wartość opałowa, biomasa, ciepło spalania, popiół, wilgotność Piotr KACORZYK, Joanna SZKUTNIK, Mirosław KASPERCZYK* WARTOŚĆ ENERGETYCZNA WYBRANYCH GATUNKÓW ROŚLIN W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczących wyznaczenia właściwości energetycznych wybranych gatunków biomasy roślinnej. W próbkach oznaczono wilgotność, zawartość popiołu, ciepło spalania oraz wartość opałową zgodnie z Polskimi Normami. Materiał badawczy stanowiły trawy: trzcina pospolita, mozga trzcinowata, rajgras wyniosły, kostrzewa trzcinowa, siano z łąki nawożonej, miskant olbrzymi, oraz odpad z produkcji polowej: słoma pszenna, rzepakowa oraz resztki roślin kukurydzy zbieranej na ziarno. Otrzymane wyniki z analiz wyżej wymieniony ich rodzajów biomasy porównano z najczęściej zalecanymi roślinami energetycznymi: wierzbą energetyczną i topolą. Spośród analizowanej biomasy najlepszymi właściwościami energetycznymi charakteryzował się biomasa topoli i wierzby energetycznej, siano z łąki nawożonej, miskanta olbrzymiego oraz słomy pszennej. Pozostałe gatunki miały zdecydowanie niższą wartość energetyczną. 1. WSTĘP Początkiem 2013 roku wejdą w życie nowe przepisy rozporządzenia Ministra Gospodarki dotyczące energii elektrycznej i ciepła wytworzonych z odnawialnych źródeł energii. Rozporządzenie to zakłada zwiększenie udziału energii z odnawialnych źródeł w roku 2013 do poziomu 12% i coroczny wzrost w kolejnych latach o jeden punkt procentowy. W 2021 roku udział źródeł odnawialnych w produkcji energii elektrycznej będzie wynosić 20%. Oprócz wiatru, wody, geotermii oraz fotowoltaniki, biomasa szczególnie w warunkach naszego kraju stanowi istotne źródło, z którego można pozyskiwać w sposób niekonwencjonalny energię. W Polsce oczy zwrócone są na biomasę, ponieważ jest jednym z bar- * Zakład Łąkarstwa, Instytut Produkcji Roślinnej, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, al. Mickiewicza 21, 31-120 Kraków, j_szkutnik@op.pl.
240 P. KACORZYK i in. dziej obiecujących odnawialnych źródeł energii tym bardziej, że pochodzenie biomasy jest zdywersyfikowane zaczynając od odpadów drzewnych w leśnictwie, przemyśle drzewnym, organicznych odpadów, po polową produkcję roślinną między innymi specjalne plantacje drzew szybko rosnących takich jak wierzba energetyczna czy topola [7]. Coraz częściej zwraca się uwagę na plantacje wybranych gatunków traw jak: trzcina pospolita, mozga trzcinowata, miskantus olbrzymi. W ostatnich latach zapotrzebowanie na pasze z trwałych użytków zielonych znacznie się zmniejszyło. Uzyskiwane plony biomasy są mniejsze, często o niższej wartości paszowej. Duża część powierzchni zadarnionych nie jest w ogóle wykorzystywana gospodarczo, co w przyszłości, w przypadku sukcesji naturalnej może zagrażać istnieniu ekosystemów trawiastych [5]. Aby uniknąć ich degradacji należy rozważyć możliwość wykorzystana biomasy z ekosystemów trawiastych na cele energetyczne [7]. W związku z powyższym celem przeprowadzonych badań było określenie właściwości energetycznych wybranych gatunków traw w odniesieniu do najczęściej wskazywanych roślin energetycznych w literaturze. Najważniejszym parametrem termofizycznym jest wartość opałowa, która zależy od składu chemicznego i wilgotności analizowanej biomasy [7] w związku z tym na pobranym materiale oznaczono wilgotność, zawartość popiołu, oznaczono ciepło spalania oraz wartość opałową. 2. METODYKA Materiał badawczy stanowiły gatunki traw: trzcina pospolita, mozga trzcinowata, rajgras wyniosły, kostrzewa trzcinowa, siano z łąki nawożonej, miskant olbrzymi, oraz odpad z produkcji polowej: słoma pszenna, rzepakowa oraz słoma kukurydziana. Otrzymane wyniki z analiz wyżej wymieniony ich rodzajów biomasy porównano z najczęściej zalecanymi roślinami energetycznymi: wierzbą energetyczną i topolą. Biomasę trzciny pospolitej, mozgi trzcinowatej, rajgrasu wyniosłego, kostrzewy trzcinowej pobrano z nieużytkowanych od ponad 10 lat Łąk Tynieckich zlokalizowanych na terenie gminy Kraków. Materiał roślinny zebrano pod koniec okresu wegetacyjnego. Łąka nawożona (P 20 K 50 N 100 ), z której zebrano siano znajdowała się w rejonie górskim (650 n.p.m.). Miskantus olbrzymi, resztki kukurydzy, słoma pszenna i rzepakowa pochodziły z gospodarstwa Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie. Uprawa i termin zbioru był zgodny z zasadami agrotechniki omawianych roślin. Wierzbę energetyczną po 3 latach a topolę po 10 latach użytkowania pobrano z plantacji energetycznej. Próbki pobranych roślin sezonowane były przez okres 30 dni w pomieszczeniach ogrzewanych temperaturą 20 C. Na powietrznie suchym materiale badawczym określono wilgotność analityczną metodą wagową w temperaturze 105 C. Biomasę wyprażono
