Czyste energie wykład 12 Rośliny energetyczne uprawa i metody ich przetwarzania dr inż. Janusz Teneta Wydział EAIiIB Katedra Automatyki i Inżynierii Biomedycznej AGH Kraków 2014 Źródła materiałów do wykładu Prezentacja o roślinach energetycznych: dr inż. Alina Kowalczyk-Juśko Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Wydział Nauk Rolniczych w Zamościu ul. Szczebrzeska 102, 22-400 Zamość Prezentacja o bioelektrowni na postawie założeń techniczno-ekonomicznych Programu Inwestycyjno-Naukowego Bioelektrownia Rzędów - firma EKOENERGIA Ola Łukaszek 1
ROŚLINY ENERGETYCZNE JEDNOROCZNE: RZEPAK ZIEMNIAKI BURAKI KUKURYDZA ZBOŻA OWIES WIELOLETNIE: FORMY DRZEWIASTE ŚLAZOWIEC TOPINAMBUR TRAWY JEDNOROCZNE PLANTACJE ENERGETYCZNE RZEPAK Wymagania klimatyczno-glebowe - gleby kompleksów pszennych klasy od I do IIIb - ph 5,1-6,5 - wrażliwy na niskie temperatury Plony - nasion: od 1,5 do 2,5 t/ha - słomy: 3,3 t s.m./ha (s.m. = suchej masy) Wykorzystanie na cele energetyczne - nasiona biodisel - słoma bezpośrednie spalanie lub fermentacja 2
JEDNOROCZNE PLANTACJE ENERGETYCZNE ZIEMNIAK Wymagania klimatyczno-glebowe - gleby piaszczysto - gliniaste kasy od II do V - ph 5,5-6,5 Plony - bulw: od 16-20 t/ha - łęty: 3 t s.m./ha Wykorzystanie na cele energetyczne - łęty fermentacja metanowa (wydajność biogazu 1200 m 3 /ha) - bulwy fermentacja etanolowa (wydajność etanolu 10 14 l/100 kg bulw, w zależności od zawartości skrobi) JEDNOROCZNE PLANTACJE ENERGETYCZNE Wymagania klimatyczno-glebowe BURAK - gleby kompleksów pszennych klasy od I do IIIb - ph 6,5-7,0 Plony - korzeni: od 40 t/ha (cukrowy) do 60 t/ha (pastewny) - liści: 30-40 t św.m./ha Wykorzystanie na cele energetyczne - burak półcukrowy (korzenie i liście) fermentacja metanowa (produkcja metanu 18 820 m 3 /ha) - burak cukrowy (odpady po produkcji cukru) fermentacja metanowa (wydajność metanu 6000 m 3 /ha) - burak cukrowy i półcukrowy fermentacja etanolowa (wydajność etanolu 8 10 l/100 kg korzeni) 3
JEDNOROCZNE PLANTACJE ENERGETYCZNE KUKURYDZA Wymagania klimatyczno-glebowe - gleby różnych klas bonitacyjnych - ph 5,0-7,5 Plony - ziarna: 4-6 t/ha - suchej masy całych roślin: 11 13 t s.m./ha - słoma: 7 9 t s.m./ha Wykorzystanie na cele energetyczne - całe rośliny fermentacja metanowa (wydajność metanu 8100 m 3 /ha) - ziarno fermentacja etanolowa (wydajność etanolu 37-40 l/100 kg ziarna) - słoma bezpośrednie spalanie (wartość opałowa 16,8 MJ/kg) JEDNOROCZNE PLANTACJE ENERGETYCZNE ZBOŻA Wymagania klimatyczno-glebowe - zróżnicowane dla poszczególnych gatunków Plony - ziarna: od 2,5 do 4,5 t/ha - słomy: 2,8 t s.m./ha Wykorzystanie na cele energetyczne - ziarno etanol, wydajność 35 43 l/100 kg (wartość opałowa 27 MJ/kg) - słoma, ziarno (zwłaszcza owsa) bezpośrednie spalanie (wartość opałowa 15 MJ/kg - ziarno, zielona masa po zakiszeniu (zwłaszcza żyto i pszenżyto kiszonkowe) fermentacja beztlenowa 4
BIOMASA DRZEWNA Z LASÓW GATUNEK Wartość energetyczna MJ/kg Topola 18,2 Sosna 19,2 Buk 18,0 Świerk 18,2 Zrębki drzewne 10,4 Drewno odpadowe 16,0 Przeciętny przyrost lasu: - sosnowego 3,9 t/rok/ha - świerkowego 5,1 t/rok/ha Topola (Populus L.) Rodzaj obejmuje ok. 40 gatunków Topole rodzime: - biała - czarna - szara - osika Zbiory w skróconym cyklu co 5-6 lat Wysokie wymagania wodno glebowe Wysokie koszty założenia plantacji 5
