Charakterystyka wybranych substratów w aspekcie łańcucha logistyki pozyskiwania biomasy

Transkrypt

1 Monika Pecyna 1, Monika Stoma 2, Tomasz Słowik 3 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Charakterystyka wybranych substratów w aspekcie łańcucha logistyki pozyskiwania biomasy Wstęp Pierwszym i najważniejszym etapem w łańcuchu logistyki pozyskiwania biomasy jest zbiór słomy. Stanowi ona produkt uboczny w produkcji roślinnej i pochodzi z różnego rodzaju zbóż oraz wysuszonych łodyg rzepaku, roślin strączkowych, lnu. W gospodarstwach rolnych słoma jest przeznaczona na cele paszowe, ściółkowe oraz nawozowe, jednak nowe technologie pozwoliły na wykorzystywanie jej w celach energetycznych. Pszenica jest jednym z najczęściej uprawianych gatunków roślin na całym świecie, a jej roczna produkcja została oszacowana na około 696 milionów ton w roku 2014 [11]. Słoma pszeniczna posiada zatem duży potencjał energetyczny i stanowi alternatywę dla biomasy drzewnej w krajach o małych zasobach leśnych. Istotnym zagadnieniem jest logistyka pozyskiwania i transportu biomasy w postaci balotów ze słomy zbóż. Logistyka wykorzystania słomy do produkcji energii jest dość skomplikowana: słoma jest powszechnie przechowywana w postaci dużych bel, które mają niską zawartość energii. Bele wymagają przechowywania na dużych przestrzeniach i dużej ilości energii do przeładunku oraz transportu. Słoma jest zazwyczaj sprasowana w bele bezpośrednio po zbiorach. Do ich przewozu potrzebne są różnego rodzaju maszyny i platformy transportowe. Kompleksowa i nie sprawiająca dużych trudności logistyka i transport balotów z pola jest w dzisiejszych czasach głównym powodem dużego zainteresowania i chęci rozwoju tego procesu na coraz większą skalę [10]. Słoma jako surowiec energetyczny Słoma może być wykorzystywana jako ściółka, pasza dla zwierząt, czy nawóz. Nadwyżki słomy mogą być także zagospodarowane jako podłoże do produkcji pieczarek i innych grzybów oraz zużyte na cele energetyczne. Rolnictwo w Polsce produkuje rocznie blisko 25 mln ton słomy, z których mln ton może być przeznaczone na cele energetyczne [8], natomiast 8-12 mln ton słomy jest wykorzystana energetycznie [1, 12]. Wśród województw posiadających największe nadwyżki słomy zaliczyć można województwo lubelskie i wielkopolskie, natomiast najmniejsze są w województwie podlaskim i małopolskim [3]. Słoma przeznaczona na cele energetyczne musi zawierać odpowiednie parametry technologiczne. Istotne jest, by posiadała wysoką wartość opałową i ciepło spalania. Wysokość tych parametrów zależy od wilgotności słomy, jej gatunku oraz sposobu przechowywania. Zależności pomiędzy wilgotnością a wartością opałową przedstawiono w tabeli 1. 1 mgr inż. M. Pecyna, doktorantka, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Energetyki i Środków Transportu 2 dr hab. M. Stoma, adiunkt, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Energetyki i Środków Transportu 3 dr inż. T. Słowik, adiunkt, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Energetyki i Środków Transportu Logistyka 5/

