. Całkowite zużycie energii Q C1(2) zostało określone w oparciu o ilośd energii potrzebnej do ogrzania domu oraz na przygotowanie ciepłej wody użytkowej w ciągu roku. Przyjęto, że średnio 1 osoba zużywa 80 l/dobę ciepłej wody użytkowej *MPWiK Kraków+. Energię potrzebną na ogrzanie domu obliczono dla dwóch wariantów: dla domu D 1 wybudowanego przed 1998 r. i dla domu D 2 wybudowanego po roku Całkowita ilośd energii: Q C1(2) QW QD1(2) iq( Tk Tp) cw365 AEO1(2) gdzie: Q W energia zużywana na podgrzanie wody *MJ+ [1] Q D1(2) energia zużywana na ogrzanie domu w ciągu roku w obiektach D 1(2) [MJ] q dobowe zużycie ciepłej wody [l/dobę] i liczba osób T k temperatura wody ciepłej, przyjęto 55 [ C] T p temperatura wody zimnej, przyjęto 10 * C] c w ciepło właściwe wody 4, [MJ/kgK] A powierzchnia ogrzewana [m 2 ] Eo 1 wskaźnik zużycia energii dla obiektu D 1, przyjęto 1260 [MJ/m 2 rok][cppai 2001] Eo 2 wskaźnik zużycia energii dla obiektu D 2, przyjęto 432 [MJ/m 2 rok] [PN-91/B-02020] Na podstawie w/w założeo obliczono roczne zużycie energii,

6 które dla obiektu D 1 wynosi Q C1 = MJ (gdzie Q W = MJ, Q D1 = MJ) natomiast dla obiektu D 2 wynosi Q C2 = MJ (gdzie Q W = MJ, Q D1 = MJ). Całkowitą powierzchnię uprawy podzielono na trzy części. Każda z nich zapewnia biomasę potrzebną na pokrycie potrzeb energetycznych gospodarstwa w ciągu 1 roku. Wielkośd areału została obliczona w oparciu o zapotrzebowanie energetyczne przy następujących założeniach: W op 12 [MJ/kg] kalorycznośd zbieranej wierzby przy wilgotności W=35 [%] [Szczukowski, Tworkowski 2001] 0,7 sprawnośd spalania kotła P 47% = 45,0 [t/ha] plon świeżej masy wierzby zbierany po trzech latach [Szczukowski i in. 2001] P 35% 36,9 [t/ha] wielkośd plonu przy wilgotności 35% (wilgotnośd spalanej masy) Całkowity areał uprawy wierzby: gdzie: A D1(2) ' QC1(2) AD 1(2) 3AD1(2) [2] W P op 35% całkowita powierzchnia plantacji wierzby [ha] A D ) powierzchnia plantacji, z której zbierana masa pokrywa zapotrzebowanie energetyczne w ciągu jednego roku [ha] Całkowity areał uprawy obliczony dla wariantu D 1 wynosi 1,35 ha, natomiast dla D 2 0,6 ha. 5. Szacunkowe koszty założenia oraz eksploatacji plantacji wierzby Analizę kosztów przeprowadzono dla dwóch wariantów: a) PW charakteryzującym się minimalizacją kosztów. Założono, że rolnik ponosi tylko koszty materiałowe, natomiast koszty siły roboczej oraz koszty maszyn i urządzeo nie są uwzględniane. Technologia zbioru jest oparta o wykorzystanie maszyn i urządzeo dostępnych w gospodarstwie. b) US uwzględniającym koszty wszystkich czynności, które są wykonywane w ramach usług. Założono, że zbiór wykonywany jest technologią jednoetapową przy zastosowaniu kombajnu zrębkujacego. Nakłady związane z założeniem plantacji i utrzymaniem