Robinia akacjowa (Robinia pseudacacia L.) Małe wymagania wodno glebowe Cykl produkcyjny 15 20 lat Wysoka wartość opałowa Korzystny wpływ na glebę Gatunek trudny do likwidacji Łatwo się rozprzestrzenia Walory estetyczne - rozłożyste korony - białe pachnące kwiaty Wierzba wiciowa Salix viminalis L. Wymagania klimatyczno-glebowe: - gleby mineralne i organiczne, - różnorodne warunki siedliskowe, - gleby klas III-V, - znosi nadmiar i niedostatek wody, - w uprawie 15-20 lat Plonowanie: - 8 20 t/ha rocznie (24 60 t/ha w 3 letniej rotacji) Wykorzystanie na cele energetyczne: - bezpośrednie spalanie zrębki wierzbowe (wartość opałowa 19,2 MJ/kg s.m.), - brykiety, pelety Wierzba w pierwszym roku wegetacji 6
Zakładanie plantacji wierzby Odchwaszczanie mechaniczne wikliny Staranne przygotowanie gleby - odchwaszczenie - Roundup - wyrównanie pola Termin sadzenia - wczesna wiosna Sposób rozmnażania - sztobry - odcinki pędów o długości 10-25 cm Głębokość sadzenia - górny koniec sadzonki 2 cm nad ziemią Rozstawa rzędów - układ pasowy (przy zbiorze kombajnem) 0,7 i 1,3 m, w rzędzie 0,5 m Obsada roślin 18-20 tys. sztobrów/ha Sadzenie ręczne lub mechaniczne Prowadzenie łanu i ochrona W I roku - mechaniczne spulchnianie międzyrzędzi (maj) - zwalczanie chwastów: chemiczne - Afalon 50 WP, Sencor 70 WG lub mechaniczne - zwalczanie szkodników Fastac EC - nawożenie: wiosna - 30-60 kg N, 30 kg P 2 O 5, 80 kg K 2 O lipiec - 20-60 kg N Kultywatorowanie plantacji wikliny W kolejnych latach użytkowania nawożenie w miarę potrzeb 7
Zbiór wierzby wiciowej Urządzenie do rozdrabniania pędów wierzby - rębak Termin zbioru - XII - III pierwszy zbiór po 3-5 latach w ciągu całego okresu użytkowania 5-8 zbiorów zbiór mechaniczny za pomocą piły łańcuchowej, kombajnu, kosiarki listwowej ze wzmocnioną listwą (1-roczne) po zbiorze - rozdrobnienie (rębak) przechowywanie (sezonowanie w celu podsuszenia)- w postaci łodyg lub zrębków Ślazowiec pensylwański Sida hermaphrodita R. (sida, malwa pensylwańska) Wymagania klimatycznoglebowe - wszystkie typy gleb do kl. V - również piaszczyste - w przypadku rozmnażania generatywnego unikać gleb zlewnych i zaskorupiających się - wysoka zimotrwałość - różnorodność form - uprawa 15-20 lat Roślina ślazowca pensylwańskiego 8
Rozmnażanie ślazowca pensylwańskiego Materiał do rozmnożeń ślazowca: sadzonka z pędu, korzenia i rozsada Rozmnażanie generatywne wiosną w starannie przygotowaną, odchwaszczoną glebę - siewnik zbożowy - 5-6 kg nasion/ha - rozstawa rzędów 60-70 cm - głębokość siewu 1-1,5 cm - możliwy wysiew do doniczek celulozowo-torfowych Rozmnażanie wegetatywne - sadzonki korzeniowe (8-10 cm odcinki korzeni) na głębokość 6-8 cm - sztobry (15-20 cm odcinki pędów) - uprawa 15-20 lat Prowadzenie plantacji ślazowca pensylwańskiego Rośliny ślazowca pensylwańskiego na poletku doświadczalnym w Zamościu (lipiec) Nawożenie - 100 kg N, 60-90 kg P 2 O 5, 150 