Rola biomasy i polskiego rolnictwa w realizacji Pakietu energetycznego

Transkrypt

1 Rola biomasy i polskiego rolnictwa w realizacji Pakietu energetycznego Autor: prof. dr hab. inŝ. Jan Popczyk, Politechnika Śląska, BioEnergia ESP ( Czysta Energia luty 2008) Na koncepcję oceny wystarczalności zasobów rolnych, którymi dysponuje Polska, do wypełnienia celów Pakietu energetycznego 3x20, w części dotyczącej udziału OZE zasadnicze znaczenie ma wykorzystanie uzyskanych juŝ wyników i zaproponowanie innowacyjnego programu rozwojowego, adresowanego do przedsiębiorców, rolników oraz mieszkańców wsi i uŝytkowników energii. Rolnictwo energetyczne wielki wspólny interes Pierwszą silną podstawą rozpoczynającej się rewolucji energetycznej na świecie jest stanowisko Stanów Zjednoczonych, które uwaŝają, Ŝe nie wolno dłuŝej finansować niedemokratycznych państw naftowych (i gazowych) Iranu, Arabii Saudyjskiej, Wenezueli i Rosji za pomocą wysokich cen ropy naftowej (i gazu). Stanowisko to skutkuje w USA gwałtownym rozwojem produkcji biopaliw i wzrostem cen ziemi (w niektórych stanach ziemia zdroŝała w 2006 r. o ponad 30%). Drugą mocną podstawą tej rewolucji jest projekt strategii UE, ogłoszony w marcu 2007 r., który z rozproszonej energetyki odnawialnej czyni jeden z najwaŝniejszych filarów rozwojowych bezpieczeństwa energetycznego Unii, a jednocześnie główne narzędzie zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych. W rezultacie Wielka Brytania zaproponowała juŝ obniŝkę emisji CO 2 do 2050 r. o 60%, a Niemcy o 80%. Trzecim fundamentem jest światowy wybuch innowacyjnych technologii energetycznych, prowadzący do ich uniwersalizacji tych technologii, czyli zwiększający skokowo ich podatność na konkurencję. Potencjał rolnictwa energetycznego jest duŝy. Obecnie z jednego hektara kukurydzy jesteśmy w stanie wyprodukować rocznie 5 tys. m 3 biometanu, z półtora miliona hektarów 7,5 mld m 3, czyli nieznacznie mniej niŝ obecnie wynosi cały polski import gazu ziemnego, a więcej niŝ import tego paliwa z Rosji. Zatem naleŝy poświecić rozwojowi agroenergetyki przynajmniej tyle wysiłku i tyle pieniędzy, ile poświęcaliśmy w latach 2006 i 2007 dywersyfikacji zasilania Polski w gaz ziemny, bo to jest problem o tej samej wadze z punktu widzenie bezpieczeństwa energetycznego. Dodatkowo jest to problem o kluczowej wadze dla bezpieczeństwa ekologicznego oraz ze względu na sytuację wsi i rolnictwa. (Sprawą otwartą jest wykorzystanie potencjału postępu biotechnologicznego w uprawach energetycznych oraz wykorzystanie innych niŝ kukurydza roślin energetycznych nadających się do zgazowania fermentacyjnego. Na przykład wydajność topinamburu, dla którego są w Polsce juŝ wstępne wyniki uprawy i oceny przydatności energetycznej, jest ok. czterokrotnie większa niŝ kukurydzy. Ciekawa jest odpowiedź na pytanie, co nam daje produkcja biometanu, który moŝe być na skutek uniwersalizacji technologii energetycznych wykorzystany z jednakową skutecznością techniczną, w transporcie samochodowym i w agregatach kogeneracyjnych małej i bardzo małej mocy, produkujących energię elektryczną i ciepło? OtóŜ ww. 5 tys. m 3 biometanu z hektara moŝna porównać z rocznym zuŝyciem gazu ziemnego na mieszkańca Polski,