7 Założenie plantacji Projekt Wiedza i umiejętności kluczem do sukcesu inżynierów Ochrony Środowiska oraz zestawiono w tabeli 1. Największą składową kosztów założenia plantacji jest koszt sadzonek w pierwszym roku. Rolnik zmuszony jest dokonad zakupu sadzonek na obsadzenie 1/3 powierzchni całkowitej uprawy. Na pozostałą częśd areału sadzonki są pozyskiwane już z własnej plantacji. W tabeli 2 zostały zestawione koszty zbioru wierzby dla wariantów PW, w którym jedynie czynnośd zrębkowana traktowana jest jako usługa. Założono, że zrębkowanie wykonywane jest w okresie jesiennym, kiedy w wyniku sezonowania przez miesiące letnie zmniejszyła się zawartośd wody w łodygach do około 35 %. Tab. 1. Koszty założenia oraz utrzymania plantacji [zł]. Wariant PW Wariant US Obiekt D 1 Obiekt D 2 Obiekt D 1 Obiekt D 2 Przygotowanie ziemi pod uprawę, sadzenie I rok II i III rok Koszty sadzonek I rok II i III rok Utrzymanie plantacji Suma [zł] Tab. 2. Koszty zbioru wierzby przy wariancie PW [zł] Wyszczególnienie Obsługa Wydajnośd Cena jedn. Obiekt D 1 *zł+ Obiekt D 2 *zł+ Ścinanie przy użyciu narzędzi, maszyn ręcznych 2 osoby + piły spalinowe 0,02 ha/h 8 zł/h 180,0 80,0 Form. ręczne ścinanych łodyg w wiązki 1 osoba Załadunek oraz transport w miejsce sezonowania Transport ciąg. + 2osoby 0,8 t/h 2,8 zł/l [ON] 43,2 19,0 Zrębkowanie sezonowanych łodyg oraz transport w miejsce magazyn. rębak + obsługa 4 t/h 70 zł/h 283,5 126,0 Razem: 506,7 225,0 W wariancie US zbiór przeprowadzany jest przez kombajn zrębkujacy. Zastosowanie takiej technologii powoduje, że otrzymane zrębki mają wilgotnośd nawet powyżej 50%. W celu zminimalizowania strat

8 przechowalniczych należy je wysuszyd do około 35% zawartośd wody. Założono, że proces ten przebiega w suszarce konwekcyjnej, w której źródłem ciepła są zrębki z własnej plantacji. W celu zapewniania odpowiedniej ilości paliwa w procesie suszenia, powierzchnię plantacji należy więc zwiększyd o około 4%. W tabeli 3 zostały przedstawione koszty zbioru wierzby dla poszczególnych obiektów. Tab.3. Koszty zbioru wierzby przy wariancie US [zł] Wyszczególnienie Wydajnośd Cena jedn. Obiekt D 1 *zł+ Obiekt D 2 *zł+ Zbiór z użyciem kombajnu zrębkującego Transport rozdrobnionej masy w miejsce magazynowania Suszenie zrębków do optymalnej zawartości wody w materiale kombajn zrębkujący transport ciągni. (6 zestawów) suszarnia konwekcyjna 0,5 ha/h 300 zł/h 270,0 120,0 22,5 t/h 204 zł/h 190,3 84,8 0,2 t/h 7,5 zł/h 468,3 207,6 Razem: 928,6 412,4 6. Szacunkowe koszty energii Na podstawie kosztów poniesionych na założenie plantacji, jej utrzymanie oraz zbiór określono nakłady ponoszone w ciągu roku oraz koszt uzyskania 1 tony zrębków w zależności od stosowanego wariantu pracy. Koszt jednej tony zrębków pozyskanych dla wariantu PW wyniósł 63 zł/t, natomiast dla wariantu US zł/t. W celu sprawdzenia opłacalności stosowania zrębków wierzby na cele grzewcze, określono koszty jednostkowe energii przy wykorzystaniu innych paliw oraz roczne nakłady dla analizowanych obiektów (tab.4). Koszty energii pochodzącej ze zrębków wierzby są zdecydowanie najniższe i dla wariantu PW wynoszą 0,018 zł/kwh natomiast dla wariantu US 0,03 zł/kwh. Uzyskane wyniki zbliżone są do kosztów podawanych w literaturze, gdzie cena jednostkowa waha się od 0,034 zł/kwh do 0,057 zł/kwh [Kowalik 2002, Łakomiec 2003, Szczukowski i in. 2001]. Najdroższa jest energia elektryczna i jej zastosowanie powoduje zwiększenie kosztów odpowiednio 10-krotnie dla wariantu D 1 i 20-krotnie dla wariantu D 2 (0,367zł/kWh). Natomiast zastosowanie oleju opałowego, gazu ziemnego czy też węgla kamiennego zwiększa kilkukrotnie koszt energii w stosunku do wierzby. Tab.4. Szacunkowe koszty energii dla obiektów D 1 i D 2 przy stosowaniu różnych nośników l.p Rodzaj paliwa Zapotrzebowanie roczne Cena paliwa Razem *zł/rok] zł/kwh

