UPRAWA WIERZBY ORAZ INNYCH WIELOLETNICH ROŚLIN ENERGETYCZNYCH W POLSCE DOŚWIADCZENIA UNIWERSYTETU WARMIŃSKO- MAZURSKIEGO

Transkrypt

1 UPRAWA WIERZBY ORAZ INNYCH WIELOLETNICH ROŚLIN ENERGETYCZNYCH W POLSCE DOŚWIADCZENIA UNIWERSYTETU WARMIŃSKO- MAZURSKIEGO Mariusz J. Stolarski Katedra Hodowli Roślin i Nasiennictwa, Wydział Kształtowania Środowiska i Rolnictwa, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

2 PLAN PREZENTACJI Wprowadzenie Wybrane wieloletnie rośliny energetyczne w badaniach UWM prowadzone w systemie SRWC i Eko-Salix Produkcyjność gatunków i jakość biomasy Łańcuch logistyczny oraz technologie zbioru testowane w doświadczeniach UWM Efektywność energetyczna produkcji Podsumowanie

3 Eksperymenty polowe UWM z SRWC i Eko-Salix Bałdy, Łężany, Obory, Tomaszkowo Badania prowadzone od 1992 roku inicjatorzy badań: prof. dr hab. Stefan Szczukowski prof. dr hab. Józef Tworkowski Łężany Obory Tomaszkowo Bałdy UWM

4 ODMIANY WIERZBY HODOWLI UWM W OLSZTYNIE Decyzja Dyrektora Centralnego Ośrodka Badania Odmian Roślin Uprawnych w sprawie przyznania hodowcy wyłącznego prawa do odmiany: 1. nazwa hodowlana UWM 063, nazwa ostateczna Sprint. Odmiana wpisana do Księgi Ochrony Wyłącznego Prawa, nr O 2147, z dnia: (Szczukowski S., Tworkowski J., Przyborowski J.A., Stolarski M.) 2. nazwa hodowlana UWM 067, nazwa ostateczna Start. KOWP, nr O 2148, z dnia: (Szczukowski S., Tworkowski J., Przyborowski J.A., Stolarski M.) 3. nazwa hodowlana UWM 146, nazwa ostateczna Turbo. KOWP, nr O 2149, z dnia: (Szczukowski S., Tworkowski J., Przyborowski J.A., Stolarski M.) 4. nazwa hodowlana UWM 099, nazwa ostateczna Monotur. KOWP, nr O 2210, z dnia: (Szczukowski S., Tworkowski J., Przyborowski J.A., Stolarski M.) 5. nazwa hodowlana UWM 144, nazwa ostateczna Kortur. KOWP, nr O 2213, z dnia: (Szczukowski S., Tworkowski J., Przyborowski J.A., Stolarski M.) 6. nazwa hodowlana UWM 145, nazwa ostateczna Oltur. KOWP, nr O 2214, z dnia: (Szczukowski S., Tworkowski J., Przyborowski J.A., Stolarski M.) 7. nazwa hodowlana UWM 196, nazwa ostateczna Tur. KOWP, nr O 2215, z dnia: (Szczukowski S., Tworkowski J., Przyborowski J.A., Stolarski M.) 8. Tymczasowe wyłączne prawo do odmiany UWM 006 (TO 1843) z dnia: (Szczukowski S., Tworkowski J., Stolarski M.J., Sulima P., Przyborowski J., Krzyżaniak M.) 9. Tymczasowe wyłączne prawo do odmiany UWM 043 (TO 1844) z dnia: (Szczukowski S., Tworkowski J., Stolarski M.J., Sulima P., Przyborowski J., Krzyżaniak M.) 1. Patent P Nr Sposób zakładania plantacji wierzby, Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej, Warszawa r., Patent trwa od: (UWM w Olsztynie, Szczukowski S., Tworkowski J., Stolarski M.)

