Dr hab. inż. Jacek Dach, prof. nadzw. Instytut Inżynierii Biosystemów Wydział Rolnictwa i Bioinzynierii Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu Poznań, dn. 1 kwietnia 2016 r. R E C E N Z J A rozprawy doktorskiej mgr Marty Oleszek pt. Wpływ poziomu nawożenia azotem wybranych gatunków roślin na jakość biomasy i efektywność produkcji biogazu, wykonanej w Instytucie Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego Polskiej Akademii Nauk pod kierunkiem dra hab. Mariusza Matyki, prof. nadzw. IUNG-PIB oraz promotora pomocniczego: dra Dariusza Wiącka OCENA FORMALNA PRACY Recenzję rozprawy doktorskiej wykonałem na zlecenie Dyrektora Instytutu Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego, Pana prof. dra hab. Cezarego Sławińskiego, zgodnie z uchwałą Rady Instytutu z dn. 29.01.2016 o powołaniu mnie na recenzenta. Promotorem pracy jest Pan dr hab. dr hab. Mariusz Matyka, prof. nadzw. IUNG-PIB, a promotorem pomocniczym Pan dr Dariusz Wiącek. Rozprawa zawiera łącznie 138 stron, w tym 7 rysunków, 54 tabele, 1 fotografię oraz 202 pozycje literaturowe, wśród których dominuje literatura obcojęzyczna (129 pozycji), w dużej mierze w postaci artykułów naukowych z renomowanych czasopism o zasięgu ogólnoświatowym. Wykorzystanie w pracy tak szerokiego doboru źródeł (zwłaszcza przy analizie uzyskanych wyników badań) wpływa na zwiększenie wartości naukowej dysertacji i jest szczególnie pożądane w kontekście przyszłych publikacji wyników badań w renomowanych czasopismach angielskojęzycznych. Z drugiej strony zakres cytowań
literatury krajowej świadczy również o głębokiej analizie krajowego stanu badań z tematyki pracy wykonanej przez Doktorantkę. Przedstawiona mi do oceny dysertacja ma układ typowy dla prac o charakterze doświadczalnym z zakresu agronomii i zawiera kompletny układ wymaganych rozdziałów. Ponadto została napisana poprawnym językiem, zawierającym również właściwie dobraną specjalistyczną terminologię (dla czytelników spoza branży Doktorantka dodała na końcu pracy 2-stronicowy wykaz skrótów i symboli). W przedstawionej mi dysertacji Doktorantka wyróżniła łącznie 7 rozdziałów, wśród których największy (66 stron) stanowi rozdział Wyniki i Dyskusja. Rozdział ten, zawierający bardzo szeroko omówione wyniki badań, uważam za najcenniejszy z punktu widzenia wartości naukowej pracy. Brak mi natomiast w pracy aneksu z listą rycin i tabel (ze względu na obszerność pracy wyrywkowe znalezienie tabeli z danymi wynikami byłoby dzięki temu łatwiejsze). SZCZEGÓŁOWA OCENA PRACY Praca podejmuje ważny temat pozyskiwania wysokiej jakości biomasy rolniczej pod kątem wykorzystania jej jako substratu do produkcji biogazu. Należy bowiem podkreślić, że w aktualnej sytuacji gospodarczej jak i politycznej (potrzeba dekarbonizacji gospodarki i rozwój OZE) sektor biogazowy zaczyna, zwłaszcza w ostatnich miesiącach coraz bardziej zyskiwać na znaczeniu. Jednakże, z uwagi na niski poziom dofinansowania cen wytwarzanej w Polsce zielonej energii, kluczowym dla zapewnienia opłacalności eksploatacji biogazowni jest pozyskiwanie tanich w uprawie i wydajnych energetycznie materiałów roślinnych. Jeżeli bowiem średnia cena za MWh wyprodukowanej energii elektrycznej oscyluje obecnie w Polsce na poziomie maksymalnie 90-96 euro (wliczając w to cenę żółtego certyfikatu), a w innych krajach Europy Środkowej znacznie przewyższa ten poziom (Niemcy do 270 Eur/MWh, Czechy 138 Eur/MWh, Rumunia 182 Eur/MWh), oznacza to, że kwestia pozyskania opłacalnych substratów dla biogazowni rolniczych jest kluczowa dla ich rozwoju i uniknięcia bankructwa. Dlatego należy stwierdzić, że temat poruszany w ocenianej dysertacji wpisuje się bardzo wyraźnie w aktualny kontekst gospodarczy i posiada poza walorem naukowym także bardzo istotny potencjał aplikacyjny. 2