kg K 2 O Pielęgnacja - przed założeniem plantacji staranne odchwaszczenie - młode rośliny wrażliwe na zachwaszczenie - w kolejnych latach chwasty nie stanowią konkurencji dla ślazowca, wskazane międzyrzędowe spulchnianie gleby przed ruszeniem wegetacji - po założeniu plantacji - możliwe szkody wyrządzane przez ptactwo - w przypadku wystąpienia chorób (zgnilizna twardzikowa Sclerotinia sclerotiorum) - Funaben 03 PA, Benlate 50 WP, Sandofan Manco 64 WP - nie uprawiać po słoneczniku, fasoli, tytoniu 9
Zbiór ślazowca pensylwańskiego na cele energetyczne Termin - IX-II (po przymrozkach) Narzędzia - kosiarka mechaniczna, kosa spalinowa Po zbiorze można rozdrobnić - rębak Plon ~12 t s.m/ha Ślazowiec pensylwański po zakończeniu wegetacji Wykorzystanie na cele energetyczne: - bezpośrednie spalanie - łodygi grube 11,9 MJ/kg, łodygi cienkie 14,5 MJ/kg - możliwa fermentacja metanowa Ślazowiec pensylwański Wady: Podatność na zgniliznę twardzikową Mała dostępność sadzonek Mały stopień rozmnożenia przez nasiona Silne zachwaszczanie plantacji w pierwszym roku 10
Topinambur Helianthus tuberosus (słonecznik bulwiasty, bulwa) Wymagania klimatycznoglebowe: gleby średnio zwięzłe, raczej żyzne, dostatecznie wilgotne nie nadaje się na gleby podmokłe i silnie kwaśne przedplon - wszystkie rośliny uprawne, niezbyt zachwaszczone odłogi Ogólny pokrój rośliny topinamburu Gatunek jednoroczny, odrasta z bulw zimujących w glebie, nie wymaga odnawiania przez kilka lat Topinambur Helianthus tuberosus Bulwy Młode rośliny topinamburu Zakładanie plantacji topinamburu Rozmnażanie wegetatywne - bulwy sadzenie wiosną lub jesienią w dobrze przygotowaną glebę sadzenie ręczne lub sadzarką do ziemniaków głębokość 10-15 cm (jesień) lub 5-10 cm (wiosna) rozstawa rzędów 0,7-1 m, w rzędach 50-60 cm 1,5 t sadzeniaków/ha 11
Prowadzenie łanu i pielęgnacja topinamburu Po wschodach - bronowanie - w miarę potrzeby pielenie międzyrzędzi - obredlanie - po zacienieniu międzyrzędzi nie ma dalszej potrzeby odchwaszczania Nawożenie mineralne: 80-120 kg N/ha, 60-80 kg P 2 O 5, 60-120 kg K 2 O - nawożenie azotowe w 2 dawkach - 1/2 przed sadzeniem (razem z P i K), 1/2 kiedy rośliny mają ok. 50 cm wysokości Odnawianie plantacji - orka wzdłuż rzędów, nawożenie mineralne - po wschodach przerzedzenie roślin opielaczem wzdłuż i w poprzek rzędów aby uzyskać obsadę 3-4 roślin na 1 m 2 Topinambur Helianthus tuberosus Zbiór: zbiór części nadziemnych (na cele energetyczne) można przeprowadzać nawet trzykrotnie (czerwiec, sierpień i listopad), lub po zaschnięciu roślin w okresie późnojesiennym i zimowym maszyny - sieczkarnia samobieżna z przyczepą, kosa spalinowa zbiór bulw kopaczka elewatorowa lub ręcznie Plonowanie: Plon słomy 10 16 t s.m/ha Średni plon bulw 18 34 t św.m./ha Wady: Łatwo wylega Zachwaszcza pole Bez odnawiania karłowacieje 12
