Wykorzystanie biomasy z plantacji szybko rosnących drzew topoli i wierzby do celów energetycznych

Transkrypt

1 Wykorzystanie biomasy z plantacji szybko rosnących drzew topoli i wierzby do celów energetycznych Włodzimierz Majtkowski Ogród Botaniczny IHAR PIB w Bydgoszczy XIII Forum OZE Przysiek, r. Topola w układzie szpalerowym

2 Plan prezentacji Kolekcja roślin do celów energetycznych w Ogrodzie Botanicznym IHAR w Bydgoszczy. Waloryzacja roślin drzewiastych szybkiej rotacji. Podsumowanie doświadczeń. Czy OZE się opłaca? - udział OZE w Unii Europejskiej i w Polsce, - uprawa i wykorzystanie biomasy z SRC w Polsce przykłady.

3 Kolekcja roślin energetycznych w Ogrodzie Botanicznym KCRZG IHAR-PIB w Bydgoszczy Gromadzenie gatunków roślin, które mogą być źródłem biomasy do celów energetycznych rozpoczęto w 1994 r. W kolekcji gromadzono i waloryzowano popularne gatunki uprawiane na cele energetyczne, takie jak: wierzba, topola, ślazowiec pensylwański, miskant olbrzymi oraz inne potencjalne gatunki, które w przyszłości mogą być stosowane na plantacjach energetycznych. Ocena roślin do celów energetycznych prowadzona była na podstawie: badań prowadzonych na plantacjach produkcyjnych (np. w ramach grantu EOG nr PL 0073 w latach ), doświadczeń polowych prowadzonych na terenie Ogrodu Botanicznego KCRZG w Bydgoszczy oraz na terenach zdegradowanych wymagających rekultywacji (w ramach PW MRiRW zad ).

4 Definicje. Rośliny energetyczne - gatunki, które uprawiane są na gruntach rolnych na potrzeby produkcji produktów energetycznych: biopaliw i biokomponentów, energii cieplnej lub elektrycznej (Rozporządzenie Rady (WE) nr 1782/2003 art. 88, z r. ). Idealna roślina energetyczna - powinna cechować się następującymi właściwościami: wieloletnim charakterem wzrostu i rozwoju, generatywnym sposobem rozmnażania, szybkim wzrostem na początku wegetacji oraz dużą zdolnością krzewienia i rozgałęziania się roślin, wysoką produktywnością fotosyntetyczną, dużym udziałem łodyg w biomasie, niskimi wymaganiami wodnymi i tolerancją na suszę, szybkim wysychaniem roślin w czasie zimy co powoduje, że w czasie zbioru biomasa charakteryzuje się niską zawartością wody, wysoką produkcją biomasy, dobrymi parametrami jakościowymi biomasy związanymi z jej spalaniem [Chołuj i Podlaski, 2008*], a także opłacalnością finansową dla producenta (uz. W. Majtkowski). *Chołuj D., Podlaski S Kompleksowa ocena biologicznej przydatności 7 gatunków roślin wykorzystywanych w uprawach energetycznych. (W:) Gradziuk P. (red.) Energia odnawialna. Wyd. Wieś Jutra Sp. z o.o., Warszawa, ISBN :

5 Definicje cd. Drzewiaste plantacje krótkiej rotacji (SRWC*) - określenie odnoszące się do plantacji drewna twardego, rosnącego szybko w początkowej fazie wzrostu oraz mogącego rozmnażać się poprzez sadzonki oraz pędy, a zbiór biomasy odbywa się w kilkuletnich cyklach. W prawie Unii Europejskiej funkcjonuje pojęcie zagajnik o krótkiej rotacji, które zdefiniowano jako obszar obsadzony gatunkami drzew, których czas rotacji wynosi maksymalnie 20 lat i których korzenie lub pniaki pozostają po zbiorach w ziemi i w kolejnym sezonie wypuszczają pędy [Kwaśnicka i Quinkenstein 2011**]. * skrót od ang. short-rotation woody crops **Kwaśnicka K., Quinkenstein A Uwarunkowania prawne dla plantacji roślin drzewiastych o krótkiej rotacji i systemów agroleśnych w zakresie produkcji biomasy drzewnej w Niemczech. Roczniki Naukowe Stowarzyszenia Ekonomistów Rolnictwa i Agrobiznesu 13, 4:

