Logistyka produkcji i dystrybucji roślin słomiastych

Transkrypt

1 PROSZAK- MIĄSIK Danuta 1 NOWAK Krzysztof 2 RABCZAK Sławomir 3 Logistyka produkcji i dystrybucji roślin słomiastych WSTĘP Obecnie sporo uwagi zwraca się na wykorzystanie biomasy jako źródła energii. Zastąpienie części paliw kopalnych biomasą ma na celu zmniejszenie zużycia paliw konwencjonalnych jak i zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych. W niniejszej publikacji skupiono się na systemie logistycznym dystrybucji i magazynowania biomasy którą jest słoma. Dobrze zaplanowany strategicznie łańcuch przetwarzania i dystrybucji biomasy ze słomy przyczyni się do redukcji gazów cieplarnianych i zgodnie dyrektywą 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 do zwiększenia udziału wykorzystania biopaliw. Zgodnie z dyrektywą 2009/28/WE pod pojęciem biomasa rozumiemy ulegającą biodegradacji część produktów, odpadów lub pozostałości pochodzenia biologicznego z rolnictwa, leśnictwa i związanych działów przemysłu, w tym rybołówstwa i akwakultury, a także ulegającą biodegradacji część odpadów przemysłowych i miejskich. Biomasa może być pochodzenia leśnego: np. zrębki, odpady drzewne, jak i pochodzenia rolniczego jak np. słoma i inne pozostałości roślinne stanowiące materiał odpadowy przy produkcji rolniczej, odchody zwierząt lub odpady organiczne powstające w przemyśle rolno- spożywczym [1]. Biomasa jest specyficznym towarem i wymaga odpowiedniego zbioru, przechowywania jak i transportu. Słoma jest odpadem rolniczym, dostępnym niemal w każdym regionie Polski. Zasoby zbędnej słomy w naszym kraju wynoszą około 11,5 mln ton rocznie. Do celów energetycznych może być użyta praktycznie słoma wszystkich rodzajów zbóż. Słoma jako nośnik energii zmniejsza koszty produkcji ciepła, poprawia opłacalność produkcji rolniczej i wpływa korzystnie na środowisko. Aby słoma była jednak wartościowym paliwem należy ja odpowiednio przechowywać i transportować. I tu można natrafić na pewne bariery. Pierwszym ograniczeniem w wykorzystaniu słomy w energetyce jest jej rozproszenie. Małe gospodarstwa rolne nie dysponują prasami wysokiego zgniotu ze względu na wysoką cenę, a firmy pośredniczące pomiędzy rolnictwem a energetyką nie są zainteresowane kontraktowaniem słomy z małych areałów. Inną barierą jest zróżnicowanie słomy jako surowca. Jej skład zależy od gatunku rośliny, odmiany, nawożenia, gleby oraz pogody. Niejednorodność słomy powoduje specjalne wymagania w stosunku do regulacji powietrza w kotłach do jej spalania. Ponadto słoma jest materiałem objętościowym, co rzutuje na koszty transportu i przechowywania. Aby je zmniejszyć, zaleca się przekształcenie słomy do postaci brykietów lub pelletu. 1. SŁOMA JAKO PALIWO ENERGETYCZNE Po pojęciem słomy rozumiemy dojrzałe i wysuszone źdźbła roślin zbożowych a także wysuszone rośliny strączkowe na przykład rzepaku. W energetyce znajduje zastosowanie słoma wszystkich rodzajów zbóż oraz rzepaku i gryki, przy czym najcenniejsza dla energetyki jest słoma rzepakowa, żytnia, bobikowa i słonecznikowa. Jeszcze w latach osiemdziesiątych słomę stosowano głównie jako materiał ściółkowy, składnik paszy lub element ocieplający budynki inwentarskie. Obecnie jednak jest to nie opłacalne dlatego wielu rolników uciekało się do palenia nadwyżki słomy, jednak jest to zabronione ze względu na szkody jakie wyrządza się środowisku naturalnemu. Wykorzystanie słomy jako paliwa stanowi nową alternatywę korzystną dla środowiska i rolników. 