Biomasa z roślin jednorocznych dla energetyki zawodowej

Transkrypt

1 Biomasa z roślin jednorocznych dla energetyki zawodowej Autor: prof. Henryk Burczyk, Instytut Włókien Naturalnych i Roślin Zielarskich, Poznań ( Czysta Energia nr 2/2012) Aby sprostać potrzebom energetyki zawodowej wykorzystującej jako paliwo agrobiomasę niezbędna będzie jej produkcja nie tylko na wieloletnich plantacjach roślin energetycznych. Zapotrzebowanie na biomasę do 2020 r. dla elektrowni i elektrociepłowni zaproponowane przez ekspertów wynosi ok. 10 mln ton s.m., w tym 2 mln ton biomasy leśnej i 3 mln ton słomy. Pozostałe 5 mln ton s.m. autorzy przewidują uzyskać z uprawy wieloletnich roślin energetycznych na powierzchni ok. 500 tys. ha, przyjmując plony w wysokości 10 ton/ha s.m. Uzyskanie wymienionej ilości biomasy z roślin wieloletnich przy ograniczonym wsparciu finansowym do uprawy i zakładania plantacji będzie bardzo trudne. Dotychczasowe wyniki z uprawą tych roślin dla potrzeb energetyki zawodowej nie budzą optymizmu. Dlatego alternatywą mogą być jednoroczne rośliny uprawiane w plonie głównym (sorgo, kukurydza i konopie włókniste), dające tańszą i bardziej wydajną biomasę z jednostki powierzchni pola od roślin wieloletnich. Oczywiście wspomniane rośliny energetyczne mogą spełniać określoną rolę na glebach zwięzłych, wilgotnych, występujących w rejonach o większej ilości opadów (> 600 mm). Natomiast na glebach gorszej jakości, o niskim poziomie wody gruntowej, na terenach z ograniczoną ilością opadów (< 550 mm) trzeba produkować biomasę przy pomocy jednorocznych roślin energetycznych. Materiały i metody badań Dla potwierdzenia powyższej hipotezy w Zakładzie Doświadczalnym Stary Sielec (pow. Rawicz) przeprowadzono w latach ścisłe doświadczenia polowe nad poznaniem przydatności sorga, kukurydzy i konopii włóknistych dla produkcji biomasy na potrzeby energetyki zawodowej. Doświadczenia zakładano na glebach bielicowych zalegających na glinie o odczynie ph = 5,5-6,5, przy średniej zasobności w składniki pokarmowe, na stanowisku po zbożach ozimych. Bezpośrednio przed siewem stosowano nawożenie mineralne w ilości na 1 ha: 150 kg N, 60 kg P 2 O 5 i 120 kg K 2 O. W ramach ochrony roślin aplikowano stosowne środki chwastobójcze przed siewem sorga i kukurydzy oraz inne zabiegi agrotechniczne zgodnie z zasadą dobrej praktyki rolniczej. W doświadczeniach wysiewano następujące odmiany porównywanych gatunków roślin: sorgo Sucrosorgo 506, kukurydzę Bułat, a tylko w 2011 r. Vitras i konopie włókniste