Przechodząc do merytorycznej oceny pracy stwierdzam, że jej tytuł odpowiada zarówno analizie literaturowej dokonanej przez Doktorantkę, jak i zgodny jest z zakresem realizowanych przez Nią badań. We Wstępie Doktorantka nakreśla skrótowo aktualną sytuację w zakresie rozwoju energetyki biomasowej w Polsce i Europie oraz umiejętnie wplata uzasadnienie podjęcia realizacji tematu stwierdzając, iż konieczne jest podjęcie badań mających na celu wyjaśnienie zależności pomiędzy poziomem nawożenia azotem wybranych gatunków roślin, a wydajnością procesu fermentacji metanowej oraz efektywnością energetyczną produkcji biogazu z jednostki powierzchni. Ze swej strony dodałbym jeszcze, że takie badania są niezwykle istotne dla właścicieli biogazowni rolniczych bowiem mogą dać odpowiedź na kluczowe pytanie dla tego sektora: jak w sposób najbardziej opłacalny wyprodukować biomasę roślinną mającą największą wartość energetyczną dla procesu fermentacji metanowej. W Przeglądzie Literatury Doktorantka analizuje zagadnienia związane zarówno z podstawami teoretycznymi procesu fermentacji metanowej, jak i substratami obecnie wykorzystywanymi do produkcji biogazu. Opisując zalety wytwarzania biogazu rolniczego i jego korzystny wpływ na zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych Doktorantka omija niestety bardzo istotny problem jakim jest redukcja emisji metanu ze składowanego w pryzmach obornika. Należy bowiem podkreślić, że ze składowanych kilkudziesięciu milionów ton obornika rocznie wydziela się ogromna, liczona w setkach tysięcy ton ilość metanu, który to gaz wywiera 21-krotnie silniejszy wpływ na efekt cieplarniany niż dwutlenek węgla. Tymczasem powszechne przeznaczenie obornika do zastosowania w biogazowniach rolniczych może prawie całkowicie zredukować tę emisję. Opisując proces fermentacji Doktorantka popełniła także dość istotny lapsus językowy pisząc, iż powstają także niewielkie ilości siarkowodoru [ ], co odpowiada 1-2% udziałowi w fazie gazowej (strona 17). Jako specjalista od eksploatacji instalacji chciałbym zwrócić Autorce uwagę, że 1-2% siarkowodoru w biogazie to stężenie 10000-20000 ppm i takie stężenie jest prawdziwą katastrofą dla eksploatatora instalacji, bowiem maksymalne dopuszczalne stężenie H2S akceptowalne przez silniki układów kogeneracyjnych to 120-170 ppm wyższe grozi trwałym uszkodzeniem elementów silnika przy dłuższej pracy. W praktyce - już stężenie na poziomie 2000-3000 ppm wymaga zastosowania rozbudowanych układów odsiarczających. Z uwag do 3
części literaturowej mógłbym jeszcze dodać, że wyjaśniając na stronie 18 sposób łączenia substratów ( łącząc ze sobą substraty uwodnione (gnojowicę, serwatkę, wywar gorzelniany) oraz bogate w materię organiczną ) Doktorantka wyraziła się nieprecyzyjnie wszak serwatka czy wywar gorzelniany posiadają znacznie ponad 90% udział materii organicznej i znikomy frakcji mineralnej. Autorka w bardzo szeroki i gruntowny sposób analizuje możliwości zastosowania jako substratów różnych upraw rolniczych produkowanych w warunkach polskich. W kontekście opisu czynników ograniczających stosowanie najpopularniejszego substratu jakim jest kiszonka kukurydzy brakuje mi tylko stwierdzenia, że czynnikiem najbardziej