INŻYNIERIA W ROLNICTWIE. MONOGRAFIE NR 22 ENGINEERING IN AGRICULTURE. MONOGRAPHS NO. 22 INSTALACJE AGROENERGETYCZNE ASPEKTY ŚRODOWISKOWY I LOGISTYCZNY AGRO-ENERGETIC SYSTEMS ENVIRONMENTAL ASPECTS AND LOGISTICS Redakcja naukowa: prof. dr hab. Anna Grzybek dr hab. inż. Piotr Pasyniuk, prof. nadzw. Falenty 2016 WYDAWNICTWO ITP
INSTYTUT TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn tel./fax 22 628-37-63; www.itp.edu.pl; e-mail: itp@itp.edu.pl DYREKTOR INSTYTUTU dr hab. inż. Piotr Pasyniuk, prof. nadzw. ITP Oddział w Warszawie ul. Rakowiecka 32, 02-532 Warszawa tel. 22 542-11-00, fax 22 542-11-50 Kierownik Oddziału dr inż. Andrzej Seliga KOLEGIUM REDAKCYJNE prof. dr hab. Aleksander Szeptycki przewodniczący prof. dr hab. J.Lech Jugowar prof. dr hab. Zdzisław Wójcicki prof. dr hab. Jan Pawlak prof. dr hab. Krzysztof Wierzbicki Recenzenci prof. dr hab. inż. Leszek Powierża, dr hab. Tomasz Piskier, prof. nadzw. PK Kierownik Działu Wydawnictw: dr hab. inż. Halina Jankowska-Huflejt, prof. nadzw. ITP Projekt okładki: Halina Jankowska-Huflejt Opracowanie redakcyjne: Barbara Wciślińska Skład komputerowy i przygotowanie do druku: Anna Wysocka Copyright by Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach (ITP), 2016 ISBN 978-83-65426-15-4 ISSN 2083-9545 Adres redakcji: Instytut Technologiczno-Przyrodniczy Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn tel. 22 720-05-98; www.itp.edu.pl; e-mail: wydawnictwo@itp.edu.pl Realizacja wydania: Agencja Wydawniczo-Poligraficzna Gimpo 02-778 Warszawa, ul. M. Grzegorzewskiej 8. Ark. wyd. 12,0. Nakład 200 egz.
Spis treści Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów...7 1. WPROWADZENIE (Anna Grzybek)...12 2. CHARAKTERYSTYKA PARAMETRYCZNA SUROWCÓW DO PRODUKCJI BIOGAZU (Marek Hryniewicz)...15 2.1. Wstęp...15 2.2. Surowce stosowane do produkcji biogazu...15 2.3. Biomasa lignocelulozowa...29 2.4. Podsumowanie...29 3. NAKŁADY MATERIAŁOWO-ENERGETYCZNE NA TECHNOLOGIE UPRAWY ROŚLIN NA CELE ENERGETYCZNE (Anna Grzybek)...33 3.1. Wstęp...33 3.2. Metodyka badań nakładów materiałowo-energetycznych na plantacjach roślin energetycznych...33 3.3. Wyniki badań...34 4. BADANIA ZUŻYCIA OLEJU NAPĘDOWEGO W WYBRANYCH TECHNOLOGIACH UPRAWY ROŚLIN NA CELE ENERGETYCZNE (Piotr Pasyniuk)...41 4.1. Wstęp...41 4.2. Metoda badań...41 4.3. Wyniki badań zużycia paliwa w technologiach uprawy roślin na cele energetyczne...42 5. EMISJE ZE ŹRÓDEŁ STACJONARNYCH SPALANIE BIOGAZU: W KOGENERACJI (CHP), POCHODNIE, KOTŁY (Aleksander Muzalewski, Anna Grzybek)...70 5.1. Wstęp...70 5.2. Emisja CO 2 podstawy teoretyczne...70 5.3. Produkcja, zużycie i właściwości biogazu...73 5.4. Emisje z kogeneratora (CHP)...75 5.5. Emisje z pochodni awaryjnej...78 5.6. Emisje z kotłów grzewczych...82 6. WPŁYW NA ŚRODOWISKO WYBRANYCH TECHNOLOGII UPRAWY ROŚLIN ENERGETYCZNYCH (Anita Konieczna, Kamil Roman)...83 6.1. Wstęp...83 6.2. Metodyka badań...83 6.3. Wyniki badań...91 7. OCENA ŚRODOWISKOWA UPRAWY ROŚLIN ENERGETYCZNYCH METODĄ LCA (Marek Hryniewicz)...98 7.1. Wstęp...98 7.2. Metoda badań...98 7.3. Emisje do atmosfery w ekwiwalencie CO 2 z uprawy kukurydzy na kiszonkę...103 7.4. Emisje do atmosfery w ekwiwalencie CO 2 z uprawy buraków cukrowych...105 7.5. Emisje do atmosfery w ekwiwalencie CO 2 z uprawy łąki...107 8. BADANIA BIOGAZOWNI W ASPEKCIE JEJ WPŁYWU NA ŚRODOWISKO (Anita Konieczna, Kamil Roman)...109 8.1. Wstęp...109 8.2. Metodyka badań...110 8.3. Charakterystyka biogazowni...110 8.4. Wyniki badań...110 8.5. Metodyka obliczeń produkcji pofermentu...115
9. EMISJE GAZÓW CIEPLARNIANYCH POWSTAJĄCE W PROCESIE NAWOŻENIA (Maria Śmietanka)...120 9.1. Wstęp...120 9.2. Metodyka badań...124 9.3. Wyniki badań...131 10. MODELOWA TECHNOLOGIA ŁAŃCUCHA LOGISTYCZNEGO DLA BIOGAZOWNI (Anna Grzybek, Aleksander Muzalewski)...138 10.1. Wstęp...138 10.2. Założenia do opracowania technologii modelowych...139 10.3. Warianty analizy...141 10.4. Zestawienie czynności i zabiegów agrotechnicznych w technologiach produkcji kukurydzy na kiszonkę...142 10.5. Wyniki badań emisji do atmosfery w technologiach uprawy, zbioru i transportu kukurydzy na kiszonkę...143 10.6. Podsumowanie...157 11. PODSUMOWANIE (Anna Grzybek)...158 12. BIBLIOGRAFIA...161 Streszczenie...170