2 Tabela 1. Wartość opałowa wybranych rodzajów słomy w zależności od wilgotności Rodzaj słomy Wilgotność słomy (%) Wartość opałowa w stanie świeżym (MJ. kg -1 ) Wartość opałowa w stanie suchym (MJ. kg -1 ) Słoma pszenna ,9-14,1 17,3 Słoma jęczmienna ,0-13,9 16,1 Słoma rzepakowa ,3-12,5 15,0 Słoma kukurydziana ,3-8,2 16,8 źródło: Zuchniarz 2009 Najniższą wilgotność i najwyższą wartość opałową posiada słoma pszenna (w stanie świeżym i po wyschnięciu). Zaś najwyższą wilgotność a najniższą wartość opałową w stanie świeżym i po wyschnięciu posiada słoma kukurydziana. Zatem najlepszym surowcem jest słoma pszenna, gdyż jej wilgotność wynosi ok %, a wartość opałowa zarówno w stanie świeżym (12,9-14,1 MJ. kg -1 ) jak i stanie suchym (17,3 MJ. kg -1 ) jest najwyższa. Słoma wykorzystywana w celach energetycznych musi spełniać odpowiednie wymagania, które związane są przede wszystkim z zawartością wilgotności i stopnia zwiędnięcia. Proces więdnięcia zmienia kolor słomy z żółtego na szary. Dlatego też, w celu określenia jakości słomy dla oceny zwiędnięcia jest stosowane określenie słoma żółta i słoma szara [2] (tabela 2). Rodzaj słomy Wilgotność (%) Tabela 2. Właściwości słomy żółtej i szarej Wartość opałowa (MJ. kg -1 ) Gęstość (kg. m -3 ) Zawartość popiołu (% s.m.) Słoma żółta , ,0 Słoma szara , ,0 źródło: Dreszer i In., 2003 Słoma szara jest najefektywniejsza, gdyż ma wyższą wartość opałową od słomy żółtej i niższą zawartość popiołu. Karcz i in. potwierdzają, iż na cele energetyczne bardziej przydatna jest tzw. słoma szara czyli pozostawiona po skoszeniu na polu, przez kilka dni, aby deszcz i rosa wyługowały z niej związki chloru i potasu. Słoma taka jest jednak krucha i przy mechanicznym zbiorze jej straty wynoszą 20-30%, czyli zbiera się tylko około 70% plonów [6]. Wartość opałowa słomy suchej powinna wynosić około MJ. kg -1. Wielkość tego parametru ma związek z rodzajem rośliny, której słoma poddawana jest zabiegom na cele energetyczne. W zestawieniu porównawczym z wartością opałową węgla, która wynosi około 18,8 29,3 MJ. kg -1 przyjąć można, iż 1,5 tony słomy pod względem energetycznym jest równoważne z 1 toną węgla kamiennego średniej jakości [7]. Dlatego też stanowi ona idealny surowiec do produkcji balotów, które przeznaczane są na cele energetyczne. Zbiór słomy powinien odbywać się w określonym czasie, tak, aby zachować jej najlepszą jakość. Istotne jest także użycie odpowiednich maszyn, właściwego sposobu formowania beli oraz podawania surowca do komory roboczej [9]. Wśród urządzeń dostępnych na rynku do formowania słomy w bele można wyróżnić: prasy formujące małe bele prostopadłościenne o stopniu zagęszczenia do 130 kg. m -3, prasy zwijające, formujące wielkowymiarowe bele cylindryczne o stopniu zagęszczenia do 150 kg. m -3, prasy formujące wielkogabarytowe bele prostopadłościenne o stopniu zagęszczenia do 180 kg. m -3. Istnieje wiele form składowania bel na polu w celu szybkiego i efektywnego zbioru. Według Igathinathane najbardziej skuteczną strategią zbioru bel jest stosowanie równoległego przebiegu ładowarki i przyczep platformowych do przewozu bel przy ustawieniu bel w grupach umiejscowionych po przekątnej powierzchni pola, a najmniej efektywne jest centralne ich zgrupowanie [4]. 450 Logistyka 5/2015

3 Kolejny etap pozyskiwania biomasy w postaci słomy to jej transport. Odpowiedni projekt procesu logistycznego wpływa na opłacalność dostaw surowca. Należy w nim zawrzeć m.in. odległości pomiędzy miejscem pozyskiwania słomy a miejscem składowania balotów, środki transportu potrzebne do przewozu bel, koszty transportu i magazynowania. Baloty w zależności od swoich wielkości mają różnorodne zastosowanie (Rysunek 1). Małe bele o kształcie prostopadłościanu i masie kg są wykorzystywane jako ściółka dla zwierząt w mniejszych gospodarstwach. Jako biopaliwo mogą być stosowane w kotłach o mocy 30 kw, które są odpowiednio przystosowane do ogrzewania domów i budynków inwentarskich [5]. Bele okrągłe, duże są najczęściej używane w średnich i dużych gospodarstwach. Bela waży ok kg i ma zastosowanie głównie jako ściółka oraz pasza dla zwierząt hodowlanych. Tego rodzaju bele stosowane są również dla celów energetycznych w kotłach okresowych pracujących cyklicznie [13]. Rysunek 1. Zastosowanie balotów źródło: opracowanie własne Baloty można przechowywać na stogach, stertach lub w stodołach. Magazynowanie słomy na powietrzu może spowodować zawilgocenie wierzchnich warstw bel. Można jednak tego uniknąć pokrywając bele folią, co przedstawia rysunek 2; umożliwi to lepszą przydatność surowca do przetworzenia na cele energetyczne. Rysunek 2. Bele pokryte folią źródło: Podsumowanie W dzisiejszych czasach słoma wykorzystywana jest nie tylko z przeznaczeniem na cele gospodarcze, np. jako ściółka lub pasza dla zwierząt hodowlanych, ale także jako surowiec do produkcji biomasy w postaci balotów. Rolnictwo w Polsce produkuje rocznie blisko 25 mln ton słomy, z których 50 % jest wykorzystywana na cele energetyczne. Słoma w zależności od źródła pochodzenia zawiera różne wartości opałowe. Najlepszym surowcem do produkcji biomasy jest słoma pszenna, gdyż jej wilgotność wynosi ok %, Logistyka 5/

