PROBLEMY MECHANIZACJI UPRAWY I ZBIORU WIERZBY KRZEWIASTEJ SALIX VIMINALIS

Transkrypt

1 Problemy Inżynierii Rolniczej nr 1/2007 Piotr Pasyniuk Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa w Warszawie PROBLEMY MECHANIZACJI UPRAWY I ZBIORU WIERZBY KRZEWIASTEJ SALIX VIMINALIS Wstęp Streszczenie Bilans biomasy dostępnej w kraju wskazuje, że do wypełnienia zobowiązania Polski dotyczącego udziału energii wytworzonej z odnawialnych źródeł energii potrzebna będzie znacząca ilość biomasy z upraw roślin energetycznych. Przewiduje się, że w ciągu kilku lat areał nasadzeń roślin energetycznych powinien przekroczyć 200 tys. ha, z czego większość zajmą plantacje wierzby energetycznej. Wobec tak znacznego areału zachodzi konieczność zmechanizowania procesów sadzenia, ochrony, oraz zbioru plonów. Przedstawiono przegląd i charakterystykę maszyn już dostępnych na rynku. Dokonano również analizy pracochłonności prac z zastosowaniem mechanizacji i w systemie pracy ręcznej. Słowa kluczowe: mechanizacja sadzenia, mechanizacja zbioru, wierzba energetyczna, maszyny rolnicze, wydajność maszyny, odnawialne źródła energii Polski Sejm przyjął w 2001 r. Strategię Rozwoju Energetyki Odnawialnej dokument przewidujący 7,5% udział OZE w bilansie paliwowo-energetycznym kraju w 2010 r. i 14% w 2020 r. w strukturze zużycia nośników pierwotnych [Strategia..., 2000]. Znacząca część energii elektrycznej i cieplnej z OZE będzie musiała być wytworzona z biomasy. Decydują o tym zasoby poszczególnych nośników energii i możliwości ich wykorzystania. Przemawia za tym również dotychczasowa struktura produkcji energii z poszczególnych źródeł (tab. 1). Bilans dysponowanej biomasy wskazuje jej niedostatek do uzyskania przyjętego wskaźnika udziału źródeł odnawialnych w wytwarzaniu energii. Oznacza to, że obok posiadanych i od lat wykorzystywanych nośników, takich jak drewno z lasów, drewno z zasobów komunalnych, odpady przemysłu przetwórstwa drewna, słomy zbóż itd., niezbędne jest poszerzanie areału upraw roślin hodowanych specjalnie na cele energetyczne. Podkreślić należy, że najnowsze regulacje prawne ograniczają w sposób zdecydowany ilość drewna z lasów przeznaczaną do spalania [Polityka..., 2005]. 145

2 Piotr Pasyniuk Tabela 1. Udział energii wyprodukowanej z odnawialnych źródeł w zużyciu energii ogółem (w tys. Mg paliwa ekwiwalentnego) Table 1. Share of energy generated from the renewable sources in total energy consumption (thousand Mg of equivalent fuel) Produkcja energii z OZE Zużycie Udział Rok energii OZE geotermia wiatr woda biomasa razem ogółem % , , , , , , , , ,55 Udział procentowy poszczególnych nośników w 2005 r. 0,16 0,28 3,76 95,80 100,00 Źródło: [Krajewska, 2006] i obliczenia własne Dotychczasowe doświadczenia polskie jak i innych krajów europejskich wskazują, że wśród całego szeregu roślin przydatnych na cele energetyczne wiodącą pozycję zajmuje wierzba krzewiasta (Salix sp.). Niektóre źródła podają, że w najbliższych latach w Polsce powinno powstać nawet 200 tys. ha wierzby energetycznej [Grzybek 2005]. Dotychczas przeważającą liczbę prac wykonuje się ręcznie. Przewidywany wzrost areału upraw może mieć miejsce pod warunkiem większego niż obecnie stopnia zmechanizowania prac na każdym ich etapie. Nieunikniony wzrost kosztów pracy żywej, jak i wzrost zadań proporcjonalnie do rozwoju powierzchni upraw, spowoduje konieczność zmechanizowania większości prac, a więc i zastąpienia pracy żywej pracą uprzedmiotowioną. Etapy produkcji wierzby Wierzba energetyczna jest taką samą rośliną, jak wszystkie inne uprawiane w rolnictwie. Wydajność energetyczna plantacji (w tym ilość pozyskanej biomasy) zależy, między innymi, od stosowanych zabiegów agrotechnicznych [Stolarski 2004]. Nie jest prawdziwe mniemanie, że wierzba sama rośnie i może być uprawiana na glebach dowolnej jakości. Właściwą wydajność energetyczna plantacji, a wiec i jej opłacalność gwarantuje należyte prowadzenie wszystkich zabiegów agrotechnicznych [Dubas, Tomczyk 2005; Harasimowicz-Hermann 2005]. Z punktu widzenia procesów agrotechnicznych i możliwości ich zmechanizowania należy wyróżnić następujące etapy: przygotowanie stanowiska, sadzenie, odchwaszczanie po nasadzeniach i zbiorze, nawożenie, ochrona fitosanitarna, zbiór, rozdrabnianie do postaci odpowiadającej przyjętym metodom spalania. 146