Contents List of major signs and abbreviations...7 1. INTRODUCTION (Anna Grzybek)...12 2. PARAMETRIC CHARACTERISTICS OF RAW MATERIALS FOR BIOGAS PRODUCTION (Marek Hryniewicz)...15 2.1. Introduction...15 2.2. Raw materials used in the biogas production...15 2.3. Lignocellulosic biomass...29 2.4. Summary...29 3. MATERIAL AND ENERGY EXPENSES FOR CROPPING TECHNOLOGIES OF ENERGY PLANTS (Anna Grzybek)...33 3.1. Introduction...33 3.2. Methodology of material and energy expenses at energy plants plantations...33 3.3. Investigation results...34 4. RESEARCH OF DIESEL FUEL CONSUMPTION AT SELECTED CROPPING TECHNOLOGIES OF PLANTS FOR ENERGY PURPOSES (Piotr Pasyniuk)...41 4.1. Introduction...41 4.2. Research method...41 4.3. Research results of fuel consumption at cultivation technologies of plants for energy purposes...42 5. EMISSIONS FROM STATIONARY SOURCES BIOGAS COMBUSTION: COGENERATION (CHP), FLARES, BOILERS (Aleksander Muzalewski, Anna Grzybek)...70 5.1. Introduction...70 5.2. CO 2 emissions theoretical basis...70 5.3. Production, consumption and biogas properties...73 5.4. Emissions from cogenerator (CHP)...75 5.5. Emissions from emergency flare...78 5.6. Emissions from boilers...82 6. IMPACT ON ENVIRONMENT OF SELECTED CROPPING TECHNOLOGIES OF PLANTS FOR ENERGY PURPOSES (Anita Konieczna, Kamil Roman)...83 6.1. Introduction...83 6.2. Research methodology...83 6.3. Research results...91 7. ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF ENERGY PLANTS CROPS BY LCA METHOD (Marek Hryniewicz)...98 7.1. Introduction...98 7.2. Research method...98 7.3. Emissions to the atmosphere as CO 2 equivalent from corn for silo crop...103 7.4. Emissions to the atmosphere as CO 2 equivalent from sugar beet crop...105 7.5. Emissions to the atmosphere as CO 2 equivalent from meadow crop...107 8. BIOGAS STATION INVESTIGATION AT ITS IMPACT ON THE ENVIRONMENT ASPECT (Anita Konieczna, Kamil Roman)...109 8.1. Introduction...109 8.2. Research methodology...110 8.3. Biogas station characteristic...110 8.4. Research results...110 8.5. Calculation methodology of digestate production...115
9. GREENHOUSE GAS EMISSIONS ARISING IN THE FERTILIZATION PROCESS (Maria Śmietanka)...120 9.1. Introduction...120 9.2. Research methodology...124 9.3. Research results...131 10. MODEL TECHNOLOGY OF LOGISTIC CHAIN FOR BIOGAS STATION (Anna Grzybek, Aleksander Muzalewski)...138 10.1. Introduction...138 10.2. Assumptions for model technologies elaboration...139 10.3. Variants analysis...141 10.4. Juxtaposition of actions and agrotechnical treatments at technologies of maize for silage production...142 10.5. Research results of emissions to the atmosphere at technologies of cultivation, harvesting and transport of corn for silo...143 10.6. Summary...157 11. SUMMARY (Anna Grzybek)...158 12. BIBLIOGRAPHY...161 Summary...171
Streszczenie W monografii przedstawiono wyniki badań i obliczeń wpływu na środowisko technologii uprawy roślin: kukurydzy na kiszonkę, buraków cukrowych/pastewnych i traw łąkowych. Wymienione rośliny mogą być stosowane jako substraty w biogazowniach rolniczych. Podano metodę badań nakładów materiałowo-energetycznych oraz przykład realizacji takich badań, zestawionych w kartach technologicznych. Dokonano przeglądu metod badań i obliczeń emisji gazów cieplarnianych (GHG) z upraw roślin na cele energetyczne. Jednak podczas ich uprawy oraz przygotowania do wykorzystania w biogazowniach oddziaływanie na środowisko może być niekorzystne. W pracy podano wyniki badań wpływu na środowisko glebowe technologii upraw następujących roślin: kukurydzy na kiszonkę, buraków cukrowych/pastewnych i traw łąkowych. Przedstawiono problematykę emisji gazów cieplarnianych związaną ze stosowaniem nawozów mineralnych i organicznych w uprawach. Przeanalizowano modelowe wielkości nawożenia dla wyżej wymienionych roślin w dwóch wariantach plonowania i poziomu nawożenia. Korzystając z metody prezentowanej przez IPCC, obliczono roczne wielkości emisji N 2 O z obszarów objętych analizowanymi uprawami. Obliczono także wielkość emisji podtlenku azotu dla poszczególnych rodzajów nawozów stosowanych w technologiach modelowych. Przeprowadzono