4 a wartość opałowa zarówno w stanie świeżym (12,9-14,1 MJ. kg -1 ) jak i stanie suchym (17,3 MJ. kg -1 ) jest najwyższa. Wartości opałowe słomy są porównywalne z wartościami opałowymi węgla. Dzięki temu może stać się jego ekologicznym zamiennikiem. Bele ze słomy formuje się przy pomocy urządzeń takich jak prasy formujące małe bele prostopadłościenne o stopniu zagęszczenia do 130 kg. m -3, prasy zwijające, formujące wielkowymiarowe bele cylindryczne o stopniu zagęszczenia do 150 kg. m -3, a także prasy formujące wielkogabarytowe bele prostopadłościenne o stopniu zagęszczenia do 180 kg. m -3. Baloty w zależności od wielkości są wykorzystywane do celów gospodarczych, jak również energetycznych. Proces pozyskiwania słomy, jej magazynowania i transportu jest stosunkowo prosty. Istotne jest, by zadbać o odpowiedni projekt logistyki pozyskiwania i transportu słomy z pola, a także o warunki, w jakich jest przechowywana, by nie doszło do jej zawilgocenia. Streszczenie W artykule przedstawiono charakterystykę słomy jako substratu w łańcuchu logistyki pozyskiwania biomasy. Słoma przeznaczona na cele energetyczne musi posiadać właściwe parametry technologiczne. Wysoka wartość opałowa słomy w zależności od jej rodzaju waha się 15,0 17,3 MJ. kg -1. Parametry te zależą od wilgotności słomy, jej gatunku oraz sposobu przechowywania. Istotny jest także odpowiedni dobór maszyn i urządzeń do wytwarzania i transportu balotów. Słoma w postaci balotów wykorzystywana jest zarówno przez klientów indywidualnych (głównie w gospodarstwach) oraz przez elektrociepłownie. THE DESCRIPTION OF SELECTED SUBSTRATES CHAIN LOGISTICS IN TERMS OF HARVESTING OF BIOMASS Abstract This paper presents the characteristics of straw as a substrate in the logistics chain biomass harvesting. Straw intended for energy purposes must have the appropriate technological parameters. Straw high calorific value, depending on the type of ranges of MJ. kg -1. These parameters depend on the moisture content of the straw, the species and the method of storage. Also important is the proper selection of machinery and equipment for production and transport bales. Straw bales in the form is used both by individual customers (mainly on farms) and by power plants. Literatura [1] Chalecka K., Możliwości wykorzystania odnawialnych zasobów energetycznych w Polsce. Acta Universitatis Nicolai Copernici, Ekonomia XLI Nauki Humanistyczno-Społeczne 2010, z. 397, s [2] Dreszer K., Michałek R., Roszkowski A., Energia odnawialna - możliwości jej pozyskiwania i wykorzystania w rolnictwie, Wyd. PTIR Kraków Lublin Warszawa, [3] Faber A., Kuś J., Matyka M., Uprawa roślin na potrzeby energetyki. Wyd. W&B Wiesław Drzewiński, Warszawa 2009, s. 4. [4] Igathinathane C., Archer D., Gustafson C., Schmer M., Hendrickson J., Kronberg S., Faller T., Biomass round bales infield aggregation logistics scenarios, Biomass and Bioenergy, 66, 2014, p [5] Igliński B., Buczkowski R., Cichosz M., Technologie bioenergetyczne, Wydawnictwo Naukowe UMK Toruń, [6] Karcz H., Kantorek, M., Grabowicz, M., & Wierzbicki, K., Możliwość wykorzystania słomy jako źródła paliwowego w kotłach energetycznych, Piece Przemysłowe & Kotły, 2013, T.11, s [7] Kruczek S., Skrzypczak G., Muraszowski R., Spalanie i współspalanie biomasy z paliwami kopalnymi, Czysta Energia 6(68), 2007, s [8] Kwaśniewski D., Ocena produkcji i potencjalnych możliwości wykorzystania słomy do celów grzewczych na przykładzie powiatu Żywieckiego, Inżynieria Rolnicza 2008, nr 6(104), s [9] Nowak J., Maszyny do formowania bel cylindrycznych, Wyd. UP w Lublinie, Logistyka 5/2015

5 [10] Obernberger I, Thek G., The Pellet Handbook The Production and Thermal Utilisation of Biomass Pellets. UK, Earthscan, London, [11] Price C., Wheat, [12] Skonecki S., Potręć M., Laskowski J., Właściwości fizyczne i chemiczne odpadów rolniczych. Acta Agrophysica 2011, 18(2), s [13] Szpryngiel M. (red.), Zrównoważone wykorzystanie surowców roślinnych i przemysłowych do produkcji peletów, Libropolis, 2014, s Logistyka 5/

6 454 Logistyka 5/2015