2 wynoszącym ok. 0,3 tys. m 3. Wynika z tego, Ŝe 1 ha kukurydzy wystarcza do pokrycia ponad 15-krotnego zapotrzebowania na gaz ziemny w całej gospodarce (procesy przemysłowe, energetyka zawodowa i przemysłowa, ciepłownictwo, zuŝycie w sektorze usług, zuŝycie przez ludność), przypadającego na statystycznego Polaka. Ponadto z punktu widzenia bezpieczeństwa energetycznego waŝne jest inne porównanie. Z jednego ha uzyskujemy ilość biometanu potrzebną do produkcji skojarzonej ok. 17 MWh energii elektrycznej i ok. 90 GJ ciepła. Są to ilości wystarczające do pokrycia ok. siedmiokrotnego zapotrzebowania na energię elektryczną i ok. sześciokrotnego zapotrzebowania na ciepło w całej gospodarce, przypadającego na statystycznego Polaka. (Dla porównania jeden hektar zapewnia obecnie Ŝywność dla ok. trzech Polaków). Rolnictwo energetyczne będzie w kolejnych latach obszarem bardzo intensywnego rozwoju biotechnologii środowiskowej (ukierunkowanej na utylizację biomasy odpadowej), biotechnologii w obszarze upraw roślin energetycznych, wyspecjalizowanej teleinformatyki dla potrzeb energetyki rozproszonej oraz nowoczesnych rozproszonych technologii energetycznych (w postaci biogazowni, agregatów kogeneracyjnych, samochodów hybrydowych, ogniw paliwowych). NaleŜy przy tym podkreślić, Ŝe bariera przy wchodzeniu na większość z rynków wymienionych innowacyjnych technologii jest jeszcze stosunkowo niska i całkowicie do pokonania przez polską naukę, przemysł, rolnictwo, wieś i energetykę. Krótkofalowo rolnictwo energetyczne skompensuje skutecznie brak reelektryfikacji wsi. Zatem ograniczy pogłębiającą się barierę rozwojową wsi w postaci nieadekwatności (do szybko rosnących potrzeb) infrastruktury w postaci wiejskich sieci elektroenergetycznych. Ponadto umoŝliwi milionom mieszkańców wsi uczestnictwo w korzyściach z przebudowy energetyki, w szczególności z elektroenergetyki, na bardziej konkurencyjną. Długofalowo rolnictwo energetyczne zapewni wsi polskiej włączenie się w jeden z wielkich obszarów innowacyjności gospodarki w ogóle. Będzie to wynikać m.in. stąd, Ŝe skala inwestycji jednostkowych w rolnictwie energetycznym jest stosunkowo niewielka (nakłady na takie inwestycje są rzędu kilku, najczęściej blisko dziesięciu, milionów złotych). Zatem w początkowej fazie rozwoju rolnictwa energetycznego będzie moŝliwe podmiotowe uczestnictwo w jego rozwoju małych inwestorów na skalę pojedynczych wsi, co jest niemoŝliwe w energetyce duŝej skali. Szacuje się, Ŝe rozwój energetyki rozproszonej (biogazowni i systemów kogeneracyjnych) w gminach rolniczych moŝe spowodować napływ komercyjnych inwestycji z tego tytułu na obszary wiejskie z kapitałem 50 mld zł w perspektywie 2020 r. To upodmiotowi na trwałe wieś w obszarze elektroenergetyki i ciepłownictwa. Oczywiście rolnictwo energetyczne w części stanowiącej bazę surowcową dla przemysłu biopaliw umoŝliwi dodatkowo mieszkańcom wsi uczestnictwo w korzyściach ze zmiany struktury rynku paliw dla potrzeb transportu. Rolnictwo jako sektor moŝe skorzystać na rozwoju branŝy rolnictwa energetycznego zarówno w perspektywie krótkofalowej, jak i długofalowej. Krótkofalowo rozwój rolnictwa energetycznego zapewnia polskiemu rolnictwu opłacalne ekonomicznie wykorzystanie dwóch do trzech mln hektarów gruntów odłogowanych (wyłączonych z upraw) oraz ugorów i nieuŝytków. Jest to ok. 10 do 15% uŝytków rolnych w Polsce.