Topinambur Helianthus tuberosus Wykorzystanie na cele energetyczne: - bezpośrednie spalanie brykiety, pelety - fermentacja metanowa wydajność metanu 8 320 m 3 /ha - fermentacja etanolowa wydajność etanolu 2 610 l/ha Plantacje topinamburu w funkcji rekultywacyjnej Gatunki: - kostrzewa trzcinowa Festuca arundinacea - życica trwała Lolium perenne Rodzime trawy wieloletnie - mozga trzcinowata Phalaris arundinaceae - trzcinnik piaskowy Calamagrostis acutiflora Plonowanie: - potencjał plonowania około 20 t s.m./ha - plony uzyskiwane w praktyce 5 6 t s.m./ha Ograniczeniem wykorzystania na cele energetyczne jest stosunkowo krótki okres użytkowania plantacji (3-4 lata) 13
Trwałe użytki zielone Znaczna ilość biomasy Nieracjonalne wykorzystanie Naturalna sukcesja Możliwości wykorzystania biomasy na cele energetyczne: - spalanie - fermentacja Trzcina pospolita Phragmites australis Wymagania klimatyczno-glebowe: - bardzo duże wymagania wodne - gleby organiczne podmokłe Plonowanie: - plonowanie w zbiorowiskach naturalnych na poziomie 13 30 t s.m./ha 14
Miskant olbrzymi Miscanthus sinensis giganteus (trawa słoniowa, miskant chiński) Miskant olbrzymi w okresie wegetacji Miskant olbrzymi po zakończeniu wegetacji Miskant olbrzymi Miscanthus giganteus (trawa słoniowa, trzcinnik olbrzymi) Pochodzenie południowowschodnia Azja Zdolność do przystosowania w zróżnicowanych warunkach Niewielkie wymagania glebowe Największy potencjał plonowania spośród traw Rozmnażanie wegetatywne lub in-vitro 15
Miskant olbrzymi Przygotowanie pola i sadzenie jesienią nawożenie organiczne i głęboka orka odchwaszczanie mechaniczne (kultywator, brona) lub chemiczne (np. Roundup) rozmnażanie wegetatywne sadzonki kłączowe o długości ok. 10 cm. Miskant olbrzymi Zbiór miskanta olbrzymiego Miskant olbrzymi po zakończeniu wegetacji 16
Miskant cukrowy Miscanthus sacchariflorus Zalety - Większa mrozoodporność - Silne krzewienie - Małe ryzyko zachwaszczenia - Duża trwałość - Duża ekspansywność Wady - Duża ekspansywność - Ryzyko środowiskowe - Mniejszy potencjał plonowania - Mniejsze upowszechnienie uprawy - Mała podaż sadzonek Miskant cukrowy Miscanthus sacchariflorus Wykorzystanie na cele energetyczne: - bezpośrednie spalanie wartość opałowa 17,0 MJ/kg s.m. - fermentacja metanowa wydajność metanu 10 250 m 3 /ha Rośliny miskanta cukrowego po zakończeniu wegetacji 17
Wymagania klimatyczno-glebowe: - różnorodne typy gleb: bardzo suche, kamieniste, zlewne, zaskorupione - wysoka zimotrwałość Spartina preriowa Spartina pectinata (spartina sercowata) Plonowanie: - plonowanie na poziomie 7 15 t s.m./ha Wykorzystanie na cele energetyczne: - bezpośrednie spalanie wartość opałowa 17,0 MJ/kg s.m. - fermentacja metanowa wydajność metanu 9 840 m 3 /ha Spartina preriowa Spartina pectinata (spartina sercowata) Plantacja spartiny w I roku wegetacji Agrotechnika: podobna jak w przypadku miskanta można zrezygnować z orki zimowej, nawożenia organicznego i wapnowania rozmnażanie wegetatywne obsada 2 rośliny na m 2 odchwaszczanie w pierwszym i drugim roku wegetacji trawa luźnokępowa zalecany zbiór zimowy ze względu na późne zasychanie i małe straty plonu 18