1 Politechnika Rzeszowska, Wydział Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury, Zakład Ciepłownictwa i Klimatyzacji, Rzeszów, ul. Powstańców Warszawy 12, Tel: , dproszak@prz.edu.pl 2 Politechnika Rzeszowska, Wydział Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury, Zakład Ciepłownictwa i Klimatyzacji, Rzeszów, ul. Powstańców Warszawy 12, Tel: , krzynow@prz.edu.pl 3 Politechnika Rzeszowska, Wydział Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury, Zakład Ciepłownictwa i Klimatyzacji, Rzeszów, ul. Powstańców Warszawy 12, Tel: , 4004

2 Najważniejszymi parametrami charakteryzującymi słomę jako paliwo jest jej: wartość opałowa, wilgotność, stopień zwiędnięcia. Wartość opałowa określa ilość ciepła jaka zostanie uzyskana podczas spalania jednostki masy paliwa stałego w atmosferze tlenu pomniejszoną o ciepło parowania [3]. Na wartość tą w przypadku słomy będzie miała największy wpływ wilgotność. Zwiększona wilgotność wpływa na zmniejszenie uzyskiwanej energii oraz na wzrost emisji zanieczyszczeń w spalinach. Ponadto wartość opałowa uzależniona jest od rodzaju rośliny i warunków atmosferycznych, w jakich odbywał się zbiór. Świeża tak zwana żółta słoma zawiera w swoim składzie wiele metali alkalicznych i związków chloru, które wpływają na zwiększenie procesów korozji oraz powstawanie żużla. Skład chemiczny słomy podano w tabeli 1. Tab. 1. Skład chemiczny słomy podstawowych roślin uprawnych [ opracowano na podstawie 2] Rodzaj słomy Zawartość składnika (% suchej masy ) Wartość C H O N S Cl popiół Części opałowa Żytnia 46,6 6,0 41,9 0,6 0,085 0,40 4,8 76,4 17,5 MJ/kg Pszenna 45,6 5,8 42,1 0,5 0,082 0,19 5,7 77,0 17,2 Jęczmienna 47,5 5,9 45,6 0,5 0,089 0,40 4,8 77,3 17,5 Kukurydziana 45,7 5,3 41,1 0,7 0,117 0,35 6,7 76,8 17,7 Rzepakowa 47,1 5,9 39,3 0,8 0,270 0,47 6,2 75,8 17,1 Aby pozbyć się tych szkodliwych składników pozostawia się słomę do momentu aż zmieni kolor na szary. Jest to tak zwany proces więdnięcia, który polega na wypukaniu szkodliwych związków przez opady atmosferyczne. Stopień zwiędnięcia świadczy o tym jak długo słoma pozostawała na polu i była poddawana działaniu zmiennych warunków atmosferycznych, do momentu wykoszenia. Porównanie wartości opałowej w stanie świeżym i wstanie suchym w tabeli 2. Tab.2. Wartość opałowa słomy [ na podstawie 2] Rodzaj słomy Wilgotność świeżej słomy [%] Wartość opałowa słomy żółtej [MJ/kg] Wartość opałowa słomy szarej [MJ/kg] Słoma pszenna ,9-14,2 17,3 Słoma rzepakowa ,5 15 Słoma kukurydziana ,3-7,2 16,8 Słoma jęczmienna , LOGISTYKA PRODUKCJI I DYSTYBUCJI SŁOMY Logistyka w procesie produkcji i dystrybucji energii z biomasy ze słomy powinna być rozumiana jako system, który obejmuje wszystkie procesy służące pokonywaniu przestrzeni i czasu. Logistyka jest planowaniem zapotrzebowania, wydajności w czasie i przestrzeni oraz sterowaniem i wykorzystaniem zaplanowanego strumienia masy i energii przy uwzględnieniu optimum kosztowego. Łańcuch logistyczny pozyskiwania i dystrybucji biomasy ze słomy obejmuje następujące etapy: pozyskanie surowca, przygotowanie i przetwarzania surowca do postaci użytkowej (handlowej): przygotowanie bel, produkcja brykietu, pelletu magazynowanie, transport (bliski i daleki), w tym prace za- i rozładunkowe. 4005