5 Wybrane wieloletnie rośliny energetyczne w badaniach UWM prowadzone w systemie SRWC i Eko-Salix Salix Populus Robinia pseudoacacia Sida hermaphrodita Helianthus tuberosus Silphium perfoliatum Helianthus salicifolius Miscanthus x giganteus Miscanthus sinnensis Miscanthus sacchariflorus Spartina pectinata

6 SRWC (a) i Eko-Salix (b)

7 Badania cech termo-fizycznych i chemicznych biomasy

8 Schemat badań w zakresie produkcji biomasy lignocelulozowej i jej logistyki do zakładu konwersji [Stolarski 2010] Hodowla nowych odmian Efektywność technologii uprawy i zbioru LCA, Obieg GHG PLANTACJA BL - Biomasa lignocelulozowa (Robinia akacjowa, Wierzba, Topola) transport BAZA SUROWCA Składowanie, przetwórstwo, magazynowanie (baloty, bele, zrębki, pelet, brykiet) transport ZAKŁAD KONWERSJI Obieg wody Bioróżnorodność (fito i entomofauna) Uwarunkowania społecznoekonomiczne

9 Produkcyjność gatunków i jakość biomasy

10 Species Mean Rosa multiflora Salix dasyclados Salix viminalis Reynoutria sachalinensis Reynoutria japonica Silphium perfoliatum Helianthus tuberosus Sida hermaphrodita Spartina pectinata Miscanthus sinensis Miscanthus sacchariflorus Miscanthus x giganteus Produkcyjność wybranych gatunków w badaniach UWM [Tworkowski i in. 2010] t/ha/year d.m

11 Zmiany wilgotności średnio dla rodzaju biomasy w różnych terminach zbioru [Stolarski et al. 2010] % 70.0 wood semi-wood straw XI XII I II III IV month

12 Zmiany zawartości popiołu średnio dla rodzaju biomasy w różnych terminach zbioru [Stolarski et al. 2010] % d.m. 6.0 wood semi-wood straw XI XII I II III IV month

13 Zmiany wartości opałowej średnio dla rodzaju biomasy w różnych terminach zbioru [Stolarski et al. 2010] 16.0 MJ kg wood semi-wood straw XI XII I II III IV month

14 Dwuczynnikowe doświadczenie [Stolarski et al. 2014c] Czynnik I trzy gatunki roślin Willow (Salix viminalis), clone UWM 006, Poplar (Populus nigra x P. Maximowiczii Henry cv. Max-5), Black locust (Robinia pseudoacacia). Czynnik II Spopsób wzbogacenia gleby Lignina (L) Mg ha -1, Nawożenie minerale (F) - N:P:K = 90:13:50 kg ha -1, Mikoryza (M), Lignina + Nawożenie minerale (L + F), Mikoryza + Nawożenie minerale (M + F), Lignina + Mikoryza (L + M), Lignina + Mikoryza + Nawożenie minerale (L + M + F), Kontrola bez wzbogacania (C).

15 Mg ha -1 year -1 Plon suchej biomasy po trzecim roku wegetacji [Stolarski et al. 2014c]

16 GJ ha -1 year -1 Wartość energetyczna plonu po trzecim roku wegetacji [Stolarski et al. 2014c]

17 Właściwości termofizyczne biomasy robinii akacjowej, topoli i wierzby po dwóch latach wegetacji [Stolarski et al. 2013] Gatunek Sposób wzbogacenia gleby Wilgotność (%) Zawartość popiołu (% s.m.) Ciepło spalania (MJ kg -1 s.m.) Wartość opałowa (MJ kg -1 ) C 47.77±0.28 d 1.68±0.04 d 19.40±0.03 e 8.97±0.08 ab Robinia L 46.38±0.08 e 2.16±0.01 b 19.53±0.04 d 9.34±0.04 a akacjowa F 48.08±0.02 d 2.67±0.15 a 19.85±0.00 bc 9.14±0.00 a M 46.65±0.41 e 1.82±0.01 d 19.42±0.03 e 9.22±0.11 a Średnio 47.22±0.61 c 2.08±0.31 a 19.55±0.15 c 9.17±0.12 a C 53.33±0.37 a 1.88±0.07 cd 19.93±0.01 b 8.00±0.08 cd L 53.64±0.51 a 1.96±0.04 c 19.88±0.01 b 7.91±0.12 d Topola F 54.48±1.27 a 2.22±0.02 b 20.05±0.03 a 7.80±0.30 d M 53.09±0.24 a 2.00±0.01 c 20.06±0.00 a 8.11±0.05 cd Średnio 53.64±0.66 a 2.01±0.10 b 19.98±0.06 a 7.95±0.15 c C 50.17±1.32 c 1.29±0.04 f 19.89±0.05 b 8.69±0.27 b L 51.67±0.65 b 1.52±0.03 e 19.82±0.02 c 8.32±0.16 c Wierzba F 50.57±0.01 c 1.33±0.09 f 19.58±0.03 d 8.45±0.01 bc M 51.96±0.39 b 1.49±0.05 e 19.92±0.05 b 8.30±0.11 c Średnio 51.09±0.77 b 1.41±0.09 c 19.80±0.11 b 8.44±0.16 b