3 Maszyny dostępne na rynku Problemy mechanizacji uprawy... Przygotowanie stanowiska pod nasadzenia Oznacza wykonanie szeregu prac uprawowych takich jak: orka, wyrównanie powierzchni, odchwaszczanie mechaniczne i chemiczne. Wykonywane są w typowych technologiach z użyciem powszechnie stosowanych w rolnictwie maszyn i urządzeń. Całość prac wykonywana jest mechanicznie i nie wymaga przygotowania specjalistycznego, odrębnego dla wierzby, parku maszynowego. Orka przedzimowa wykonywana jest rolniczymi pługami do orki głębokiej z pogłębiaczem, opryskiwacze rolnicze stosuje się do nanoszenia herbicydów. Do spulchnienia i wyrównania gruntu przed sadzeniem z powodzeniem stosuje się agregat aktywny z wałem Campbella [Dubas i in. 2004]. Sadzenie zrzezów Zgodnie z planem rozmieszczenia roślin należy zasadzić tysięcy sadzonek w postaci zrzezów na każdy hektar. Dotychczas prace te wykonywane są ręcznie. W praktyce oznacza to konieczność zaangażowania 6-8 roboczodniówek na każdy ha plantacji. Przy stosunkowo taniej sile roboczej i dostatecznej jej podaży, a także przy niewielkich areałach takie rozwiązanie jest możliwe do zaakceptowania. W przypadku większych powierzchni niezbędne staje się zmechanizowanie tych prac. W tabeli 2 przedstawiono pracochłonność i koszty sadzenia wierzby w zależności od przyjętej technologii. Tabela 2. Pracochłonność i koszty sadzenia wierzby na powierzchni 1 ha w zależności od przyjętej technologii Table 2. Work consumption and costs of planting of the willow in the area of 1 ha, depending on the chosen technology Sadzenie ręczne Znacznik punktowy Sadzarka Patryk (4. rzędowa) Energy Planter (4. rzędowy) Pracochłonność, rbh Liczba zaangażowanych osób Koszt w PLN (łącznie * z amortyzacją) Źródło: obliczenia własne * nie uwzględnia kosztów przygotowania sadzonek Dotychczas Firma Weremczuk produkowała sadzarkę do wierzby na bazie własnej konstrukcji sadzarki do rozsad PATRYK-2 (rys. 1). Urządzenie 2 lub 4.rzędowe pozwalało na około 4.krotne zmniejszenie nakładów siły roboczej. Niestety firma wycofała maszynę z programu produkcji. W chwili obecnej możliwe jest wynajęcie maszyny za kwotę około 500 zł za dzień. Użytkownicy sadzarek RSMB-4 podejmowali próby adaptacji tych urządzeń do sadzenia wierzby. Jednak efekty tych prób okazały się niezadowalające. 147

4 Piotr Pasyniuk Rys. 1. Sadzarka PATRYK, producent Firma Weremczuk (fot. Firma WEREMCZUK, Niedrzwica Duża) Fig. 1. PATRYK planter, manufacturer: Weremczuk Company Firma EDEGAL Maskinfabrik A/S z Danii produkuje sadzarkę pod nazwa Energy Planter, sadzącą wierzbę z całych prętów o długości 2-3 m, kształtując zrzezy w trakcie sadzenia. Sadzarka ta ma następujące parametry: liczba jednocześnie sadzonych rzędów - 2 lub 4, odległość między rzędami - dla sadzarki dwurzędowej 75 cm dla sadzarki 4-rzędowej 75 cm 150 cm 75 cm; odległość między rzędami nie jest regulowana, niemniej zamawiając sadzarkę można określić odległość między rzędami, system sadzenia materiałem wyjściowym są długie pędy wierzby, które podczas sadzenia są cięte na odcinki o długości ok. 20 cm i sadzone w pozycji pionowej za pomocą napędzanego hydraulicznie urządzenia sadzącego; jeden operator obsługuje dwie sekcje sadzące, odległość między sadzonkami w rzędzie może być regulowana w zakresie cm; średnica sadzonych pędów wierzby w miejscu cięcia 0,4 do 3 cm, mocowanie sadzarki 3.punktowy układ zawieszenia narzędzi na ciągniku; w przypadku sadzarki 4.rzędowej ze względu na jej rozmiary, dla transportu zastosowano podporowe koła jezdne oraz zaczepy transportowe, 148