Wartość energetyczna wybranych gatunków roślin 241 w piecu muflowym w temperaturze 550 C i oznaczono zawartość popiołu metodą wagową. Wyznaczenie ciepła spalania wraz z wartością opałowa określono w kalorymetrze KL- 12Mn w oparciu o normy PN-81/G-04513 i PN-ISO 1928. Oznaczenie powyższych parametrów polegało na całkowitym spaleniu próbki materiału w atmosferze tlenu pod ciśnieniem w bombie kalorymetrycznej zanurzonej w płaszczu wodnym i pomiarze przyrostu temperatury wody. 3. WYNIKI I DYSKUSJA Zarówno wilgotność jak i zawartość popiołu są istotnym czynnikami wpływającymi na kaloryczność, stanowią one balast, który w miarę wzrostu wpływa na obniżenie wartości opałowej. Analizowana biomasa drzewiasta charakteryzowała się większym stopniem uwilgotnienia niż biomasa pozostałych gatunków. Zawartość ta wyniosła ok. 8% (rys.1). Podobna wilgotność występowała w obu rodzajach słomy. Spośród traw najmniej uwodniona była kłosówka wełnista 6,2%, największym stopniem uwilgotnienia charakteryzował się rajgras wyniosły - 7,8%. Rys.1 Wilgotność i zawartość popiołu w biomasie [%] Przeprowadzona analiza wykazała, że wśród gatunków badanych roślin zdecydowanie najniższą zawartość popiołu oznaczono w zrębkach topoli 0,5% oraz wierzby energetycznej 1,6% (rys.1). Zawartość popiołu w suchej masie traw była nawet 22 razy większa od zawartości popiołu z topoli i mieściła się w przedziale od 4,8% u miskanta olbrzymiego do 11,4% u mozgi trzcinowatej. Słoma pszenna i rzepakowa zawierała odpowiednio 5,0% i 6,8% popiołu w suchej masie.
242 P. KACORZYK i in. Ciepło spalania topoli i wierzby energetycznej kształtowało się na podobnym poziomie i średnio wyniosło 18,95 MJ kg -1 s.m. (rys. 2). Wartość ta była większa średnio o 23% od ciepła spalania kłosówki wełnistej, kostrzewy łąkowej i słomy rzepakowej. Od ciepła spalania rajgrasu wyniosłego, mozgi trzcinowatej, kukurydzy o 13%, zaś od miskanta olbrzymiego, słomy pszennej i siana z łąki nawożonej wyższa jedynie o 7%. 20,0 18,0 16,0 16,5 16,8 14,8 15,3 17,7 18,0 16,5 17,5 15,9 18,7 19,2 Ciepło splania MJkḡ 1 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 Mozga trzcinowata Rajgras wyniosły Kłosówka wełnista Kostrzewa trzcinowa Miskant olbrzymi Siano z łąki nawożonej Kukurydza Słoma pszenna Słoma rzepakowa Wierzba energetyczna Topola Rys. 2 Ciepło spalania (MJ. kg -1 ) Na rys. 3 przedstawiono wartość opałową, w której uwzględniono wilgotność biomasy oraz zawartość popiołu analitycznego. Najniższa wartość tego parametru kształtowała się na poziomie 14 MJ kg -1 s.m. i została odnotowana u kłosówki wełnistej, kostrzewy trzcinowej oraz słomy rzepakowej. U mozgi trzcinowatej, rajgrasu wyniosłego oraz kukurydzy wartość ta przekroczyła poziom 15 MJ kg -1 s.m., zaś u miskanta olbrzymiego, słomy pszennej oraz siana z łąki nawożonej mieściła się w granicach od 16,3 MJ kg -1 s.m. do 16,9 MJ kg -1 s.m. Najwyższą wartość opałową oznaczono w biomasie topoli (18 MJ kg -1 s.m.), nieznacznie mniejszą charakteryzowała się wierzba energetyczna. 19,0 17,0 15,0 15,4 15,8 13,8 14,2 16,6 16,9 15,4 16,3 14,8 17,5 18,0 Wartość opałowa MJkg -1 13,0 11,0 9,0 7,0 5,0 3,0 1,0-1,0 Mozga trzcinowata Rajgras wyniosły Kłosówka wełnista Kostrzewa trzcinowa Miskant olbrzymi Siano z łąki nawożonej Kukurydza Słoma pszenna Słoma rzepakowa Rys. 3 Wartość opałowa (MJ. kg -1 ) Wierzba energetyczna Topola