2 Białobrzeskie. Ilość wysiewu nasion wynosiła: sorga 10 kg/ha, kukurydzy 80 kg/ha, a konopi 30 kg/ha. Rośliny zbierano w fazie mleczno-woskowej dojrzałości nasion. Bezpośrednio po skoszeniu roślin pobierano próby w ilości 1 kg z poletka, rozdrabniano, oznaczano zawartość suchej masy i ciepła spalania przy pomocy kalorymetru w laboratorium chemicznym IWNiRZ. Wyniki doświadczeń określano w plonach zielonej i suchej masy z jednostki powierzchni pola, ciepła spalania i wydajności energetycznej. Koszty produkcji biomasy uzyskano z wyliczenia poniesionych nakładów na wytworzenie plonów suchej masy. Przyjęto stosowaną powszechnie metodę ustalania kosztów bezpośrednich (materiały, siła pociągowa, robocizna, usługi itp.) oraz pośrednich (podatki, ubezpieczenia, koszty ogólne itp.) na przykładzie poniesionych faktycznych nakładów w Zakładzie Doświadczalnym Stary Sielec 2. Wyniki badań i dyskusja Uzyskane wyniki doświadczeń wykonanych z sorgiem, kukurydzą i konopiami w latach przedstawiono w tabeli 1. Tab. 1. Plony suchej masy [t/ha] Rośliny energetyczne i sposób ich użytkowania t/ha Średnia wzgl. Sorgo na zieloną masę 25,3 22,5 30,4 24,5 38,0 28,1 100 Kukurydza na zieloną masę 22,2 15,5 22,4 17,4 29,1 21,3 75,8 Kukurydza na ziarno, w tym: - ziarno - słoma 27,6 10,9 16,7 17,5 6,28 11,2 29,8 10,9 18,9 20,3 5,21 15,1 27,8 10,4 17,4 24,6 8,74 15,9 87,5 - - Konopie na zieloną masę 16,0 14,4 18,4 9,20 14,6 14,5 51,6 Wskazują one na bardzo wysokie plony suchej masy sorga, niższe o ok. 25% kukurydzy oraz gorsze o dalsze 25% plony konopi włóknistych. Kukurydza i sorgo należą do tzw. roślin ciepłolubnych, które przy dostatecznej ilości wody w glebie podczas wegetacji dają bardzo dobre plony suchej masy. W 2008 r. w warunkach okresowej suszy glebowej plony suchej masy kukurydzy i konopi były o ok. 60% niższe od plonów sorga. Natomiast w 2010 r. wystąpiło w początku wegetacji roślin podtopienie pola doświadczalnego na wskutek

3 nadmiaru opadów deszczu w bardzo krótkim okresie czasu. Stąd ujemna reakcja konopi włóknistych na nadmiar wody była największa. Sorgo i kukurydza mniej zareagowały pogorszeniem wzrostu roślin i obniżeniem plonów suchej masy (tab. 1). Plony konopi włóknistych są średnio p ok. 25% niższe od plonów kukurydzy. Jednak w 2008 r., przy niedostatecznej ilości opadów atmosferycznych podczas wegetacji roślin, plony konopi były niższe tylko o 5% od plonów kukurydzy. Bowiem konopie posiadają lepiej rozwinięty od kukurydzy palowy system korzeniowy, który przy niedoborze opadów deszczu umożliwia korzystanie z wody i składników pokarmowych znajdujących się w głębszej warstwie gleby. Dzięki temu konopie poprawiają właściwości fizyczno-chemiczne górnej warstwy ornej i przez to wzrasta ich wartość jako przedplonu w zmianowaniu roślin. Tymczasem w naszym kraju zgodnie z ustawą o przeciwdziałaniu narkomanii nadal nie można wykorzystywać całych roślin konopi włóknistych do produkcji energii odnawialnej. Jedynie przy uprawie konopi na nasiona lub zbiór kwiatostanów na olejki eteryczne albo na włókno, można - tylko słomę oraz paździerze - przeznaczać na spalenie. Proporcjonalnie do wysokości plonów suchej masy porównywanych roślin, ukształtowała się wydajność energetyczna, przedstawiona w tabeli 2. Nieznaczne różnice w wartości ciepła spalania wynikają z odmiennej budowy i składu substancji organicznej, terminu jej zbioru oraz właściwości gatunkowych roślin. Natomiast poziom wydajności energetycznej z jednostki powierzchni pola zależy głównie od wysokości plonów suchej masy, doboru gatunku, a nawet odmiany oraz ilości dostępnej wody w okresie wegetacji i temperatury powietrza 1. W doświadczeniach polowych wykonanych w latach porównywano wydajności kukurydzy uprawianej zarówno na zieloną masę, jak też na ziarno. Uzyskane wyniki wskazują, że kukurydza zbierana w fazie pełnej dojrzałości ziarna plonowała ok. 12% wyżej od kukurydzy zbieranej w fazie mleczno-woskowej dojrzałości. Wyniki doświadczeń przedstawione w tabeli 2 wskazują, że opóźnienie zbioru kukurydzy zwiększa plony suchej masy, wartości ciepła spalania i wydajności energetycznej o ok. 18%. Można zatem stwierdzić, że opóźniając zbiór kukurydzy do pełnej dojrzałości ziarna, uzyskuje się podobną wydajność energetyczną do tej z biomasy sorga zbieranego w fazie mleczno-woskowej dojrzałości. Kukurydza koszona w pełnej dojrzałości ziarna kombajnem do zbioru zielonej masy (bez omłotu) umożliwia z pominięciem dodatkowego dosuszania zbelowanie biomasy i dostarczenie do spalania w elektrociepłowniach. Reasumując, na podstawie wyników wieloletnich doświadczeń polowych można rekomendować do produkcji biomasy na glebach gorszej przydatności rolniczej i w rejonach o małej ilości opadów atmosferycznych (< 550 mm) uprawę sorga i kukurydzy, które plonują średnio powyżej 20 ton/ha s.m., przy wydajności energetycznej GJ/ha.