5 Problemy mechanizacji uprawy... napęd maszyny pobierany jest za pośrednictwem wałka przegubowoteleskopowego od WOM ciągnika, układ hydrauliki zewnętrznej ciągnika; minimalna wydajność pompy hydraulicznej ciągnika wynosi 30 l/min, masa maszyny wynosi 1600 kg (sadzarka dwurzędowa) lub 2800 kg (sadzarka czterorzędowa); źródłem napędu jest ciągnik z napędem na cztery koła o mocy w zakresie km i udźwigu podnośnika przewyższającego masę maszyny, wydajność pracy: dla urządzenia dwurzędowego to ok. 0,8-1 ha/godz. i ok. 2 ha/godz. dla sadzarki czterorzędowej, cena sadzarki dwurzędowej wynosi PLN + 22% VAT, sadzarki czterorzędowej PLN + 22% VAT. Jedna z polskich firm opracowała proste urządzenie wspomagające ręczne sadzenie - znacznik punktowy. Urządzenie wyznacz miejsca, gdzie zasadzony powinien zostać zrzez. Przyspiesza to pracę ręczną i pozwala na uzyskanie lepszego rozkładu sadzonek. Jeden pracownik, korzystając ze śladów pozostawionych przez urządzenie, jest w stanie zasadzić dziennie 6-8 tys. sadzonek. Dotychczasowe próby zmechanizowania procesu sadzenia charakteryzowały się wysokimi kosztami urządzeń przy stosunkowo niewielkim wzroście tempa procesu. Znaczący postęp w tym zakresie wprowadza Maskinfabrik urządzeniem Energy Planter, ale cena sięgająca pół miliona PLN staje się barierą w jej upowszechnieniu. Odchwaszczanie, ochrona fitosanitarna i nawożenie Przed nasadzeniami należy dokładnie odchwaścić glebę (np. stosując herbicyd totalny na bazie glyfosatu) i uzupełnić jej zasobność (np. aplikując osady ściekowe w formie kompostu lub osadów odwodnionych w dawkach określonych na podstawie przeprowadzonej wcześniej analizy). Stosuje się do tego powszechnie stosowane w rolnictwie urządzenia: opryskiwacze do rozlewania herbicydów, wozy asenizacyjne, rozsiewacze nawozów mineralnych. W pierwszym roku po zasadzeniu, nawet, jeśli gleba była przedtem starannie odchwaszczona, pole zaczyna zarastać chwastami. Ze względu na niebezpieczeństwo uszkodzenia sadzonek należy ograniczać odchwaszczanie chemiczne. Pomiędzy rzędami roślin możliwe jest odchwaszczanie mechaniczne maszynami powszechnie stosowanymi w ogrodnictwie i rolnictwie. Prace takie należy uzupełnić pieleniem ręcznym. Jedynym z dostępnych urządzeń jest pielnik palcowy. Maszyna jest przeznaczona do spulchniania gleby i odchwaszczania międzyrzędzi w uprawie takich roślin jak: ziemniaki, pomidory, kukurydza, buraki, fasola, truskawki, słonecznik, tytoń, ale także sałata czy kapusta. Nadaje się także do pielęgnacji wierzby energetycznej. 149