3 Natomiast długofalowo tworzy ono fundamentalną podstawę pod trwałą opłacalność produkcji rolnej, polegającą na rozszerzeniu moŝliwości zbytu produkcji rolnej na dwa wielkie i newralgiczne rynki: Ŝywnościowy i energetyczny. Restrukturyzacja polskiego rolnictwa, realizowana w takiej perspektywie masowego rozwoju opłacalnych upraw energetycznych, moŝe w przyszłości doprowadzić do przeznaczenia na te uprawy od 4 do 6 mln hektarów gruntów ornych i gruntów odłogowanych (obecnie) oraz ugorów i nieuŝytków. Ponadto pozwoli na wykreowanie z tego tytułu rocznych przychodów rolników na poziomie od 10 do 15 mld zł (wg obecnego poziomu cen). W perspektywie długofalowej bardzo waŝne jest takŝe to, Ŝe rozwój rolnictwa energetycznego moŝe być wykorzystany przez Polskę do aktywnego włączenia się w nieuchronny proces wygaszania po 2013 r. Wspólnej Polityki Rolnej w Unii, z korzyścią dla Polski i dla Unii. Stop dla działań rządowych w energetyce Obecnie najgorszym rozwiązaniem z moŝliwych jest realizowany program konsolidacji sektorowej w elektroenergetyce, polegający na kontynuacji technologicznej, czyli na budowie wielkiej elektroenergetyki systemowej z wielkimi źródłami węglowymi, realizowanymi w tradycyjnych technologiach spalania. Wymaga to bowiem istotnej rozbudowy sieci przesyłowych, co oddala tę elektroenergetykę od odbiorcy i wyłącza go w duŝym stopniu z decydowania o swojej sytuacji. Ogólnie specyfika poszczególnych sektorów kompleksu paliwowo-energetycznego, w szczególności elektroenergetyki, w Ŝadnym wypadku nie moŝe być obecnie wzmacniana, natomiast musi być osłabiana. Odwrócenie programu dla elektroenergetyki i przejście do etapu osłabiania sektorowości w całym kompleksie paliwowo-energetycznym wymaga na poziomie rządu daleko idącej współpracy między ministerstwami. To pociąga za sobą bardzo powaŝną konsekwencję. W krótkim czasie musi się ukształtować w rządzie nowy podmiotowy układ kompetencji. W szczególności chodzi tu o nowy typ powiązania kompetencji Ministerstwa Gospodarki i Urzędu Regulacji Energetyki z kompetencjami ulokowanymi w Ministerstwach: Rolnictwa i Rozwoju Wsi (obszar rolnictwa energetycznego), Środowiska (zarządzanie rozdziałem uprawnień do emisji CO 2 ), Rozwoju Regionalnego (wykorzystanie funduszy unijnych), Finansów (koordynacja podatku akcyzowego w obszarze energetyki) oraz Skarbu Państwa (nadzór właścicielski nad przedsiębiorstwami energetycznymi). Podkreśla się, Ŝe w nowym rządzie niezbędna współpraca między ministerstwami jest prawdopodobna. Jeśli w pierwszych miesiącach nie zostanie ona nawiązana, to z upływem czasu moŝliwość taka będzie szybko malała. Potencjał rolnictwa a unijne cele OZE PoniŜej przedstawiono oszacowanie (własne) rynków końcowych w 2007 r. energii elektrycznej, ciepła i paliw transportowych. W przypadku energii elektrycznej i ciepła podano takŝe oszacowanie rynków produkcji (czyli rynków końcowych powiększonych o straty sieciowe i potrzeby własne): Energia elektryczna, zuŝycie/produkcja 106/140 TWh (ok. 350 TWh w paliwie pierwotnym).