ograniczającym jest jej cena. Poziom 120-150 zł/tonę kiszonki, jaki aktualnie występuje na większości terenów kraju jest zaporowy dla stosowania tego substratu w biogazowniach przy krajowym, aktualnie najniższym w Europie Środkowej poziomie cen za energię z OZE. Autorka porusza także istotną dla realizowanej pracy kwestię wpływu nawożenia azotem na produkcję roślinną, a zwłaszcza na wielkość i jakość plonu. Kończąc część literaturową Doktorantka nakreśliła problem badawczy w postaci tak sformułowanego zagadnienia: zarówno plon jak i jakość biomasy zmieniają się pod wpływem nawożenia azotem, a odpowiednie właściwości chemiczne surowca warunkują wysoką wydajność fermentacji metanowej, którego rozwiązanie przeprowadziła w części pracy prezentującej wyniki badań. Uważam, że tak sformułowany problem badawczy jest poprawny, choć powinien on być znacznie wyraźniej uwypuklony wszak stanowi istotę dysertacji doktorskiej. Następnie Doktorantka przedstawiła Cel Pracy, który streściła jako ocenę wpływu zróżnicowanego poziomu nawożenia azotem, gatunku rośliny i pokosu na plon świeżej i suchej masy kiszonek, ich właściwości chemiczne, a także uzysk biogazu i kinetykę procesu fermentacji metanowej. Brakuje mi w celu pracy wypunktowanych zadań badawczych, które zresztą Doktorantka opisuje w części wynikowej dysertacji. Cel pracy uważam za odpowiednio sformułowany, mam tylko do Doktorantki pytanie: w celu pracy użyła ona wyrażenia kiszonek a czy bardziej poprawnie nie powinno być zielonek? Kolejny rozdział dysertacji to Materiał Badawczy i Metodyka Badań. W tym rozdziale Doktorantka opisuje sposób prowadzenia doświadczeń polowych i pozyskiwania materiału badawczego. Nie mam uwag do wykorzystywanej metodyki, mam natomiast pytanie do 4
Doktorantki: jakie są optymalne potrzeby nawożenia azotem dla roślin używanych w badaniach i jak się te potrzeby odnoszą do zastosowanych trzech poziomów nawożenia N? Mam również pytanie odnośnie sposobu zakiszania zebranej biomasy: czy w trakcie zakiszania, celem wypchnięcia powietrza stosowano tylko ugniatanie, czy też wpompowywano np. CO2 do pojemników? W przypadku analizy właściwości chemicznych biomasy nie mam żadnych uwag, natomiast w przypadki metodyki procesu fermentacji jedną, ale istotną uwagę: badanie nie zostało przeprowadzone zgodnie z normą VDI4630, ale zgodnie ze zmodyfikowaną normą. Norma VDI4630 określa bowiem maksymalny stosunek s.m.o. substratu do s.m.o. inokulum na 0,5 - tymczasem w opisanej metodyce przyjęto stosunek 1:1. Pozostałe warunki prowadzenia procesu fermentacji były zgodne z metodyką niemiecką opisaną w normie VDI. W rozdziale 4., najbardziej rozbudowanym (Wyniki i Dyskusja) Doktorantka prezentuje rezultaty przeprowadzonych doświadczeń i obliczeń, jednocześnie komentując je i zestawiając z wynikami uzyskiwanymi w literaturze. Dane dotyczące plonowania roślin przedstawiono w sposób czytelny i przystępny do analizy. Dzięki temu można zaobserwować duże zróżnicowanie w poziomie planowania roślin, w zależności od stopnia nawożenia azotem. Moją uwagę przyciągnęła natomiast duża różnica pomiędzy zawartością suchej masy a suchej masy organicznej w przypadku mozgi (rys. 2 oraz tab. 13), która w skrajnym przypadku (mozga 3P/40 kg) oznaczała aż 23,7% zawartości popiołu znacznie więcej niż w przypadku innych roślin. Stąd mam pytanie do Doktorantki: czy tak duża zawartość frakcji mineralnej jest typowa dla mozgi, czy też może być wynikiem zanieczyszczenia próbek biomasy glebą np. w czasie zbioru wyległych