6 II. Waloryzacja roślin drzewiastych szybkiej rotacji Topola energetyczna (Populus sp.) Sztobry VI.2006 r. I sezon X.2006 r. Sadzonki (sztobry) topoli energetycznej JAP-104 (krzyżówka topoli białej z topolą czarną) pochodziły z Austrii z miejscowości Wippenham (region Innviertel w Górnej Austrii), gdzie topola jest uprawiana na cele energetyczne. Sztobry wysadzono w kolekcji w czerwcu 2006 r., w rozstawie 1 x 1,5 m (= 6666 roślin/ha), w dwóch wariantach: A - w układzie poletkowym wielorzędowym (9 rzędów po 18 roślin/rząd), B - w układzie szpalerowym 3 rzędowym; założono 2 szpalery, w tym jeden na osi PN-PD (długość szpaleru - 30 m), drugi na osi WSCH-ZACH (długość szpaleru - 15 m).

7 Topola JAP 104 metodyka badań Wariant A: począwszy od 2009 r. każdego roku wycinano po 10 roślin (bez powtórzeń), tzn. do 2015 r. zbadano plon roślin 3-9-letnich. W 2015 r. zebrano również II plon z roślin, ściętych po raz pierwszy w 2009 r. (odrosty 6-letnie), w 2010 r. (odrosty 5-letnie) oraz w 2011 r. (odrosty 4-letnie). Wariant B: waloryzację prowadzono w marcu 2015 r. (szpaler na osi PN-PD, wycinano po 18 roślin w 3 powtórzeniach) i w marcu 2016 r. (szpaler na osi WSCH-ZACH, wycinano po 12 roślin w 3 powtórzeniach). Cechy oceniane w obu wariantach: - plon biomasy [kg/rośl.], - wysokość roślin [cm], - średnica lub obwód pnia na wysokości 130 cm [cm], - wilgotność drewna [%].

8 Topola JAP 104, wariant poletkowy wyniki waloryzacji Data zbioru/wiek roślin Średnica [cm] Wysokość [m] Waga [kg św.m./rośl.] Wilgotność [% p.s.m.] Waga [kg p.s.m./rośl.] (zbiór I, rośliny 3-letnie) (zbiór I, rośliny 4-letnie) (zbiór I, rośliny 5-letnie) (zbiór I, rośliny 6-letnie) (zbiór I, rośliny 7-letnie) (zbiór I, rośliny 8-letnie) (zbiór I, rośliny 9-letnie) (rośliny 9-letnie, zbiór II, pędy 6-letnie) 4,62 5,28 5,95 50,45 2,95 5,31 7,28 11,67 54,52 5,31 7,41 8,34 19,38 52,69 9,18 6,75 9,47 20,15 54,65 9,14 8,6 11,39 33,66 54,90 15,18 7,97 10,92 26,13 52,70 12,36 8,14 11,08 28,14 53,97 12,95 10,57 10,77 69,58 53,70 32,21 (= 215 t/ha) (rośliny 9-letnie, zbiór II, pędy 5-letnie) 7,08 9,08 20,34 53,62 9, (rośliny 9-letnie, zbiór II, pędy 4-letnie) 4,73 6,6 8,50 51,43 4,13

9 Data zbioru/wiek roślin Zbiór Szpaler na osi PN-PD Zbiór Szpaler na osi WSCH-ZACH Topola JAP 104, wariant szpalerowy wyniki waloryzacji Obwód [cm] Wysokość [m] Waga [kg św.m./rośl.] Wilgotność [% p.s.m.] 42,74 12,51 111,24 53,97 11,99 12,38 73,62 53,62 Waga [kg p.s.m./rośl.] 51,20 (= 341 t/ha) 34,14 (= 228 t/ha) Topola JAP 104, szpaler na osi PN-PD Topola JAP 104, szpaler na osi WSCH-ZACH Wierzba Miskant cukrowy Wierzba Miskant olbrzymi Miskant chiński