4 Tab. 2. Wydajność energetyczna biomasy w latach Rośliny energetyczne Wartości Wydajności i sposób ich użytkowania Plony s.m. energetyczne energetyczne [t/ha] [GJ/t s.m.] w GJ/ha wzgl. Sorgo na zieloną masę 28,1 18, Kukurydza na zieloną masę 21,3 19, ,3 Kukurydza na ziarno, w tym: - ziarno 8,74 21, ,5 - słoma 15,9 20,9 Konopie na zieloną masę 14,5 19, ,0 W praktyce rolniczej wymienione wyżej gatunki roślin, skoszone dla potrzeb energetyki zawodowej, pozostają na polu do czasu wysuszenia biomasy do wilgotności 15-20%. Przesuszone rośliny trzeba następnie zbelować prasą wysokiego zgniotu w formie prostokątnych brył. W ten sposób przygotowaną i zagęszczoną biomasę można składować w polowych szopach, zabezpieczoną przed opadami atmosferycznymi. Następnie zaś dostarczać surowiec do zakładów energetycznych wg wcześniej ustalonego harmonogramu dostaw. Przyjmując informację przedstawioną przez dr. Tomasza Golca i innych w Czystej Energii 9/2010 o sposobie wykorzystywania biomasy rolniczej do współspalania z węglem, należy sądzić, że biomasa z roślin jednorocznych spełni oczekiwania energetyki zawodowej i pokryje zapotrzebowanie na surowce produkowane w kraju. W tym celu trzeba oczywiście podjąć stosowne działania organizacyjne i określić szczegóły techniczno-ekonomiczne interesujące zarówno producentów biomasy, jak też zakłady przetwórcze 3. W drugim wariancie wykorzystywania przesuszonej na polu biomasy można ją rozdrobnić i produkować brykiety lub pelety, stosownie do wymagań indywidualnych odbiorców lub z przeznaczeniem na eksport. Oczywiście dodatkowe koszty powyższego zagęszczenia biomasy muszą być uwzględnione w cenie surowca. Powodzenie w produkcji i wykorzystywaniu biomasy dla potrzeb energetyki zawodowej będzie zależało od wysokości kosztów pozyskiwania oraz możliwości ich zwrotu w cenie sprzedaży. Z uwagi na duży ruch cen środków produkcji i usług na wolnym rynku, zachodzi konieczność badania kosztów zarówno u producentów biomasy, jak też w zakładach energetycznych. Zatem pokrycie zapotrzebowania na biomasę po cenach opłacalnych zarówno dla producentów surowca, jak też i ich odbiorców będzie możliwe poprzez

5 podpisywanie dwustronnych umów, stanowiących gwarancję powodzenia i spełnienia oczekiwań zainteresowanych stron. Źródła 1. Burczyk H.: Produkcja i wykorzystanie biomasy roślin jednorocznych na potrzeby energii odnawialnej. Zagadnienia Doradztwa Rolniczego 4/ Burczyk H., Kowalska M.: Produktywność jednorocznych roślin energetycznych na glebach lekkich i przy niedoborze opadów. Materiały konferencyjne IUNG-PIB Puławy, r. 3. Golec T. i inni: Współspalanie biomasy z węglem. Czysta Energia 9/2010.