3 Rys. 1. Schemat łańcucha logistycznego produkcji i dystrybucji słomy. Przy rosnącym wykorzystaniu biomasy przez zakłady energetyczne optymalizacja logistyki dostaw wymagać będzie właściwego zaplanowania, organizacji oraz zarządzania bazą surowcową i flotą samochodów dostawczych. Opracowanie i przydatność strategii logistycznej biomasy będzie można określić za pomocą wskaźnika redukcji gazów cieplarnianych. Na rysunku 1 przedstawiono elementy łańcucha logistycznego produkcji i dystrybucji słomy Zbiór słomy Plon słomy w dużej mierze uzależniony jest od wysokości koszenia, która wynosi około cm dla zbóż ozimych, cm dla zbóż jarych i cm dla rzepaku. Podniesienie wysokości koszenia o 5 cm powoduje obniżenie plonu słomy zbóż o około 10% (tab. 3) Dodatkowo zbiór słomy kombajnem ze wzdłużnym zespołem młócącym jest przyczyną niższych plonów słomy.[2] Tab. 3. Plon (t*/ha) ziarna i słomy poszczególnych gatunków zbóż w zależności od wysokości koszenia [2] Gatunek Plon ziarna Plon słomy wysokość koszenia 15 cm wysokość koszenia 20 cm Zboża ozime: pszenica 6,4 6,3 5,7 pszenżyto 7,2 7,1 6,5 żyto 6,1 7,3 6,7 jęczmień 6,2 4,7 4,1 Zboża jare: pszenica 3,5 3,4 3,0 jęczmień 4,0 3,2 2,8 owies 4,0 4,6 4,1 W gospodarstwach rolnych spotyka się trzy rodzaje pras do zbioru słomy : prasy formujące małe bele prostopadłościenne o stopniu zagęszczenia do 130 kg/m 3, prasy zwijające, formujące wielkowymiarowe bele cylindryczne o stopniu zagęszczenia do 150kg/m 3, prasy formujące wielkogabarytowe bele prostopadłościenne o masie kg i stopniu zagęszczenia do 180 kg/m 3. Bele wielkogabarytowe są najbardziej optymalną formą prasowania. Średnica beli wynosi najczęściej około 120 cm. Bele ładowane są ładowaczami czołowymi lub za pomocą ciągniętej przyczepy samozbierającej. Przyczepa taka automatycznie ładuje a w miejscu składowania rozładowuje zebrany surowiec układając w stertę. Słoma w takiej postaci może być stosowana do kotłów wsadowych o mocy od 300 do 500kW a także sporadycznie do kotłów automatycznych na słomę rozdrobnioną jako uzupełnienie. Prasa zwijająca w tej technologii współpracuje z ciągnikiem o mocy 50kW. Do zalet paliwa w formie okrągłych bel należą niskie nakłady na zbiór słomy, łatwy załadunek do pieca przy pomocy ciągnika wyposażonego w podnośnik widłowy oraz wysoki stopień 4006

4 mechanizacji zbioru. Większość gospodarstw dysponuje podstawowym sprzętem do załadunku, transportu i układania stert z bel cylindrycznych. W mniejszych gospodarstwach do transportu mogą być wykorzystywane tanie i praktyczne nośniki i ciągniki Magazynowanie i przechowywanie słomy w belach Słomę składuję się natychmiast po sprasowaniu na polach. Należy pamiętać o zabezpieczeniu bel przed zamakaniem i wchłonięciem wilgoci. Dlatego należy je z pola zebrać w ten sam dzień co została sprasowana. I ułożyć na suchym podłożu. Mniejsze bele zbiera się ręcznie lub za pomocą wyrzutnika przy prasie do bel na przyczepę. Duże bele okrągłe i prostokątne stertowane są do wysokości czterech bel za pomocą ładowaczy czołowych lub przyczep samozbierających. Całość przykrywa się plandekami lub stawia specjalne wiaty. Obecnie często bele owija się siatkami lub foliami. Folie dodatkowo posiadają filtry UV które chronią słomę przed wilgocią a tym samym przed grzybami i pleśnią. Innym rozwiązaniem są stogi. Stogi mogą być pozostawione