OCENA CYKLU ŻYCIA PRODUKCJI ROŚLIN ENERGETYCZNYCH 1

Transkrypt

1 Dr. inż. Michał Krzyżaniak, prof. dr hab. inż. Mariusz Stolarski Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Katedra Hodowli Roślin i Nasiennictwa Plac Łódzki 3, Olsztyn OCENA CYKLU ŻYCIA PRODUKCJI ROŚLIN ENERGETYCZNYCH 1 Wprowadzenie Europę, jak również cały świat trapi problem malejących zasobów paliw kopalnych. Szczyt wydobycia ropy już osiągnęliśmy. Teraz jej zasoby będą tylko maleć. Poważnym problemem jest również uzależnienie wielu krajów na świecie, w tym Polski, od dostaw surowców kopalnych z zewnątrz [Eurostat 2013], co może prowadzić do niestabilności ich cen na rynku jak i na próbach szantażu energetycznego. Kolejnym niekorzystnym aspektem przeciwko wykorzystaniu powyższych surowców jest efekt cieplarniany. Jedną z przyczyn ocieplania się klimatu są emisje gazów cieplarnianych m.in. z wykorzystania surowców kopalnych. Rośliny energetyczne, zarówno jednoroczne oleiste jak i wieloletnie lignocelulozowe są obiecującym źródłem biomasy na cele energetyczne, biopaliw transportowych oraz wyrobów chemicznych. Przykładami takich gatunków jest wierzba (Salix L.) oraz katran abisyński (Crambe abyssinica Hochst. ex R.E. Fries). Wysokoplonujące odmiany wierzby można wykorzystać na cele energetyczne (produkcja ciepła i energii elektrycznej), produkcji paliw transportowych, dodatków i materiałów budowlanych, wysokiej jakości celulozy na cele chemiczne, czy salicylanów na cele farmaceutyczne [Doherty i in. 2011, Krzyżaniak i in. 2014, Liu i in. 2012, Stolarski i in. 2013a]. Natomiast katran abisyński jest rośliną oleistą z rodziny kapustowatych, w którym zawartość kwasu erukowego wynosi powyżej 54% [Kulig and Pisulewska 2000, Laghetti i in. 1995, Lazzeri i in. 1994]. Olej katranu może mieć zastosowanie jako paliwo transportowe, smary, dodatki do gumy, nylon, dodatek do farb i powłok lakierniczych, wysokotemperaturowych olejów hydraulicznych, wosków i innych produktów [Falasca i in. 2010, Stolarski i in. 2013b, Wang i in. 2000]. Produkcja paliw, energii czy związków chemicznych z biomasy energii powinna być realizowana w sposób zrównoważony i w jak najmniejszym stopniu wpływającym na środowisko. Narzędziem umożliwiającym zbadanie lub porównanie tego wpływu roślin na cele przemysłowe (lub jakiegokolwiek dowolnego produktu) jest ocena cyklu życia. Jest to zorganizowana, kompleksowa oraz międzynarodowo znormalizowana metoda. Zlicza ona wszystkie znaczące emisje i zużyte środki produkcji, wpływy na środowisko i zdrowie ludzkie jak i wy- 1 Poniższa praca będąca streszczeniem dwóch publikacji naukowych: 1. Krzyżaniak M., Stolarski MJ., Szczukowski S., Tworkowski J Life cycle assessment of willow produced in short rotation coppices for energy purposes. Journal of Biobased Materials and Bioenergy 7 (5): Krzyżaniak M., Stolarski M,. Śnieg M., Christou M., Alexopoulou E Life cycle assessment of Crambe abyssinica production for an integrated multi-product biorefinery. Environmental Biotechnology 9(2): Stanowi treść referatu prezentowanego 20 listopada 2014 na XII Konferencji Odnawialne Źródła Energii w Płońsku zorganizowanej przez Mazowiecki Ośrodek Doradztwa Rolniczego w Warszawie Oddział Poświętne w Płońsku i opublikowany w materiałach konferencyjnych.