Spartina preriowa Spartina pectinata (spartina sercowata) Wykorzystanie na cele energetyczne: - bezpośrednie spalanie wartość opałowa 17,0 MJ/kg s.m. - fermentacja metanowa wydajność metanu 9 840 m 3 /ha Rośliny spartiny preriowej po zakończeniu wegetacji Palczatka Gerarda Andropogon gerardi Wymagania klimatyczno glebowe gatunek ciepłolubny wegetację rozpoczyna w maju gleby umiarkowanie wilgotne, o ph 5 8 dobrze znosi zasolenie i suszę stanowisko starannie odchwaszczone 19
Agrotechnika Palczatka Gerarda Andropogon gerardi możliwe rozmnażanie wegetatywne i generatywne rozmnażanie wegetatywne przez podział kępy, z jednej kępy 50 70 sadzonek rozmnażanie generatywne siew rzędowy odległość między rzędami 60 114 cm. w przypadku niskiej obsady roślin duże nakłady na pielęgnację trawa kępowa zalecany zbiór jesienią duże wahania plonu w zależności od jakości gleby (6 20 t s.m./ha) Zagospodarowanie odłogów i nieużytków Powierzchnia gruntów odłogowanych 2,3 mln ha w 2003 roku Zachwaszczenie i sukcesja odłogów Negatywny wpływ na pola sąsiednie Nasilenie erozji Możliwość nasadzeń większości gatunków wieloletnich 20
Rekultywacja terenów zdegradowanych Fitoremediacja rekultywacja gruntów przy użyciu roślin Pobieranie z gleby składników niepożądanych, głównie metali ciężkich Możliwość wykorzystania biomasy na cele energetyczne Gatunki szczególnie przydatne w rekultywacji: - wierzba - topinambur - ślazowiec pensylwański - trawy wieloletnie Nasadzenia w strefach ochronnych Strefy ochronne: - obiektów przemysłowych uciążliwych dla środowiska - wysypisk odpadów stałych - arterii komunikacyjnych Ochrona osiedli mieszkalnych przed skażeniami i hałasem Osłona przeciwwiatrowa i przeciwśniegowa Walory estetyczne terenu 21
PODSUMOWANIE Warunki klimatyczno-glebowe kraju są odpowiednie do uprawy zarówno krajowych jak i introdukowanych do naszej strefy klimatycznej gatunków roślin energetycznych. W Polsce istnieją już techniczne możliwości przetwarzania biomasy na energię. Dla części roślin zalecenia agrotechniczne dla tego nowego kierunku użytkowania są w trakcie opracowywania. Wstępne obliczenia wykazały, że zarówno wysokość plonu, jak i wartość kaloryczna biomasy pozwalają wnioskować, że uprawa roślin energetycznych może przynieść wymierne korzyści dla środowiska i znaczący efekt ekonomiczny. Plantacje energetyczne pozwolą zagospodarować wzrastającą powierzchnię obszarów wyłączonych z tradycyjnej produkcji rolniczej oraz gruntów marginalnych. Stanowić też mogą źródło dodatkowego przychodu i miejsce pracy dla mieszkańców wsi. Bioelektrownia 22
schemat bioelektrowni Dzięki unikatowym rozwiązaniom konstrukcyjnym oraz procesowym, technologia ELECTRA charakteryzuje się minimalnym zużyciem energii dla własnych celów, wykorzystaniem wody w systemie zamkniętym oraz jako jedyna, może wykorzystywać do celów technologicznych wody opadowe (deszcz, śnieg). Jest również, a może przede wszystkim technologią całkowicie bezodpadową i bezodorową. Technologia bioelektrowni ELECTRA, zaproponowana przez firmę EKOENERGIA, przewiduje wykorzystanie wody w systemie zamkniętym. W przypadku gdy wystąpi nadprodukcja wody technologicznej (nadosadowej), może być ona po procesie oczyszczenia w mikrooczyszczalni, odprowadzona kolektorem do znajdującego się w pobliżu zbiornika lub cieku wodnego. 23