na gruncie i przykryte plandekami przez wiele miesięcy. Takie rozwiązanie nadaje się tylko do niektórych odmian roślin np. dla miskantu olbrzymiego Produkcja i przechowywanie granulowanej słomy Ponieważ słoma sprasowana zajmuje dużą powierzchnię, i jest narażona na niekorzystne warunki atmosferyczne, alternatywą dla gospodarstw jest wytwarzanie brykietu i pelletu ze słomy. W przypadku tego paliwa punkty składowania muszą zapewnić systematyczny przepływ tego surowca od producenta, poprzez punkty składowania, punkty wstępnej obróbki do zakładu energetycznego. Duże zakłady energetyczne oprócz ciągłości dostaw muszą kłaść nacisk na przestrzeganie wymogów przeciwpożarowych, ponieważ składowana biomasa w formie brykietów czy pelletów jest na to niebezpieczeństwo na przykład samozapłonu. Brykiet łatwo przechowywać i transportować. Ciężar nasypowy brykietu to około 700 kg/m 3, a słomy w belach kg/m 3. Brykiet posiada wysoką wartość kaloryczną porównywalna nawet z węglem. Podczas spalania występuje niska emisja dwutlenku siarki i innych substancji szkodliwych, a powstały popiół można wykorzystywać jako nawóz, ponieważ zawiera związki potasu, wapnia i fosforu. W przypadku pelletu i brykietu można stosować automatyczne podajniki które usprawnią pracę kotła. Magazyn przeznaczony do przechowywania pelletu i brykietu musi być suchy. Pellet przechowywany jest w workach po 15 kg. Rys. 2. Porównanie istotnych parametrów słomy i brykietu ze słomy [na podstawie 4] 4007

5 2.4. Transport słomy i pelletu Dojazd do złożonego biopaliwa powinien być możliwy w ciągu całego roku. Zabezpieczanie boków sterty przed opadami przeciwdziała zawilgoceniu słomy. Wielkość pojedynczej sterty powinna być ograniczona do maksymalnie ton a odległości pomiędzy stertami nie mogą być mniejsze niż 30m. Minimalna odległość z magazynowanej słomy od innych obiektów wynosi: od dróg publicznych i torów kolejowych - 30m, od urządzeń i linii elektrycznych wysokiego napięcia - 30m, od lasów i terenów zadrzewionych - 100m, od budynków z materiałów palnych - 30m, od budynków z materiałów niepalnych i pokryciu trudno zapalnym - 20m, od innych stref stanowiących odrębną strefę pożarową - 30m. Transport sprasowanej słomy odbywa się najczęściej bezpośrednio z pola za pomocą samochodów ciężarowych z naczepą lub za pomocą tradycyjnych przyczep. Samochody tego typu mogą jednorazowo przewiesić 12 ton słomy. Przy niewielkich podległościach do 25 km rolnicy za pomocą ciągników mogą przewozić słomę. Transport kolejowy przy niewielkich odległościach jest nie opłacalny. Przy organizacji transportu ważne jest aby uwzględnić takie warunki, jak: stan dróg dojazdowych, odległość do miejsca składowania, przejazdy przez określone miejscowości. Transport pelletu jest nie jest skomplikowany, paliwo pakowane jest w worki po około 15 kg a następnie na europalety po 66 sztuk (ok. 1 tona). Należy tylko pamiętać aby surowiec nie był narażony na wpływ wilgoci. WNIOSKI Dyrektywa 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych określa kryteria zrównoważonego rozwoju w odniesieniu do biopaliw. Zgodnie z tymi kryteriami ograniczenie emisji gazów cieplarnianych dzięki wykorzystaniu biopaliw powinno wynosić co najmniej 35%, od dnia 1 stycznia 2017 r. redukcje emisji tych gazów dla paliw ciekłych wynosić powinny co najmniej 50%, a od 1 stycznia roku %.