2 czerpywanie zasobów naturalnych powiązane z wytwarzaniem danego dobra lub usługi (produktu) [Wspólnota Europejska 2010]. Dzięki powyższej metodzie możliwe jest określenie pełnego wpływu wykorzystanych środków produkcji, maszyn, urządzeń oraz energii na środowisko podczas produkcji roślinnej. Olej katranu oraz dendromasa wierzby mają być substytutem dla paliw kopalnych i roślin żywieniowych. Ważne jest zatem określenie ich wpływu na środowisko stawianego biomasowym surowcom odnawialnym. Dlatego też w poniższej pracy zaprezentowano skrócone wyniki wpływu na środowisko uprawy wierzby w dwóch cyklach zbioru: jednorocznym i trzyletnim oraz przedstawiono oddziaływanie na środowisko produkcji katranu abisyńskiego, w porównaniu do rzepaku jarego. Produkcja biomasy wierzby Ocena cyklu życia wierzby uprawianej w jednorocznej rotacji wykazała, że wpływa ona niekorzystniej na środowisko we wszystkich kategoriach LCA w porównaniu do trzyletniej rotacji zbioru (rys. 1). Emisja ekwiwalentów dwutlenku węgla w jednorocznej rotacji wynosiła 1,19 Mg ekw. CO 2 ha -1 rok -1 i była 7-krotnie wyższa niż z uprawy wierzby w trzyletniej rotacji zbioru (0,17 Mg ekw. CO 2 ha -1 rok -1 ). W kategorii toksyczność dla ekosystemów lądowych, emisja ekwiwalentów1-4 D,B (1,4-Dichlorobenzenu) była o 60% wyższa w przypadku produkcji biomasy w rotacji jednorocznej niż w trzyletniej. Wpływ eutrofizacji, zakwaszenia, zubożenia zasobów kopalnych oraz toksyczności dla ekosystemów wodnych w uprawie wierzby w rotacji jednorocznej był nawet dwukrotnie wyższy niż w trzyletniej rotacji zbioru. ekosystemy lądowe wody słodkie Globalne ocieplenie Eutrofizacja Zakwaszenie Zubożenie zasobów 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Rotacja 1-roczna Rotacja 3-letnia Rys. 1. Porównanie wpływu na środowisko uprawy wierzby w rotacji jednorocznej oraz trzyletniej w wybranych kategoriach LCA Źródło: Krzyżaniak i in. 2013a Procesem najsilniej wpływającym na środowisko w sześciu wybranych kategoriach wpływu, w jednorocznej rotacji, była produkcja i stosowanie nawozów mineralnych NPK (rys. 2). Najwyższy udział tego procesu odnotowano w toksyczności dla ekosystemów wodnych

3 (92,1%). Również wysoki udział tego procesu (ponad 80%) określono w kategorii eutrofizacja oraz globalne ocieplenie. W pozostałych kategoriach zawierał się on w przedziale 59,9-69,7%. Wskazuje to na bardzo wysokie oddziaływanie na środowisko produkcji nawozów i nawożenia mineralnego wierzby, który wykonuje się po każdym zbiorze roślin. Kolejnym procesem wpływającym na środowisko był transport ciągnikowy z plantacji na teren gospodarstwa wynoszący ponad 15% w kategoriach zubożenia zasobów kopalnych oraz zakwaszenia. W pozostałych kategoriach wynosił on od 9,7% do 2,5%. Trzecim co do wielkości wpływem na środowisko w produkcji biomasy wierzby charakteryzował się transport drogowy zrębków. Udział pozostałych procesów produkcyjnych biomasy był niższy niż 8%. Warte zauważenia jest, że sekwestracja węgla organicznego, powstałego z obumarłych liści, korzeni i pędów wierzby, obniżała wpływ na globalne ocieplenie o ponad 33% (rys. 2). ekosystemy lądowe wody słodkie Globalne ocieplenie Eutrofizacja Zakwaszenie Zubożenie zasobów -40% -20% 0% 20% 40% 60% 80% 100% Odchwaszczanie chemiczne Talerzowanie Produkcja i stosowanie nawozów Orka przedzimowa Bronowanie Procesy zwiazane z sadzeniem Odchwaszczanie chemiczne (2) Pielenie mechaniczne Zbiór jednoetapowy Transport polowy Przeładunek Transport drogowy Likwidacja plantacji Sekwestracja węgla Rys. 2. Wpływu etapów produkcji wierzby (1 ha), w cyklu jednorocznym, na środowisko w poszczególnych kategoriach wpływu Źródło: Krzyżaniak i in. 2013a Najniekorzystniejszym procesem wpływającym na środowisko, w uprawie wierzby w trzyletniej rotacji zbioru, podobnie jak i w rotacji jednorocznej, była produkcja i stosowanie nawozów mineralnych. Proces ten stanowił ponad 80% w kategoriach toksyczność dla ekosystemów lądowych oraz wodnych. Również bardzo wysoki wpływ nawożenia odnotowano w kategorii eutrofizacja. W pozostałych kategoriach wpływu na środowisko proces ten zawierał się w przedziale od 35,8% do 63,9%. Należy nadmienić, że emisja gazów cieplarnianych z procesu globalnego ocieplenia obniżyła się o 78% z uwagi na wysoką sekwestrację węgla organicznego w glebie, przy uprawie wierzby w tej rotacji zbioru (rys. 3). Kolejnym zauważalnym procesem oddziałującym na środowisko był transport drogowy zrębków wierzby do zakładu konwersji biomasy (udział od 4,9 do 22,8%) oraz transport polowy i