6 Piotr Pasyniuk Pielnik stosuje się do wczesnego odchwaszczania upraw - około 10 dni po zasadzeniu roślin - spełniając stawiane przed nim różnorodne wymogi (pod względem agresywności pracy), wynikające ze zróżnicowanego stopnia twardości gleb. Jest to możliwe dzięki stosowaniu różnej trójstopniowej - twardości palców pielących. Cena urządzenia wynosi ok zł. Urządzenie jednak nie spełnia wszystkich wymogów co do jakości pracy zgodnie z oczekiwaniami. Obecnie pracownicy Instytutu Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa przygotowują nowe rozwiązanie konstrukcyjne oparte na tej samej idei. Kolejnym problemem jest chemiczna ochrona roślin przeciwko szkodnikom i chorobom. Wystąpienia szkodników gryzących lub ssących np. zwójki, krytoryjka olchowca, rynnicy topolówki, torzyśniadu kasztanówka, trociniarki czerwicy, dłużynki leszczynówki, jątrewki wiklinówki, mszycy wierzbowej itp, jak i chorób grzybowych takich jak rak drzew, antraknoza wierzby, rdza wierzby, mączniak prawdziwy wierzby, są szczególnie groźne na plantacjach wielkoobszarowych (efekt monokultury). Nanoszenie środków chemicznych (insektycydy kontaktowo-żołądkowe, kontaktowo-oddechowe, akarycydy systemiczne, fungicydy) odbywa się przy zastosowaniu powszechnie dostępnych opryskiwaczy sadowniczych lub rolniczych z wysoko unoszona belką. Jednak należy przewidywać konieczność adaptacji któregoś z modeli specjalnie do pracy na plantacji wierzby. Zbiór Mechanizacja zbioru wierzby jest kolejnym wyzwaniem dla konstruktorów maszyn. W chwili obecnej stosowane technologie to: a) ręczne ścinanie gałęzi z użyciem przenośnych podcinaczy, b) maszynowe ścinanie gałęzi z odkładaniem na pokosie, c) maszynowe ścinanie gałęzi z ładowaniem na przyczepę, d) maszynowe ścinanie gałęzi z ich jednoczesnym rozdrabnianiem (zrębkowaniem). Najbardziej pracochłonny jest oczywiście zbiór ręczny. Nakłady robocizny na zbiór z jednoczesnym rozdrabnianiem na miejscu w rębaku przewoźnym może sięgać 200 roboczogodzin na każdy ha. Zdecydowanie korzystniejszy jest zbiór w pełni zmechanizowany, ale dostępne do tego maszyny są bardzo drogie. Najwydajniejszą obecnie maszyną jest kombajn CLAAS JAGUAR 830 z przystawką do zbioru i rozdrabniania wierzby (rys. 2). Rzeczywista wydajność maszyny na plantacji 3.letniej to 0,3 0,5 ha/godz. Wykorzystanie uzasadnione ekonomiczne to minimum 200 ha w roku. Jednak cena kombajnu jest bardzo wysoka. Nowy kombajn kosztuje 1290 tys. zł netto. Do tego należy dokupić zbrojone opony w cenie 25 tys. zł netto. Ponadto kombajn zrębkujący wymaga nasadzeń w odpowiedniej rozstawie rzędów, to znaczy 0,75 m 1,5 m 0,75 m, która w Polsce praktycznie nie jest stosowany. 150

7 Problemy mechanizacji uprawy... Rys. 2. Kombajn CLASS JAGUAR 830 z przystawka do zbioru wierzby (fot. Przedsiębiorstwo JAMIR, Łańsk) Fig. 2. CLASS JAGUAR 830 combine harvester with a willow picking add-on Wobec braku na rynku takich maszyn, plantatorzy konstruują maszyny domowym sposobem. Jednak ich jakość, wydajność i bezpieczeństwo użytkowania są nie do zaakceptowania. Jedna z polskich firm skonstruowała podcinarkę do wierzby z jednoczesnym zbiorem pokosu i wiązaniem w pęczki (rys. 3). Jednorzędowa maszyna zasilana jest bezpośrednio z WOM ciągnika. Podcinarka jest wyposażona w odpowiednio wzmocnioną piłę tarczową o średnicy 60 cm, wirująca z prędkością 6000 obr./min. Prędkość obrotowa piły uzyskiwana jest przez zastosowanie przekładni. Minimalna moc ciągnika wynosi 80 KM. Faszyna tuż przed ścięciem jest odpowiednio doginana i po ścięciu transportowana poprzez system pasów na poziomy, poprzeczny taśmociąg listwowy przenoszący ją do kosza zasypowego. Kosz zasypowy ma objętość ok. 5 m 3 i jest wyposażony w hydrauliczny siłownik pozwalający na wyładunek faszyny wprost na przyczepę. Wydajność maszyny wynosi ok. 0,5 ha/godz., przewidywana cena sprzedaży 30 tys. zł netto. Urządzenie przeznaczone jest dla właścicieli plantacji co najmniej 15.hektarowych. Maszyna znajduje się na etapie prób eksploatacyjnych i niebawem trafi na rynek. 151