[5] Kalkulacje emisji gazów cieplarnianych muszą obejmować cały łańcuch od produkcji surowca aż po produkt końcowy. Dlatego tak ważnym elementem jest poznanie poszczególnych etapów łańcucha i wybranie optymalnego rozwiązania. Słoma jest bardzo dobrym materiałem na wytwarzanie biopaliw nie wymaga kosztownej obróbki, jest odpadem rolnym i może stanowić alternatywę dla paliw kopalnych. 1 tona brykietu ze słomy może zastąpić prawie tonę niskokalorycznego węgla. Streszczenie Słoma jest odpadem rolniczym, dostępnym niemal w każdym regionie Polski. Zasoby zbędnej słomy w naszym kraju wynoszą około 11,5 mln ton rocznie. Do celów energetycznych może być użyta praktycznie słoma wszystkich rodzajów zbóż. Słoma jako nośnik energii zmniejsza koszty produkcji ciepła, poprawia opłacalność produkcji rolniczej i wpływa korzystnie na środowisko. Aby słoma była jednak wartościowym paliwem należy ja odpowiednio przechowywać i transportować. W niniejszej publikacji skupiono się na systemie logistycznym dystrybucji i magazynowania biomasy którą jest słoma. Dobrze zaplanowany strategicznie łańcuch przetwarzania i dystrybucji biomasy ze słomy przyczyni się do redukcji gazów cieplarnianych i zgodnie dyrektywą 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 do zwiększenia udziału wykorzystania biopaliw. Słowa kluczowe: słoma, biopaliwa, transport, magazynowanie Logistics of production and distribution of straw Abstract Currently, a lot of attention is paid to the use of biomass as an energy source. The replacement of fossil fuels 4008

6 with biomass is intended to reduce the consumption of fossil fuels and reducing emissions of carbon dioxide. According to Directive 2009/28 / EC under term "biomass" one mean the biodegradable fraction of products, waste and residues from biological origin from agriculture, forestry and related industries, as well as the biodegradable fraction of industrial and municipal waste. Biomass can be derived from the forest: eg. wood chips, wood waste and agricultural origin as straw and other plant residues forming material in the production of agricultural waste, manure or organic waste generated in the agri-food industry [1]. Both types of biomass are quite specific product and require corresponding storage and transport. This publication focuses on the logistics distribution system and storage. Straw is an agricultural waste, which is available in almost every region of Polish. Straw unnecessary resources in our country is about 11.5 million tons per year. For the purpose of energy may be used practically all types of cereal straw. Straw as an energy reduces heat production costs, improve profitability of agricultural production and has a positive effect on the environment. The straw is a valuable fuel, but it should be properly stored and transported. Keywords: biomass, straw, energy source, distibution, storage BIBLIOGRAFIA 1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych 2. Grzybek A., Gradziuk P., Kowalczyk K., Słoma energetyczne paliwo, Wydawnictwo Wieś Jutra 2001, 3. PN- 82/G-04513, Paliwa stałe - Oznaczanie ciepła spalania i obliczanie wartości opałowej 4. Nowak B., Brykietowanie sposób na efektywne paliwo ze słomy, Czysta Energia nr 49/ Regulska M., Powiązanie rolnictwa i energetyki w kontekście realizacji celów gospodarki niskoemisyjnej w Polsce, Polish Journal of Agronomy,