roślin w trudnych warunkach pogodowych? Na podkreślenie w uzyskanych wynikach dotyczących właściwości chemicznych wytworzonej biomasy zasługuje fakt, że nawożenie azotem miało istotny wpływ na jej skład. Doktorantka stwierdziła bowiem, że Wraz ze zwiększeniem dawki azotu w kiszonkach wzrastała istotnie zawartość azotu ogólnego (N.), białka ogólnego (BO) oraz tłuszczu surowego (TS), istotnie malała natomiast zawartość ligniny (ADL), celulozy (CEL). Widać więc, że wraz ze wzrostem dawki azotu wzrastała zawartość białka i tłuszczu czyli najcenniejszych biogazowo składników, a malała trudno rozkładalnych ligniny i celulozy (nota bene lignina w zasadzie w ogóle nie rozkłada się w warunkach beztlenowych). 5
Analizując skład uzyskanej biomasy chciałbym prosić Doktorantkę o szersze wyjaśnienie możliwych przyczyn niejednoznacznego wzrostu procentowej zawartości azotu w kukurydzy (tabela 16) oraz stosunku C:N (tabela 18), a zwłaszcza bardzo dużego zawężenia C:N pomiędzy II a III poziomem nawożenia. Analizując część pracy dotyczącą badań produkcji biogazu z biomasy roślinnej natrafiłem na stwierdzenie Doktorantki (strona 84), że Wzrost poziomu nawożenia azotem w przypadku wszystkich badanych gatunków ogółem powodował istotny spadek zawartości metanu w biogazie. Jednak wcześniej, analizując wpływ nawożenia azotem Autorka wykazała wzrost zawartości m.in. tłuszczu i białka związków dających w procesie fermentacji biogaz o zawartości powyżej 70% metanu. Stąd chciałbym prosić Doktorantkę o wyjaśnienie tej sprzeczności dlaczego zwiększenie dawek azotu powodowało wzrost zawartości związków wysokometanowych i jednocześnie istotnie obniżało zawartość CH4 w biogazie? W rozdziale 4.3.2. Parametry kinetyczne procesu fermentacji metanowej Doktorantka przedstawia wyniki w zakresie czasu fermentacji, przyrost skumulowanego uzysku biogazu w czasie, długość fazy zastoju i specyficzne tempo produkcji biogazu. Podsumowując wyniki stwierdziła, że poziom nawożenia azotem, gatunek rośliny i pokos wpływały istotnie na kinetykę procesu fermentacji metanowej. Jest to twierdzenie poprawne ale pod warunkiem, że rozdrobnienie badanych próbek substratów było na podobnym poziomie (stopień rozdrobnienia ma bowiem ogromny wpływ na kinetykę procesu fermentacji). W związku z tym mam pytanie do Doktorantki: jaki był średni rozmiar cząstek stosowanych substratów jak też w jaki sposób prowadzono rozdrobnienie materiału po zbiorze a przed zakiszaniem (w metodyce brak jest szczegółów w tym zakresie). Na podkreślenie zasługuje zestawienie współczynników korelacji uzysku biogazu, metanu, stężenia metanu i parametrów kinetycznych z właściwościami chemicznymi badanej biomasy, które Doktorantka przedstawiła w tabeli 54. Niektóre z uzyskanych wyników nieco zaskakują jak np. ujemna korelacja wzrostu zawartości białka i uzysku biogazu. Przedstawione przez Autorkę wyjaśnienie, iż jedną z przyczyn negatywnego oddziaływania białka na uzysk biogazu i metanu może być powstawanie amoniaku, który w zbyt dużych stężeniach powoduje inhibicję procesu fermentacji metanowej nie może raczej dotyczyć fermentacji substratów roślinnych, gdyż w praktyce nigdy nie występuje wtedy problem nadmiaru azotu (stężenia jonów amonowych powyżej 3 g/litr). Ewentualne ryzyko mogłoby 6