9 Obiekt D 1 Obiekt D 2 Obiekt D 1 Obiekt D 2 1 Energia elek.[taryfa G11] kwh kwh 0,367 zł/kwh ,367 2 Olej opałowy 3,52 t 1,55 t zł/t ,128 3 Gaz ziemny 3,89 tyś.m 3 1,71 tyś.m zł/tyś.m ,101 4 Węgiel kamienny 5,92 t 2,7 t 450 zł/t ,065 5 Brykiety drzewne 8,2 t 3,6 t 300 zł/t ,060 6 Zrębki leśne wg.rdlp w Katowicach 12,33 t 5,43 t 130 zł/t ,039 7 Zrębki wierzby war. US* 12,82 t 5,64 t 102 zł/t 1 307,6 575,3 0,030 8 Zrębki wierzby war. PW* 12,33 t 5,43 t 63 zł/t 776, ,018 * -przy zawartości wody 35% 7. Wnioski 1. Przeprowadzona analiza pozwala na stwierdzenie, że w najbliższych latach na terenie Małopolski powinno nastąpid wydatne zwiększenie uprawy wierzby Salix viminalis. 2. Na podstawie analizy potencjału glebowego, uwzględniającej klasy bonitacyjne, stosunki wodne oraz powierzchnię odłogów i ugorów można przyjąd, że na terenie Małopolski powierzchnia gruntu nadającego się do uprawy wierzby wynosi ok. 50 tyś. ha. 3. Minimalny areał uprawy wierzby dla gospodarstwa z domem wybudowanym przed 1998r. wynosi 1,35 ha natomiast z domem wybudowanym po roku 1998 wynosi 0,6 ha. 4. Szacunkowe koszty pozyskania 1 t zrębków technologią opartą o usługi są około 60% większe niż przy technologii zakładającej maksymalizację pracy rolnika i wynoszą 102zł/t. 5. Przeprowadzone obliczenia szacunkowe wykazały, że spośród analizowanych paliw najniższy koszt wyprodukowania jedn. energii występuje przy stosowaniu zrębków wierzby. Wynosi on 0,018 zł/kwh dla wariantu PW oraz 0,03 zł/kwh dla wariantu US. Jest to koszt odpowiednio 70 % i 50 % niższy niż przy stosowaniu węgla kamiennego oraz prawie 20 i 10 -krotnie niższy niż przy stosowaniu energii elektrycznej na cele grzewcze. Bibliografia 1. Centrum Prasowe Polskiej Agencji Informacyjnej S.A Materiały konferencyjne "Ogrzewaj swój dom, nie planetę. Warszawa, 5 grudzieo.

10 2. Europejskie Centrum Energii Odnawialnej przy Instytucie Budownictwa Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa, "Ekonomiczne i prawne aspekty wykorzystania odnawialnych źródeł w Polsce". Warszawa. 3. GUS Opady atmosferyczne Gradziuk P. Grzybek A. Kowalczyk K. Kościk B Biopaliwa. Wyd. Wieś Jutra Warszawa. 5. Krajowe Centrum Inwentaryzacji Emisji. Inwentaryzacja emisji gazów cieplarnianych za rok Kowalik P Wiklinowe uprawy energetyczne. Czysta energia, 6: Łakomiec L Odnawialne źródła energii. Hasło ogrodnicze, 11: MPWiK Kraków Płotkowski L. Szabla K Drewno jako alternatywne źródło energii. Konferencja naukowotechniczna Możliwości wykorzystania biomasy na cele energetyczne. Malinówka k/ełku październik. 10. Pasierb S Jak rozwijad odnawialne źródła energii w regionie i aktywizowad gospodarkę i społeczeostwa nieprzemysłowych obszarów województwa śląskiego. Seminarium Czysta i zielona energia - czyste powietrze w Województwie Śląskim. Katowice, 6-7 marzec. 11. Regionalna Dyrekcja Lasów Paostwowych w Krakowie Ministerstwo Środowiska Strategia rozwoju energetyki odnawialnej. Warszawa, wrzesieo. 13. Szczukowski S., Tworkowski J., Stolarski M. Kisiel R. Leniec K Wytwarzanie energii cieplnej w zgazowarce pirolitycznej z biomasy wierzb krzewiastych. Problemy Inżynierii Rolniczej, 4: Szczukowski S.,Tworkowski J Produktywnośd oraz wartośd energetyczna biomasy wierzb krzewiastych Salix sp. na różnych typach gleb w pradolinie Wisły. Post. Nauk Rol. 2: Urząd Statystyczny w Krakowie, Użytkowanie gruntów, powierzchnia zasiewów i pogłowie zwierząt gospodarskich. Województwo Małopolskie.

11 16. Urząd Marszałkowski Województwa Małopolskiego Sytuacja społeczno-gospodarcza Województwo Małopolskie Kraków.