4 zbiór jednoetapowy wierzby w kategoriach zakwaszenie i zubożenie zasobów kopalnych (ponad 10%). ekosystemy lądowe wody słodkie Globalne ocieplenie Eutrofizacja Zakwaszenie Zubożenie zasobów -80% -60% -40% -20% 0% 20% 40% 60% 80% 100% Odchwaszczanie chemiczne Talerzowanie Produkcja i stosowanie nawozów Orka przedzimowa Bronowanie Procesy zwiazane z sadzeniem Odchwaszczanie chemiczne (2) Pielenie mechaniczne Zbiór jednoetapowy Transport polowy Przeładunek Transport drogowy Likwidacja plantacji Sekwestracja węgla Rys. 3. Wpływu etapów produkcji wierzby (1 ha), w cyklu trzyletnim, na środowisko w poszczególnych kategoriach wpływu Źródło: Krzyżaniak i in. 2013a Produkcja katranu abisyńskiego Analiza porównawcza oceny cyklu życia wykazała, że uprawa rzepaku jarego w przeliczeniu na 1 ha, najniekorzystniej wpływa na środowisko w 5 na 6 kategorii wpływu (rys. 4). Oddziaływanie produkcji katranu było niższe od 8% w kategorii globalnego ocieplenia (emisja 2,14 Mg ekw. CO 2 ha -1 rok -1 dla katranu i 2,34 Mg ekw. CO 2 ha -1 rok -1 ) do 27% niższe w kategorii eutrofizacji. Niższe wartości wskaźników kategorii wpływu przy uprawie katranu są ściśle związane z wyższym użyciem środków produkcji w systemie uprawy rzepaku. Tylko w kategorii toksyczność dla ekosystemów lądowych uprawa katranu przewyższała wpływ na środowisko rzepaku jarego o 67%. Wyższe oddziaływanie w tej kategorii związany był z ilością materiału siewnego użytego do wysiewu. Dla rzepaku, ilość ta wynosiła 3 kg ha -1 natomiast dla katranu abisyńskiego było to 15 kg ha -1.

5 % Zubożenie zasobów Zakwaszenie Eutrofizacja Globalne ocieplenie wody słodkie Rzepak jary Katran abisyński ekosystemy lądowe Rys. 4. Porównanie oddziaływania na środowisko produkcji rzepaku jarego i katranu abisyńskiego w przeliczeniu na powierzchnię 1 ha Źródło: Krzyżaniak i in. 2013b W systemie uprawy katranu proces nawożenia mineralnego (NPK) dominował w pięciu na sześć kategorii wpływu (rys. 5), od 83% dla eutrofizacji do 41% dla toksyczności dla ekosystemów w wodach słodkich. Natomiast przy siewie roślin najwyższe oddziaływanie miał proces produkcji nasion i siew (87%). W systemie produkcji rzepaku jarego nawożenie azotem jak i łączne nawożenie NPK miało również najwyższy udział w tych samych kategoriach co dla katranu abisyńskiego (rys. 6). Proces ten miał już jednak procentowy niższy udział niż w systemie uprawy katranu. Wiąże się to z większą ilością procesów (wejść) w produkcji rzepaku np. stosowanie pestycydów, fungicydów oraz większej ilości procesów agrotechnicznych. Ponadto w toksyczności dla ekosystemów lądowych najwyższy wpływ na środowisko (54%) miał proces siewu, co wiąże się z wysoką chemizacją produkcji materiału siewnego.