się wiązać z użyciem inokulum o podwyższonej zawartości azotu co należy raczej wykluczyć biorąc pod uwagę substraty używane w biogazowni w Siedliszczkach. Należy pokreślić dużą wartość naukową dyskusji uzyskanych przez Doktorantkę wyników z rezultatami opublikowanymi przez innych autorów. Dyskusja wyników jest przeprowadzona w sposób bardzo rzetelny i szeroki, jest cennym elementem podnoszącym wartość naukową pracy. Sugeruję, aby uzyskane w pracy wyniki wraz z ich dyskusją przesłać do publikacji w renomowanych czasopismach o zasięgu międzynarodowym z zakresu energetyki biomasowej/biogazowej i agronomii. Część badawczą pracy kończy rozdział 5. (Wnioski), w którym Doktorantka formułuje 11 wniosków o charakterze naukowym i utylitarnym, zawierających jednocześnie rozwiązanie postawionego problemu naukowego. Autorka potwierdziła bowiem, że wzrost poziomu nawożenia azotem wpłynął istotnie na zwiększenie plonu suchej masy i suchej masy organicznej (wniosek nr 1), białka ogólnego i tłuszczu surowego (wniosek 2) i na uzysk biogazu i metanu (wniosek 4), choć ta ostatnia zależność nie we wszystkich przypadkach roślin została potwierdzona statystycznie. Doktorantka udowodniła także, ze zwiększenie poziomu nawożenia azotem wpłynęło na wybrane parametry kinetyczne fermentacji jak np. maksymalna produkcja biogazu po czasie tc oraz specyficzne tempo produkcji biogazu (wniosek 7). Wreszcie Autorka wykazała, że choć zwiększenie poziomu nawożenia azotem, w większości badanych roślin, wpłynęło na wzrost produktywności biogazu, metanu i energii z jednostki powierzchni (wniosek 10), to jednak przekładało się to na wzrost energochłonności produkcji biomasy (wniosek 11). Należy więc podkreślić, że uzyskane w wyniku realizacji pracy wyniki mają, oprócz dużych walorów naukowych, także wysoką wartość praktyczną i powinny być koniecznie szeroko rozpropagowane w serii publikacji popularno-naukowych w czasopismach branżowych. Kończąc ocenę merytoryczną pracy należy wspomnieć o drobnych uwagach krytycznych. Zdarzyło mi się natrafić na drobne błędy stylistyczne czy interpunkcyjne, czy też w niektórych tabelach (np. tabeli 26) brak było jednostek. Powyższe uchybienia w żaden sposób nie umniejszają jednak wartości naukowej pracy. 7
WNIOSKI KOŃCOWE Przedstawiona mi do recenzji praca podejmuje mało dotychczas zbadany, ale ważny dla nauki i praktyki gospodarczej problem związany z wpływem nawożenia azotem na plonowanie upraw i ich potencjał energetyczny jako substratów dla biogazowni rolniczych. Stwierdzam, że badania zostały przeprowadzone w sposób bardzo kompleksowy, rzetelnie i wg uznanej na forum międzynarodowym metodyki, a uzupełnione zostały rozbudowaną analizą statystyczną. Zachęcam Doktorantkę do publikacji uzyskanych wyników w renomowanych czasopismach z zakresu energetyki odnawialnej (zwłaszcza biomasy i biogazu), jak i do rozpowszechnienia rezultatów w prasie branżowej przede wszystkim z powodu braku tego typu udokumentowanych danych w obliczu coraz silniejszych tendencji do oparcia dalszego rozwoju energetyki odnawialnej w Polsce na rynku biogazowym. Reasumując stwierdzam, że rozprawa doktorska przedłożona przez mgr Martę Oleszek spełniła ustawowe wymagania do ubiegania się o stopień naukowy doktora w dyscyplinie agronomia, zawarte w Ustawie o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki z dn. 14 marca 2003 r. (Dz. U. Nr 65, poz. 595, z późn. zm.). Niewielkie niedociągnięcia popełnione przez Doktorantkę w żaden znaczący sposób nie pomniejszają wysokiej wartości przedłożonej do recenzji dysertacji. Na tej podstawie kieruję wniosek do Rady Instytutu Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego w Lublinie o dopuszczenie mgr Martę Oleszek do dalszych etapów przewodu doktorskiego. 8