10 Waloryzacja roślin drzewiastych szybkiej rotacji Wierzba wiciowa (Salix viminalis) Kolekcja wierzby do celów energetycznych liczy 10 odmian, które wysadzone były w latach Rok włączenia do kolekcji Gudrun Karin Olof Sven Tora Tordis Torhild Pochodzenie: "Agrobransle" AB, Svalov/SWE Sprint Start Turbo Pochodzenie: Uniwersytet Warmińsko- Mazurski w Olsztynie

11 Wierzba wiciowa (Salix viminalis) metodyka badań Sadzonki wierzby w ilości 200 szt./odmianę wysadzano w układzie poletkowym wielorzędowym, w rozstawie 0,7 x 0,7 m (= roślin/ha). Poletka o powierzchni 96,25 m² podzielono na 3 części, na których waloryzację prowadzono w zależności od częstotliwości koszenia, tj. co roku, co 2 lata i co 3 lata. W badaniach nie oceniano roślin brzeżnych. Oceniane cechy: - plon biomasy [kg/m²], - wysokość roślin [cm], - średnica pnia na wysokości 130 cm [cm], - wilgotność biomasy [%], - wartość opałowa [MJ/kg].

12 Wierzba wiciowa (Salix viminalis) wyniki waloryzacji Badania nad częstotliwością koszenia wierzby prowadzono w latach Badania wykazały, że: najwyższe plony wierzby uzyskiwano w cyklach 3-letnich (od 3,9 do 4,8 kg św.m./m² (= 39 do 48 t/ha), coroczny zbiór biomasy prowadził do spadku plonowania i w konsekwencji do zamierania roślin; najbardziej wrażliwe okazały się odmiany TORHILD i TORDIS, które wyginęły w 5 roku waloryzacji, na wilgotność biomasy wpływała częstotliwość zbioru, tj. najbardziej wilgotne były pędy zbierane co roku (48,2% w przeliczeniu na p.s.m.), najmniej pędy 3-letnie (43,3% p.s.m.), wilgotność pędów 2- letnich wyniosła 47,6% p.s.m., wartość opałowa świeżych zrębków wierzbowych wynosiła 1,6 MJ/kg, po sezonowaniu przez okres 12 miesięcy wzrosła do 6,7 MJ/kg, a po następnych 6 miesiącach do 9,7 MJ/kg (wilgotność spadła do 17,2%).

13 Wyniki doświadczeń powadzonych przez COBORU Metody i warunki badań Doświadczenie polowe założono wiosną 2010 roku w ZDOO Śrem Wójtostwo w układzie split-block, w których badano 22 odmiany wierzby uprawianej na cele energetyczne (12 odmian polskich, oraz 10 odmian szwedzkich), w dwóch gęstościach sadzenia (13,3 tys./ha oraz 32,5 tys. ha), w dwóch powtórzeniach. Cięcie wyrównawcze przeprowadzono w okresie od do roku, a zbiór wykonano w okresach do roku, do roku (po zalaniu) oraz roku. Oznaczono następujące cechy: długość pędu (cm), średnica pędu (mm), zawartość suchej masy (%), plon świeżej i suchej masy (dt/ha), wilgotność zrębków w czasie zbioru (%). Wyniki Średni plon świeżej masy wierzby energetycznej dla trzech przeprowadzonych zbiorów kształtował się w zakresie od 35,1 t/ha (zbiór po 1 roku użytkowania) do 95,8 t/ha (plantacje dwuletnie), natomiast plon suchej masy wynosił odpowiednio: 16,2 i 45,8 t/ha. Gęstość sadzenia nie wpłynęła istotnie na wielkość tych cechy. Średnia długość pędu wynosiła 435 cm, a jego średnica 18,5 mm. Cechy te były uzależnione od odmian, natomiast gęstość sadzenia nie miała istotnego wpływu na ich wielkość. Odmiany najlepiej plonujące to Tordis, Inger, Tora, Klara, a najsłabiej: Karolinka, Gudrun, Karin i Monotur. Źródło: Kulig B., Gacek E.S., Lepiarczyk A., Wojciechowski R., Kołodziejczyk M., Oleksy A., Ślizowska A. Zróżnicowanie wybranych cech odmian wierzby energetycznej w zależności od gęstości sadzenia. W: VII Konferencja Naukowa Polskiego Towarzystwa Agronomicznego Bioróżnorodność nowe wyzwania dla rolnictwa w Polsce. Polskie Towarzystwo Agronomiczne, Oddział w Rzeszowie, Rzeszów, września 2017 r.: 102.