18 Skład elementarny biomasy robinii akacjowej, topoli i wierzby po dwóch latach wegetacji (% s.m.) [Stolarski et al. 2013] Gatunek Robinia akacjowa Sposób wzbogacenia gleby C H S N Cl C 51.66±0.13 c 6.28±0.02 a 0.059±0.000 b 1.16±0.01 c 0.019±0.001 b L 49.80±0.00 e 6.14±0.03 b 0.058±0.002 b 1.21±0.01 b 0.016±0.001 d F 50.76±0.14 d 6.13±0.03 b 0.073±0.002 a 1.70±0.05 a 0.024±0.001 a M 51.03±0.27 d 6.24±0.00 b 0.057±0.001 b 1.14±0.00 c 0.017±0.001 c Średnio 50.81±0.55 c 6.20±0.05 a 0.061±0.005 a 1.30±0.18 a 0.019±0.003 a C 53.14±0.09 a 6.30±0.09 a 0.028±0.001 c 0.55±0.01 e 0.005±0.001 f L 52.52±0.07 b 6.15±0.06 b 0.032±0.001 b 0.57±0.00 e 0.003±0.000 g Topola F 52.56±0.31 b 6.15±0.01 b 0.035±0.001 ab 0.65±0.01 d 0.005±0.001 f M 52.39±0.07 b 6.17±0.01 a 0.032±0.002 b 0.51±0.01 f 0.008±0.001 e Średnio 52.65±0.26 a 6.19±0.06 a 0.032±0.002 b 0.57±0.04 b 0.005±0.001 c C 50.73±0.19 d 6.02±0.10 c 0.031±0.004 bc 0.45±0.02 g 0.008±0.001 e L 50.77±0.06 d 6.15±0.01 b 0.029±0.001 c 0.56±0.01 e 0.004±0.001 g Wierzba F 51.58±0.22 c 6.17±0.04 b 0.037±0.003 ab 0.42±0.00 g 0.008±0.001 e M 51.04±0.14 d 6.08±0.02 bc 0.034±0.001 b 0.48±0.01 f 0.005±0.001 f Średnio 51.03±0.29 b 6.11±0.06 b 0.032±0.003 b 0.48±0.04 c 0.006±0.001 b

19 Łańcuch logistyczny oraz technologie zbioru dendromasy testowane w doświadczeniach UWM

20 Łańcuch obiegu biomasy, energii i środków finansowych [Stolarski 2012] Przepływ biomasy i energii Producent biomasy Przepływ środków finansowych Zakład przetwórstwa biomasy Zakład konwersji Użytkownicy energii i bioproduktów

21 Efektywność energetyczna produkcji dendromasy

22 Wybrane wskaźniki energetyczne uprawy siedmiu klonów i odmian wierzby w trzyletnim cyklu zbioru, do bramy gospodarstwa [Stolarski i in. 2014b] Specyfikacja/Odmiana Start Tur Turbo UWM UWM UWM UWM Nakłady (GJ/ha) Plon energii (GJ/ha) Zysk energii (GJ/ha) Wskaźnik ef. energetycznej Start Tur Turbo UWM 006 UWM 035 UWM 043 UWM 155