Wartość energetyczna wybranych gatunków roślin 243 Z przeprowadzonych badań wynika, że gatunki roślin dających biomasę drzewną charakteryzują się wyższym ciepłem spalania, dużo mniejszą zawartością popiołu, a co za tym idzie wyższą wartością opałową niż pozostałe rośliny. Uzyskane wartości są porównywalne z wynikami innych autorów [4, 1, 2, 3, 6, 7]. Nieco wyższe parametry ciepła spalania i wartości opałowej w badaniach nad szuwarem mozgi trzcinowatej uzyskał Grzelak [2]. Zwraca on szczególną uwagę na tą trawę jako doskonały surowiec, który może być wykorzystany jako cenne źródło energii odnawialnej. Wartość energetyczna analizowanych traw: rajgrasu wyniosłego i kostrzewy trzcinowej była mniejsza o ok. 2 MJ kg -1 s.m., zaś siana z łąki kośnej podobna w odniesieniu do rezultatów jakie otrzymała Harkot i innych[3]. Wartość energetyczna odpadów pochodzących z polowej produkcji rolniczej w postaci słomy kukurydzianej, pszennej i rzepakowej była bardzo zbliżona do wyników Niedziółki i innych [6, 7]. Spośród analizowanej biomasy najlepszymi właściwościami energetycznymi charakteryzowała się biomasa topoli i wierzby energetycznej, siano z łąki nawożonej, miskanta olbrzymiego oraz słomy pszennej. Pozostałe gatunki miały zdecydowanie niższą wartość energetyczną. Najmniejszą wartością energetyczna spośród wszystkich traw wykazała się kłosówka wełnista. Biorąc jednak pod uwagę wilgotność materiału wyjściowego oraz jego gęstość, do celów energetycznych najlepiej nadaje się biomasa topoli i wierzby, miskanta olbrzymiego i słomy pszennej, natomiast siano z łąki nawożonego z racji dużych kosztów produkcji wynikających z zastosowania nawozów, suszenia oraz prawie 2-krotnie wyższej zawartości popiołu w odniesieniu do słomy pszennej i miskanta olbrzymiego wydaje się być materiałem nieprzydatnym. Małe ilości popiołu powstające w trakcie spalania świadczą o tym, iż nie zawiera on szkodliwych substancji i może zostać wykorzystany jako nawóz mineralny [7]. 4. PODSUMOWANIE Biorąc pod uwagę analizowane parametry do celów energetycznych odpowiednie jest drewno, miskant olbrzymi oraz odpad z produkcji rolnej - słoma pszenna, ze względu na wysoką zawartość suchej masy, małą ilość substancji popielnych, oraz stosunkowo wysoką wartość ciepła spalania. Trawy w czasie wzrostu tworzą zwarty łan a co za tym idzie mają dużą wilgotność. Realized within the project BIOMASA (POIG 01.01.02-10-123/09) and partially financed by the European Union from the European Regional Development Fund.
244 P. KACORZYK i in. LITERATURA [1] DRADRACH A., GĄBKA D., SZLACHTA J., WOLSKI K., Wartość energetyczna kilku gatunków traw uprawnych na glebie lekkiej, Łąkarstwo w Polsce, 2007, 10, 29-35. [2] GRZELAK M., Plonowanie szuwaru mozgowego oraz skład chemiczny i wartość energetyczna mozgi trzcinowatej, Fragm. Agron. 2009, 26(4), 38 45. [3] HARKOT W., WARDA M., SAWICKI J., LIPIŃSKA T., WYŁUPEK T., CZARNECKI Z., KULIK M., Możliwości wykorzystania runi łąkowej do celów energetycznych, Łąkarstwo w Polsce, 2007, 10, 59 67. [4] KOŚCIK B., Rośliny energetyczne, 2003, Wyd. Akademii Rolniczej w Lublinie. [5] JANKOWSKA-HUFLEJT H., DOMAŃSKI P.J., Aktualne i możliwe kierunki wykorzystania trwałych użytków zielonych w Polsce, Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie, 2008, t. 8, z. 2b (24), 31-49. [6] NIEDZIÓŁKA I., SZYMANEK M., ZUCHNIARZ A., Ocena właściwości energetycznych i mechanicznych brykietów z masy pożniwnej kukurydzy, Inżynieria Rolnicza, 2007, 7(95)/2007, 153-159. [7] NIEDZIÓŁKA I., ZUCHNIARZ A., Analiza energetyczna wybranych rodzajów biomasy pochodzenia roślinnego, Motrol, 2006, 8A, 232 237. ENERGY VALUE OF SELECTED PLANT SPECIES This paper presents the results of studies concerning on the energy value of selected species of plant biomass. In the samples assessed: moisture, ash content, calorific value and heating value, according to European Union standards. Material consisted of grasses: ditch reed, redcanary grass, tall oat grass, tall fescue, hay form meadow fertilized, Miscanthus giganteus, and the waste from the production field: wheat straw, rapeseed straw and corn plant residues harvested for grain. The results from the analyzes of the above-mentioned types of biomass compared with the most commonly recommended energy crops: willow energy and poplar. The best value energy characterized by poplar and willow biomass, fertilized hay meadows, Miscanthus and wheat straw. Other species have a significantly lower energy value.