14 Podsumowanie doświadczeń Uzyskane wyniki badań wskazują na możliwość zastosowania roślin drzewiastych szybkiej rotacji do celów energetycznych. Wadą tej grupy roślin, w porównaniu do traw z rodzaju Miscanthus jest niska wartość energetyczna zebranej biomasy spowodowana wysoką wilgotnością i konieczność jej sezonowania. Zaletą biomasy drzewnej jest natomiast niższa zawartość chloru i pierwiastków alkalicznych. Na uwagę zasługuje uprawa topoli w szpalerach śródpolnych. Korzyścią z uprawy w tej technologii jest możliwość uzyskiwania plonów biomasy energetycznej w wysokości ponad 200 t s.m./ha w 9-10 roku uprawy. Nasadzenia śródpolne spełniają ponadto szereg pozytywnych funkcji, takich jak: poprawa mikroklimatu, zwiększenie bioróżnorodności, poprawa stosunków wilgotnościowych, zatrzymywanie śniegu, wiatru, urozmaicanie krajobrazu; stanowią bazę pokarmową i lęgową ptaków, nietoperzy i innych pożytecznych organizmów, chronią przed kurzem i hałasem. Stanowią naturalną strefę osłonową dla upraw sadowniczych, zakładów przetwórstwa i składowania odpadów, biogazowni, elektrowni słonecznych itp. (funkcje estetyczne).

15 Udział OZE w konsumpcji energii w Europie Źródło:

16 OZE w Europie cd. Unijna agencja statystyczna Eurostat w III.2017 r. podała, że udział energii odnawialnej w konsumpcji energii na terenie Unii Europejskiej w 2015 r. wyniósł 16,7%, niemal podwajając się od roku 2004, kiedy wyniósł 8,5%. Ogólny unijny cel na rok osiągnięcie 20% udziału zielonej energii w konsumpcji energii w UE, przy czym dla każdego z krajów UE wyznaczono indywidualny cel OZE. 11 krajów UE już w 2015 r. osiągnęło cel OZE, który powinny zrealizować w roku 2020: Szwecja, dla której cel na 2020 wyznaczono na 49%, a która już w 2015 r. osiągnęła poziom 53,9%, Finlandia (38/39,3%), Dania (30/30,8%), Chorwacja (20/29%), Estonia (25/28,6%), Litwa (23/25,8%), Rumunia (24/24,8%), Bułgaria (16/18,2%), Włochy (17/17,5%), Czechy (13 /15,1%) oraz Węgry (13/14,5%). W Polsce udział OZE w krajowej konsumpcji energii w 2015 r. wyniósł 11,8% (wzrost z 11,5% w roku 2014 oraz 11,4% w roku 2013). Cel wyznaczony dla naszego kraju na rok 2020 to 15%. Źródło: Eurostat (

17 OZE w Europie cd. Źródło: Öko-Institut

18 OZE w Europie cd. Zapewnianie ogrzewania i chłodzenia z odnawialnych źródeł energii w UE 28 z podziałem na źródła Źródło: EUROSTAT, Öko-Institut, PART-1.PDF