4 Ciepło ogółem, zuŝycie/produkcja 750/850 PJ (ok. 350 TWh w paliwie pierwotnym): w tym: systemy sieciowe: 350/450 PJ., a ogrzewanie indywidualne: 400/400 PJ. Transport, zuŝycie paliw płynnych (ok. 150 TWh w paliwie pierwotnym): benzyna 4,2 mln ton, olej napędowy 6,4 mln ton oraz LPG: 1,5 mln ton. Przyjęte załoŝenia dotyczące wielkości polskich rynków końcowych energii w 2020 r. w ujęciu eksperckim stanowią dobry punkt wyjścia do prowadzonych tu ocen, ale mają bardzo otwarty charakter i powinny być bezustannie weryfikowane, a zatem:energia elektryczna zakłada się dwuprocentowy roczny wzrost rynku, więc w całym okresie wyniesie on 26%, a wielkość rynku końcowego (zuŝycie) ok. 135 TWh.Ciepło przewiduje się stabilizację rynku, czyli Ŝe wielkość rynku końcowego na koniec okresu wyniesie ok. 210 TWh.Transport szacuje się trzyprocentowy roczny wzrost rynku, zatem w całym okresie wyniesie on 43%, a wielkość rynku końcowego (zuŝycie) ok. 210 TWh. W zakresie struktury udziału energii odnawialnej na końcowym rynku energii elektrycznej w 2020 r. załoŝono, Ŝe zielona energia elektryczna będzie produkowana w Polsce w 2020 r. z energii wiatrowej i wodnej oraz z biomasy odpadowej, ale przede wszystkim będzie to jednak energia produkowana w źródłach skojarzonych, opalanych biometanem pozyskiwanym z roślin energetycznych. Przyjęta struktura jest następująca. Energia elektryczna z upraw energetycznych: 35 TWh, czyli ok. 78%. Energia elektryczna z wiatru, wodny, i biomasy odpadowej: 10 TWh, czyli ok. 22%. W zakresie sposobu wykorzystania biomasy uprawianej w 2020 r. przyjęte załoŝenia mają charakter modelowy. Odwołuje się w nich do postępującej uniwersalizacji technologicznopaliwowej, czyli wymagane udziały energii odnawialnej na wszystkich trzech rynkach końcowych energii zostaną zapewnione poprzez produkcję biometanu. Tym samym zakłada się: zastosowanie najefektywniejszej obecnie biotechnologii, mianowicie zgazowania fermentacyjnego roślin energetycznych, ewentualnie z dodatkiem substratów w postaci biomasy odpadowej z produkcji rolnej oraz z przetwórstwa rolnospoŝywczego, a takŝe wykorzystanie biogazu lub biometanu (uzyskiwanego po oczyszczeniu biogazu). To załoŝenie jest bardzo ostroŝne (najprawdopodobniej do 2020 r. nastąpi komercyjne wdroŝenie znacznie bardziej efektywnych biotechnologii, czyli zgazowania zielonej celulozy oraz bezpośredniej produkcji wodoru z biomasy). dla zwiększenia ich przejrzystości, zastosowanie tylko wybranych technologii energetycznych w postaci: wykorzystania bezpośredniego biogazu uzyskiwanego z upraw energetycznych; zatłaczania biometanu do sieci gazu ziemnego. Ponadto stosowania, aŝ do pełnego wykorzystania potencjału produkcji ciepła i energii elektrycznej, agregatów kogeneracyjnych, zapewniających łączną sprawność konwersji energii pierwotnej na energię końcową u odbiorców energii elektrycznej i ciepła, wynoszącą 85%. Oprócz tego uŝywanie, poza potencjałem produkcji skojarzonej, kotłów gazowych zapewniających łączną sprawność konwersji energii pierwotnej na ciepło u odbiorcy, wynoszącą 95%. WaŜne będzie równieŝ uŝytkowanie samochodów CNG w miejsce samochodów zasilanych mieszankami paliw tradycyjnych i biopaliw płynnych, przy uwzględnieniu zmniejszonej sprawności wykorzystania paliwa transportowego, czyli biometanu, w stosunku do mieszanek płynnych o 20%.

5 Przyjęto, Ŝe krajowy potencjał ciepła produkowanego z biometanu w skojarzeniu określa się na podstawie struktury produkcji charakterystycznej dla gazowego agregatu kogeneracyjnego o mocy poniŝej 1 MW El,. zakładając, Ŝe energia elektryczna stanowi 35% w bilansie paliwa pierwotnego, a ciepło 50% (Straty stanowią 15% w paliwie pierwotnym). Dalej szacuje się, Ŝe cała roczna energia elektryczna produkowana z biometanu jest wytwarzana w skojarzeniu (w 2020 r. będzie to 35 TWh). Wówczas ciepło wyprodukowane w 2020 r. w Polsce z biometanu w skojarzeniu wyniesie 50 TWh. Produkcja ciepła z energii odnawialnej poza