ocenę środowiskową metodą LCA w zakresie emisji gazów cieplarnianych do atmosfery z uprawy podanych wyżej roślin. Jednym z kierunków agroenergetyki rozwijanych w synergii z produkcją rolną są biogazownie rolnicze. Biogazownie rolnicze mogą być wybudowane w obrębie gospodarstwa lub w pewnej odległości od siedzib ludzkich. W tym drugim przypadku negatywnie na środowisko atmosferę będzie oddziaływać transport technologiczny. Omówiono badania biogazowni w aspekcie jej wpływu na środowisko (społeczne, przyrodnicze i ekonomiczne), podano także przykład obliczenia ilości pofermentu w zależności od składu substratów. Określono, jak obliczyć emisje powstające ze spalania biogazu w kotłach CHP i pochodniach awaryjnych. Przedstawiono wskaźniki emisji z silników zasilanych biogazem według różnych źródeł literaturowych z zalecanymi do stosowania w projektach oraz wskaźniki emisji silników biogazowych różnych marek (różnych producentów). Zestawiono wskaźniki emisji w zależności od zawartości CH 4 powstające przy spalaniu biogazu rolniczego w kotłach grzewczych. Końcowym efektem jest opracowanie modelowej technologii łańcucha logistycznego dla biogazowni. Została ona opracowana na podstawie zaleceń agrotechnicznych, literatury i badań z gospodarstw rzeczywistych dla kukurydzy na kiszonkę. Obliczono emisje gazów cieplarnianych ze spalania oleju napędowego podczas uprawy, zbioru i transportu oraz ugniatania pryzmy z zielonką w technologii modelowej.
Summary In the monograph have been presented research and calculation results of influence on environment following plants cropping technologies maize for silage, sugar/fodder beets and meadow grass. Mentioned plants could be used as substrates for biogas stations. The investigation method of materials and energy expanses have been presented with examples of such investigations, compiled on technological charts. A review of research methods and calculations of greenhouse gas (GHG) emissions from crops for energy purposes have been done. However it was discovered that during plants cropping and preparations for use in biogas plants, the environmental impact could be disadvantageous. The problem of greenhouse gas emissions associated with the use of mineral and organic fertilizers to crops was presented. Model size fertilization was analyzed for previously mentioned plants at two variants yield and fertilization. With the use of method presented by IPCC, annual emissions amount of N 2 O was calculated from areas concerned by the crops. Nitrous oxide emissions were calculated for each fertilizer used at model technologies. Environmental assessment was done with the use of LCA method at the framework of greenhouse gases emissions to atmosphere from crops of previously mentioned plants. One from the directions of agro-energy developed in synergy with agricultural production are agricultural biogas plants. Agricultural biogas plants could be constructed on the farm or at a distance from human settlements. In the latter case, negative impact on the environment the atmosphere will affect transport technology. Biogas plants investigation results were discussed in terms of their impact on the environment (social, nature and economy). An example was given for residues amount calculation after fermentation according to substrates composition. It was identified how to calculate emissions from biogas burning at CHP boilers and emergency flares. Emissions indicators were presented for engines fueled by biogas according to different literature issues with recommendations for implementation in projects and emission indicators for different types of biogas engines (different producers). Emissions indicators were set together according to CH 4 amount which were created during agricultural biogas burning at heating boilers. The end result was elaborated model technology of logistic chain for biogas station. It was developed at the base of agrotechnical recommendations, literature and investigations of real farms for corn for silo. Greenhouse gases emissions were calculated for diesel fuel burned during crop, harvest, transport and prism compaction with green corn at the model technology.