23 Wskaźnik efektywności energetycznej uprawy odmian i klonów wierzby w zależności od odległości transportowej do zakładu konwersji [Stolarski in. 2014b] Specyfikacja Odległość (km) Start Tur Turbo UWM 006 UWM 035 UWM 043 UWM Wskaźnik EE

24 Efektywność energetyczna produkcji zrębków wierzby, w systemie Eko-Salix w rotacji pięcioletniej loco plantacja (Tworkowski i in. 2011) Obiekt Leginy Kocibórz Wyszczególnienie Gęstość sadzenia (tys. szt./ha) 5,2 7,4 5,2 7,4 Nakłady energii (GJ/ha) 43,8 55,7 55,2 69,6 Wartość energetyczna plonu (GJ/ha) 404,8 521,6 640,2 812,8 Zysk energii skumulowanej (GJ/ha) 361,0 465,9 585,1 743,2 Wskaźnik energochłonność jednostkowej (MJ/t) Wskaźnik efektywności energetycznej produkcji zrębków 866,6 854,5 689,6 685,2 9,2 9,4 11,6 11,7

25 PODSUMOWANIE Uprawa roślin w systemach SRWC i Eko-Salix umożliwia pozyskanie znaczących ilości biomasy ale należy pamiętać o prawidłowym doborze gatunku, odmiany i prowadzeniu plantacji. Jedno i dwuetapowe technologie zbioru biomasy dają szerokie możliwości jej pozyskania i dostaw do zakładów konwersji przez cały rok. Zysk energii może od kilku do ponad 20 razy przekraczać nakłady potrzebne na prowadzenie plantacji i zbiór biomasy w zależności od technologii produkcji i odległości transportowej.

26 Literatura Krzyżaniak M. Stolarski M.J., Waliszewska B., Tworkowski J., Szczukowski S., Załuski D., Śnieg M Willow biomass as feedstock for an integrated multi-product biorefinery. Industrial Crops and Products, 58: Stolarski M.J., Krzyżaniak M., Śnieg M., Słomińska E., Piórkowski M., Filipkowski R Thermophysical and chemical properties of perennial energy crops depending on harvest period. International Agrophysic, 28: Stolarski M.J., Krzyżaniak M., Szczukowski S., Tworkowski J., Załuski D., Bieniek A., Gołaszewski J Effect of Increased Soil Fertility on the Yield and Energy Value of Short-Rotation Woody Crops. BioEnergy Research, DOI /s Stolarski M.J., Krzyżaniak M. Tworkowski J., Szczukowski S., Gołaszewski J. 2014b. Energy intensity and energy ratio in producing willow chips as feedstock for an integrated biorefinery. Biosystems Engineering, 123: Stolarski M.J., Krzyżaniak M., Szczukowski S., Tworkowski J. 2014a. Efektywność energetyczna produkcji biomasy wierzby w jednorocznym i trzyletnim cyklu zbioru. Fragm. Agron., 31(2): Stolarski, M. J., Szczukowski, S., Tworkowski, J., Wróblewska, H., Krzyżaniak, M Short rotation willow coppice biomass as an industrial and energy feedstock. Industrial Crops and Products, (33): Stolarski M.J., Krzyżaniak M., Szczukowski S., Tworkowski J., Bieniek A c. Short rotation woody crops grown on marginal soil for biomass energy. Pol. J. Environ. Stud., 23(5): Tworkowski J., Stolarski M., Szczukowski S., Efektywność energetyczna produkcji biomasy wierzby systemem Eko-Salix. Fragmenta Agronomica, 28(4): Stolarski M.J., Krzyżaniak M., Waliszewska B., Szczukowski S., Tworkowski J., Zborowska M Lignocellulosic biomass derived from agricultural land as industrial and energy feedstock. Drewno. Pr. Nauk. Donies. Komunik, 56(189): 5-23 Stolarski M., Szczukowski S., Tworkowski J., Nosarzewska A Ocena przydatności do celów energetycznych biomasy wybranych gatunków roślin wieloletnich. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, 547:

27 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ Prof. dr hab. inż. Mariusz J. Stolarski Phot. M. Stolarski