19 Uprawy wieloletnich roślin energetycznych w Polsce w latach [ha] Województwo Dolnośląskie 623,62 642,88 863,49 978, ,93 Kujawsko-pomorskie 186,10 272,18 268,28 319,49 634,95 Lubelskie 351,95 418,53 538,76 568,79 600,25 Lubuskie 787,23 881,44 757,83 789,26 805,53 Łódzkie 128,84 244,64 288,21 316,88 354,46 Małopolskie 105,85 121,00 127,68 154,50 168,74 Mazowieckie 331,27 472,46 523,15 510,25 596,42 Opolskie 169,12 277,72 282,72 295,39 349,26 Podkarpackie 883,74 940, , , ,25 Podlaskie 345,59 472,43 511,46 434,07 477,68 Pomorskie 547,24 669, , , ,88 Śląskie 105,49 259,19 274,16 306,27 266,37 Świętokrzyskie 174,65 181,37 183,38 200,99 389,46 Warmińsko-mazurskie 523,19 791, , , ,57 Wielkopolskie 196,43 405,71 426,45 450,70 472,02 Zachodniopomorskie 678,34 568,92 532,82 725, ,63 Razem 6192, , , , ,14 Źródło: opracowanie R. Gajewski, prezes zarządu Polskiej Izby Biomasy, na podstawie danych ARiMR [2015]

20 Uprawy wieloletnich roślin energetycznych w Polsce w latach [ha] 4000 [ha] Źródło: opracowanie R. Gajewski, prezes zarządu Polskiej Izby Biomasy, na podstawie danych ARiMR [2015]

21 Powierzchnia uprawy głównych wieloletnich gatunków roślin energetycznych (wre) w Polsce* Gatunek Powierzchnia uprawy wre ogółem Rok 2014 Rok 2016 [ha] [%] [ha] [%] Wierzba , ,4 Topola , ,3 Miskant olbrzymi 992 7, ,2 Pozostałe wre 658 4, ,1 Źródło ARiMR 2015 ARiMR 2016 * podano za: Anną Grzybek

22 Co uprawiać? Krajowe odmiany wierzby, chronione wyłącznym prawem Nazwa odmiany Nr wpisu Data wpisu Data wygaśnięcia Hodowca Delta O UWM Olsztyn Dobkowska O J. W. Dubas Ekotur O UWM Olsztyn Karolinka O J. W. Dubas Kerim O M. Maciocha Kortur O UWM Olsztyn Marcel O J. W. Dubas Monotur O UWM Olsztyn Oltur O UWM Olsztyn Paulinka O J. W. Dubas Sprint O UWM Olsztyn Start O UWM Olsztyn Tur O UWM Olsztyn Turbo O UWM Olsztyn Viva O UWM Olsztyn Żubr O UWM Olsztyn Wolany O TO 1857* SPECMOT Kłodzko Źródło: COBORU * w badaniach OWT

23 Czy warto uprawiać SRWC? Przykład 1. Na własne potrzeby Gospodarstwo Agroenergetyczne Roszak (Bronisław, gmina Dobre, pow. radziejowski). W gospodarstwie uprawiana jest topola energetyczna odmiany JAP-104, pochodząca z Wippenham (Austria), podobnie jak genotyp wysadzony w Ogrodzie Botanicznym IHAR w Bydgoszczy. Sztobry w ilości szt. wysadzono na polu o powierzchni 1 ha w układzie rzędowo-pasowym, tj. w podwójnych rzędach co cm pomiędzy pojedynczymi rzędami i cm pomiędzy roślinami w rzędzie. Szerokość międzyrzędzi = 300 cm pomiędzy kolejnymi podwójnymi rzędami została dostosowana do zbioru ręcznego na drewno kawałkowe. Pozwala na wjazd ciągnika z przyczepą w celu wywiezienia ściętych drzew z plantacji. Zbiór biomasy przeprowadza się co 4 5 lat; do ścięcia drzew co roku z 1/4-1/5 powierzchni plantacji wystarcza piła spalinowa. Biomasa z plantacji topoli o powierzchni 1 ha wystarcza do ogrzania domu o powierzchni 200 m² Po 2 miesiącach

24 Gospodarstwo Agroenergetyczne Roszak w Bronisławiu 5 miesięcy od wysadzenia Produkcja opału, zbiór co 4-5 lat Przychód = aktualny koszt zakupu opału, Koszt = sadzonki raz na 25 lat, pielęgnacja, ręczny zbiór - praca głównie zimą, Zysk = różnica: aktualny koszt zakupu opału minus zysk z 1 ha uprawy rolniczej, Korzyść = rolnik poświęca swój czas, a w kieszeni zostają pieniądze.