System oczyszczania wody, po procesie odwirowania czy prasowania osadu pofermentacyjnego, obejmuje kompleksowe procesy biologiczne i chemiczne (odwrócona osmoza) oraz (w razie konieczności) kanadyjską technologię filtracji membranowej (Zenon). Odwrócona osmoza wymuszona dyfuzja rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu. W przeciwieństwie do osmozy spontanicznej, odwrócona osmoza zachodzi od roztworu o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o stężeniu niższym, czyli prowadzi do zwiększenia różnicy stężeń obu roztworów. Odwrócona osmoza, w odróżnieniu od spontanicznej, musi zostać wywołana przyłożeniem do membrany ciśnienia o większej wartości i skierowanego przeciwnie niż ciśnienie osmotyczne naturalnie występujące w układzie. Odwrócona osmoza jest podstawą jednej z metod odsalania wody morskiej. Stosuje się też ją do oczyszczania i zatężania ścieków przemysłowych, szczególnie pochodzących z przemysłu spożywczego, papierniczego i galwanicznego. Metoda ta pozwala na odzyskanie wody oraz cennych substancji zawartych w ściekach. Główną zaletą tej metody jest stosunkowo małe zużycie energii, gdyż proces zachodzi bez przemiany fazowej. (Wikipedia) Proces technologiczny w bioelektrowni ELECTRA jest w całości hermetyczny. Transport substratów pomiędzy obiektami bioelektrowni ( budynkiem mikronizera i zbiornikiem przygotowania zasadniczego a komorą fermentacyjną) odbywa się podziemnymi rurociągami oraz transportem naziemnym, charakterystycznym dla układu z silosami. Wszystkie obiekty kubaturowe (wymienione wcześniej zbiorniki, przygotowania zasadniczego oraz komory fermentacyjne) są obiektami szczelnie zamkniętymi. Zbiornik biogazu jest szczelny z natury rzeczy. Budynek w którym odbywać się będzie produkcja nawozu może mieć zamontowaną instalację do mikropodciśnienia. Miejsca zagrożone ewentualną emisją zanieczyszczeń zapachowych wyposażone są w biologiczne filtry antyodorowe, których wsady filtracyjne wymieniane są co pół roku, a zanieczyszczone kierowane są do zutylizowania w komorach fermentacyjnych. 24
Bioelektrownia w Rzędowie jako pierwsza spośród realizowanych w technologii ELECTRA wyposażona zostanie w urządzenia wpływające na jakość procesu wygazowania: Tomograficzny kontroler umożliwiający monitorowanie, wizualizację, i optymalizację procesu wielofazowego wymieszania substratu (patent USA) Mikronizer urządzenia do rozbicia substratu na cząsteczki o wielkości kilkudziesięciu mikronów z jednoczesnym rozerwaniem błon komórkowych (patent USA Centrum Badawczo Wdrożeniowego Nowych Technologii) Schemat działania i model urządzenia do tomograficznej kontroli procesu wymieszania substratów 25
Wizualizacja sedymentacji substratów w komorze fermentacyjnej Mikronizer rozdrabnianie biomasy w celu lepszego zgazowania 26
Komora fermentacyjna Schemat procesu fermentacji 27
Zbiornik biogazu i wymienniki podgrzewające substrat Agregat kogeneracyjny Tedom 28
Prasa taśmowa Bellmer do odwadniania osadu i ładowanie osadu na rozrzutnik nawozu Substraty dla bioelektrowni: 29
30
Perz wydłużony zbitokępkowy Wojciech Łukaszek na plantacji Topinamburu 31
Dziękuję za uwagę!!! 32