6 % 100 Transport Zbiór 80 Desykacja Herbicyd 2 60 Siew Bronowanie 40 Nawożenie N Nawożenie PK 20 Talerzowanie Orka 0 Zubożenie zasobów Zakwaszenie Eutrofizacja Globalne ocieplenie wody słodkie ekosystemy lądowe Herbicyd 1 Rys. 5. Oddziaływanie etapów produkcji katranu abisyńskiego na środowisko w poszczególnych kategoriach wpływu Źródło: Krzyżaniak i in. 2013b % 100 Transport Zbiór 80 Regulator wzrostu Pestycyd 2 60 Pestycyd 1 Fungicyd Talerzowanie 40 Herbicyd Siew 20 Nawożenie N Nawożenie PK 0 Zubożenie zasobów Zakwaszenie Eutrofizacja Globalne ocieplenie wody słodkie ekosystemy lądowe Rys. 6. Oddziaływanie etapów produkcji rzepaku jarego na środowisko w poszczególnych kategoriach wpływu Źródło: Krzyżaniak i in. 2013b Orka 2 Orka 1 Literatura 1. Doherty W.O.S., Mousavioun P., Fellows C.M Value-adding to cellulosic ethanol: Lignin polymers. Industrial Crops and Products, 33: Eurostat Energy, transport and environment indicators. Eurostat, Luksemburg, ss. 247.

7 3. Falasca S.L., Flores N., Lamas M.C., Carballo S.M., Anschau A Crambe abyssinica: An almost unknown crop with a promissory future to produce biodiesel in Argentina. International Journal of Hydrogen Energy, 35: Krzyżaniak M., Stolarski M.J., Szczukowski S., Tworkowski J. 2013a. Life cycle assessment of willow produced in short rotation coppices for energy purposes. Journal of Biobased Materials and Bioenergy, 7 (5): Krzyżaniak M., Stolarski M,. Śnieg M., Christou M., Alexopoulou E. 2013b. Life cycle assessment of Crambe abyssinica production for an integrated multi-product biorefinery. Environmental Biotechnology, 9(2): Krzyżaniak M., Stolarski M.J., Waliszewska B., Szczukowski S., Tworkowski J., Załuski D., Śnieg M Willow biomass as feedstock for an integrated multi-product biorefinery. Industrial Crops and Products, 58: Kulig B., Pisulewska E Plon i skład chemiczny owocków genotypów katranu abisyńskiego (Crambe abyssinica Hochst.) w zależności od sezonu wegetacyjnego. Rośliny Oleiste, 21: Laghetti G., Piergiovanni A.R., Perrino P Yield and oil quality in selected lines of Crambe abyssinica Hochst. ex R.E. Fries and C. hispanica L. grown in Italy. Industrial Crops and Products, 4: Lazzeri L., Leoni O., Conte L.S., Palmieri S Some technological characteristics and potential uses of Crambe abyssinica products. Industrial Crops and Products, 3: Liu S., Lu H., Hu R., Shupe A., Lin L., Liang B A sustainable woody biomass biorefinery. Biotechnology Advances, 30: Stolarski M.J., Krzyzaniak M., Waliszewska B., Szczukowski S., Tworkowski J., Zborowska M. 2013a. Lignocellulosic biomass derived from agricultural land as industrial and energy feedstock. Drewno, 18: Stolarski M., Krzyżaniak M., Śnieg M., Christou M., Alexopolou E. 2013b. Production costs and residues evaluation of Crambe abyssinica as an energy feedstock. Environmental Biotechnology, 9: Wang Y.P., Tang J.S., Chu C.Q., Tian J A preliminary study on the introduction and cultivation of Crambe abyssinica in China, an oil plant for industrial uses. Industrial Crops and Products, 12: Wspólnota Europejska ILCD Handbook. General guide for Life Cycle Assessment detailed guidance. Publications Office of the European Union, Luksemburg, ss. 398.