produkcją skojarzoną będzie w takim przypadku w 2020 r. wynosić 55 TWh. Ocena potencjału rolnictwa energetycznego załoŝenia Sformułowane poniŝej załoŝenia dotyczące transformacji rolnictwa Ŝywnościowego w rolnictwo energetyczne mają charakter zachowawczy. Odnoszą się one nie tyle do transformacji (rolnictwa Ŝywnościowego w rolnictwo energetyczne), co do wykorzystania istniejących nadwyŝek ziemi potrzebnej dla rolnictwa Ŝywnościowego. Zakłada się bowiem graniczną strukturę wykorzystania całego areału ziem uprawnych (ok. 16 mln ha), którym dysponuje Polska w następującej sposób: 75% dla potrzeb rolnictwa Ŝywnościowego (12 mln ha) oraz 25% dla potrzeb rolnictwa energetycznego (4 mln ha). Jest to struktura, która moŝe być wynikiem alokacji fundamentalnej (polegającej na częściowej transformacji rolnictwa Ŝywnościowego w równoprawne rolnictwo energetyczne) i moŝe pociągać za sobą zmianę relacji cen Ŝywności i energii. Przy tym transformację rolnictwa Ŝywnościowego w energetyczne łączy się ze stopniowym wygaszaniem Wspólnej Polityki Rolnej w UE po 2013 r. oraz z otwarciem unijnego rynku Ŝywności na dostawy z krajów opóźnionych w rozwoju (w szczególności z Afryki). To oznacza, Ŝe Polska moŝe zapewnić sobie istotny wzrost efektywności ekonomicznej rolnictwa, istotny wzrost bezpieczeństwa energetycznego, a takŝe stabilizację cen energii, i to bez istotnego wzrostu cen Ŝywności. Dla uproszczenia dalszych oszacowań przyjęto produkcję biomasy w postaci kukurydzy. ZałoŜono bowiem, Ŝe obecna wydajność 50 ton/ha (co w przeliczeniu na biometan daje 5 tys. m 3 /ha) na skutek postępu biotechnologicznego w 2020 r. wyniesie ok. 80 ton/ha. W przeliczeniu na biometan da to wówczas 8 tys. m 3 /ha. Na tej podstawie moŝna wyliczyć wydajność energetyczną z hektara, wyraŝoną w MWh/ha, w następujący sposób: wydajność = 8 tys. [m 3 /ha] x {36 [GJ/tys. m 3 ] : 3,6 [GJ/MWh]} = 80 MWh/ha. Ocena zasobów rolnych niezbędnych do realizacji celu udziału OZE Przyjęte załoŝenia pozwalają oszacować zasoby ziemi potrzebne do celów energetycznych w następujący sposób. Do pokrycia wymaganego udziału energii odnawialnej na rynku paliw transportowych konieczna jest powierzchnia gruntów: {30 TWh : 80 MWh/ha}: 0,8 = ok. 0,5 mln ha. Do pokrycia wymaganego udziału energii odnawialnej na rynku energii elektrycznej i na rynku ciepła (35 TWh i 50 TWh, odpowiednio) produkowanych w skojarzeniu konieczna jest powierzchnia gruntów: {(35 TWh + 50 TWh) : 80 MWh/ha}: 0,85 = ok. 1,3 mln ha.

6 Do pokrycia wymaganego udziału energii odnawialnej na rynku ciepła produkowanego w kotłowniach (55 TWh), poza źródłami kogeneracyjnymi, konieczna jest powierzchnia gruntów: {55 TWh : 80 MWh/ha}: 0,95 = ok. 0,7 mln ha. Z powyŝszego wynika, Ŝe łączna powierzchnia gruntów konieczna dla wypełnienia przez Polskę celów obligatoryjnych unijnego Pakietu energetycznego 3x20 jest istotnie mniejsza od załoŝonej granicznej powierzchni gruntów moŝliwych do wykorzystania przez rolnictwo energetyczne (ok. 4 mln ha, ponad 20%). Podkreśla się, Ŝe dokonane oszacowanie uwzględnia postęp biotechnologiczny, co jest całkowicie uprawnione. Bez postępu biotechnologicznego wypełnienie celów byłoby obarczone pewnym ryzykiem (łączna powierzchnia gruntów, konieczna do wypełnienia celów byłaby wówczas równa granicznej powierzchni moŝliwej do wykorzystania przez rolnictwo energetyczne). W tym miejscu warto podkreślić bardzo korzystną cechę rolnictwa energetycznego jako jednego z filarów bezpieczeństwa energetycznego. OtóŜ wzrost zapotrzebowania na energię moŝe mieć w tym przypadku zawsze adekwatną odpowiedź w postaci wzrostu wydajności energetycznej z hektara. Podobna cecha nie występuje w przypadku takich wyczerpywalnych paliw jak ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel. Oczywiście w tym przypadku występuje mechanizm postępu technicznego w sferze wydobycia, który w ostatnich latach bardzo wyraźnie zwiększał zasoby ekonomiczne wymienionych paliw na świecie.