8 Piotr Pasyniuk Rys. 3. Podcinacz jednorzędowy z urządzeniem wiążącym (prototyp)(fot. Przedsiębiorstwo JAMIR, Łańsk) Fig. 3. Single trimmer with a tying device (prototype) W tabeli 3 przedstawiono porównanie kosztów zbioru przy różnych jego technologiach. Tabela 3. Pracochłonność i koszty zbioru wierzby z 1 ha ze zrębkowaniem Table 3. Labour consumption and costs of the willow harvesting per 1 ha Technologia Wydajność (ha/h) Liczba pracowników Pracochłonność [rbh] Koszt PLN na ha * Kombajn CLASS 0, Podcinacz i rębak przewoźny Zbiór ręczny i rębak przewoźny 0,3 (cięcie) 0,1 (rębak) 0,05 (cięcie) 0,1 (rębak) Źródło: obliczenia własne * plon 30 t/ha, wilgotność 50%, łącznie z kosztem amortyzacji i transportu na polu 152

9 Problemy mechanizacji uprawy... Podsumowanie Przewidywany wzrost areału wierzby uprawianej na cele energetyczne wskazuje na konieczność zmechanizowania prac na wszystkich etapach prac, od przygotowania stanowiska, poprzez sadzenie i zabiegi ochronne, aż po zbiór i przetworzenie do formy akceptowalnej przez odbiorcę, czyli producenta energii cieplnej i elektrycznej. Przemawiają za tym również rosnące koszty pracy żywej i malejąca jej podaż. Na etapie zakładania plantacji niezbędne są urządzenia pozwalające na chociażby częściową mechanizację prac. Dostępny na polskim rynku Energy Planter jest urządzeniem zbyt drogim. Wzrost powierzchni pojedynczych plantacji do areału 100 i więcej ha spowoduje niebezpieczeństwo szybkiego rozpowszechniania się chorób i szkodników. Niezbędne zatem jest skonstruowanie nowych lub adaptacja istniejących opryskiwaczy ciągnikowych, które pozwolą na efektywne nanoszenie środków ochronnych. Charakterystyka plantacji (miąższość rzędu, szerokość międzyrzędzi, wysokość roślin) powoduje, że opryskiwacze sadownicze nie zapewnią właściwej aplikacji cieczy roboczej. Kombajnowy zbiór masy drzewnej z jednoczesnym jej rozdrobnieniem do postaci zrębków jest najszybszym sposobem zbioru, ale jest obarczony szeregiem wad. Najważniejsze z nich to: bardzo wysokie koszty początkowe i wynikające z ceny zakupu wysokie koszty odpisów amortyzacyjnych, konieczność zakładania i prowadzenia plantacji zgodnie z wymogami zbioru kombajnowego, konieczność zakładania dużych, zblokowanych plantacji, co wyeliminuje koszty transportu kombajnu na duże odległości, zrębkowanie wilgotnej masy wyklucza możliwość jej przechowywania, stąd tak pozyskana biomasa musi niezwłocznie być spalona, lub poddana suszeniu, co znacznie podnosi cenę za jednostkę uzyskanej energii. Dotychczasowe doświadczenia jak i specyfika polskiego rolnictwa powodują, że powstają i będą powstawać rozproszone plantacje o powierzchni od kilku do 20 ha. Oznacza to konieczność wdrożenia maszyn, które będą dostępne dla właścicieli małych plantacji, pozwolą na terminowe i jakościowo właściwe wykonywanie wszystkich zabiegów agrotechnicznych, dość niski stopień ich wykorzystania nie wpłynie znacząco na koszty produkcji biopaliwa stałego. Bibliografia Dubas. J. W., Grzybek A., Kotowski W., Tomczyk A Wierzba energetyczna-uprawa i technologie przetwarzania. Wyższa Szkoła Ekonomii i Administracji w Bytomiu 153

10 Piotr Pasyniuk Dubas J. W., Tomczyk A Zakładanie, pielęgnacja i ochrona plantacji wierzb energetycznych. Wydawnictwo SGGW, Warszawa Harasimowicz-Hermann G Uprawa wierzby krzewiastej-nowe wyzwania. Czysta Energia, 4(42) Grzybek A Prognoza zapotrzebowania biomasy na cele energetyczne. Konferencja nt. Stan polskiej energetyki odnawialnej-biomasa. Płońsk Krajewska K Odnawialne Źródła Energii - alternatywa dla paliw kopalnych? Konferencja nt. Bezpieczeństwo energetyczne kraju - czy sobie poradzimy?, Warszawa Stolarski M Produktywność i pozyskiwanie biomasy wierzby energetycznej. Czysta Energia, 10(36) Polityka Energetyczna Polski do 2025 r Minister Gospodarki i Pracy, Zespół ds. Polityki Energetycznej, Warszawa Strategia rozwoju energetyki odnawialnej Ministerstwo Środowiska, Warszawa Recenzent: Bogdan Kościk 154