25 Czy warto uprawiać SRWC? Przykład 2. Na skalę przemysłową Kwidzyn przemysł celulozowo-papierniczy Uprawę topoli w okolicach Kwidzyna rozpoczęto wiosną 2010 r., kiedy to pilotażowo założono ok. 180 ha plantacji topolowych. Zapotrzebowanie International Paper Kwidzyn Sp. z o.o. dotyczy nie tylko surowca do produkcji celulozy (papierówka), ale także biomasy do celów energetycznych. Agrotechnika zakładania i prowadzenia plantacji zależy od celu produkcji: biomasa do celów energetycznych wysadzane są sztobry o długości 21,5 cm, w liczbie do 5500 szt./ha; częstotliwość zbioru co 3 lata, biomasa do produkcji surowca papierniczego jako materiał sadzeniowy stosuje się dwumetrowe żywokoły w ilości szt./ha; cykle zbioru nie krótsze niż 5-letnie, najczęściej 10-letnie. Źródło: Bodył M.

26 Topola w Kwidzynie cd. Powierzchnia plantacji topolowych, z których pozyskiwana jest biomasa dla IP Kwidzyn wynosi obecnie ponad ha netto. Zlokalizowane są na terenie kilku województw: pomorskiego, kujawskopomorskiego, zachodniopomorskiego i warmińsko-mazurskiego. Źródło: Dawid Samulewicz, MBA, GreenWood Resources Poland Sp. z o.o. (także zdjęcia) Opłacalność: rolnik dzierżawiący swoją ziemię pod uprawę topoli na biomasę może oczekiwać zysku rzędu 30 tys. zł za hektar w ciągu 16 lat (4 pełne cykle), rolnik uprawiający topole samodzielnie może oczekiwać potencjalnego zysku około 45 tys. zł za hektar w ciągu 16 lat. Źródło:

27 Czy warto uprawiać SRWC? Przykład 3. Wierzba - na skalę przemysłową (powierzchnia plantacji ok ha) Plantacje wierzby w okolicach Kłodzka [SPECMOT, Maciej Specylak, Kłodzko] Frma zajmuje się obsługą plantacji wierzby energetycznej. Klientom oferuje kompleksową obsługę od przygotowania pola poprzez nasadzenia, nadzór nad uprawą, zbiór oraz kontraktację na całość uzyskanej biomasy. Plantatorom, którzy sami zamierzają uprawiać wierzbę energetyczną oferuje sprzedaż sadzonek, dostarczenie technologii uprawy i zbioru, doradztwo agrotechniczne, monitoring plantacji oraz gwarancję sprzedaży uzyskanego surowca. Źródło:

28 Opłacalność (w porównaniu do innych roślin) Gatunek Poziom intensywności Niski Średni Wysoki Pszenica oz Pszenżyto oz Rzepak oz Burak cukrowy Kukurydza na ziarno Kukurydza na kiszonkę Kalkulacja uprawy 1 ha przy różnych poziomach intensywności w zł/ha* Kalkulacje 2016 r Ziemniaki jadalne * W kalkulacjach uwzględniono: PO = jednolitą płatność obszarową, płatność za zazielenienie oraz płatność dodatkową. Źródło:

29 OZE w Ogrodzie Botanicznym IHAR w Bydgoszczy Edukacja Dziękuję za uwagę Ogród Botaniczny KCRZG w Bydgoszczy kotłownia na biomasę drzewną, moc 400 kwh Dostawa peletu do kotłowni w Ogrodzie Botanicznym KCRZG w Bydgoszczy