Wstęp Potencjał uprawy buraków cukrowych Buraki cukrowe nie były dotychczas doceniane jako substraty w biogazowniach. Mimo powszechnej wiedzy o wysokim potencjale pozyskiwania gazu/kg ots oraz wydajności powierzchniowej upraw, buraki cukrowe wykorzystywano dotąd jako substraty jedynie w nielicznych biogazowniach. Nie tylko z uwagi na reformę unijnego rynku cukru oraz zmiany na rynkach surowców, buraki cukrowe zaczęły w ostatnim czasie coraz częściej pojawiać się w biogazowniach jako substraty. Coraz więcej operatorów biogazowni wykorzystuje fakt, Ŝe buraki znakomicie nadają się do poddawania ich procesowi fermentacji. Teraz, gdy moŝna dysponować coraz większą ilością praktycznych doświadczeń, popyt na buraki cukrowe szczególnie w zastosowaniu jako uzupełnienia substratów w biogazowniach jest coraz bardziej widoczny. Sucha masa buraka cukrowego w ok. 94% składa się z bezpośrednio ulegających procesowi fermentacji węglowodanów. Cukier jest bardzo wydajną formą magazynowania energii. Decydujące znaczenie ma tutaj szybka przemiana w energię (Rys. 1). Rys. 1: Szybkość rozkładu grup substancji Cukry (cukry proste, dwucukry) Skrobia (cukier złoŝony) Białka Pektyny (cukry złoŝone) Hemicelulozy ( cukry złoŝone) Celuloza (cukry złoŝone) Drzewnik Woski śywica, garbniki Zakres techniczno-ekonomicznych granic czasów rozkładu Czas rozkładu (HRT) Źródło: Volmer, 1982 w Eder, Schulz 2006 2 3
TakŜe pozostała substancja roślinna miąŝsz buraka, znakomicie ulega procesowi fermentacji i tak samo szybko moŝe być ona przetwarzana w biogazowniach, poniewaŝ nie zawiera lignocelulozy (zdrewniałych budulców). Tak więc buraki cukrowe dostarczają energię niemal wprost na tacy. W badaniach przeprowadzonych przez LfL Bayern (Rys. 2) buraki cukrowe wykazują najwyŝszy współczynnik pozyskiwania metanu na kilogram suchej masy organicznej. Rys. 2: Wartości poszczególnych źródeł pozyskiwania biogazu Okazuje się, Ŝe buraki cukrowe wykazują duŝą konkurencyjność takŝe w porównaniu z substratami w produkcji biogazu, które aktualnie ciągle jeszcze dominują w praktyce pozyskiwania energii. Porównanie wydajności powierzchniowej na hektar buraków i liści bardzo podkreśla róŝnicę. Obecnie, w praktyce korzyść w otrzymywaniu energii na hektar waha się między plus 20 a 30 % powyŝej kiszonki z kukurydzy na bazie zbioru buraków bez liści, zaleŝnie od miejsca i przebiegu procesu (Rys. 3). Pozyskiwanie metanu (l/kg TM) 700 600 500 400 300 200 100 0 Nawozy Rosnące Produkty gospodarcze surowce uboczne Źródło: wg Podręcznika dot. biogazu, Bayern 2004 Wyniki te potwierdzają badania naukowe, jak np. badania AMON w 2007 r. Rys. 3: Pozyskiwanie biogazu na hektar róŝnych polnych roślin uprawnych Substrat Pozyskiwanie t/ha Metan cbm/t ots Metan cbm/t ha kwh/ha brutto kwh/ha netto Średnio ZboŜe 8 426 2.749 26.669 9.601 50 % Kukurydza 60 325 5.496 53.307 19.191 100 % Buraki cukrowe 70 442 6.757 65.539 23.594 123 % Liście buraków 42 324 1.306 12.672 4.562 24 % Buraki + liście 112 417 8.063 78.210 28.156 147 % Źródło: Mann, LBB Göttingen, Obrady Kuratorium, Baunatal 2008 4 5
Specjalistyczne metody produkcji buraków cukrowych do pozyskiwania biogazu Jeśli buraki cukrowe są uprawiane specjalnie na potrzeby pozyskiwania biogazu, dzięki specjalnym metodom produkcji moŝliwe jest wykorzystanie ich dodatkowych potencjałów. W przeciwieństwie do produkcji cukru, niepoŝądane substancje tworzące melasę (zawartość potasu, sodu i aminy azotu) nie wywierają znacznego negatywnego wpływu na produkcję metanu w biogazowniach tutaj liczy się zebrana sucha masa/ha. Jako z cennej biomasy, nie powinno się więc rezygnować z główki. Buraki mogą być zbierane z główkami i resztkami liści. Jeśli nie są pozbawiane główek, otrzymuje się zysk w wielkości ok. 3-7 %. Ponadto z uwagi na fakt, Ŝe burak został mniej naruszony, moŝna go dłuŝej przechowywać. Techniki oddzielania liści będą w przyszłości wyzwaniem dla NiŜsze straty magazynowania dzięki zoptymalizowanej technice zbiorów Cel produkcji: Metoda zbioru: usuwanie liści z główką Cukier usuwanie liści bez główki Biogaz W jaki sposób przygotowuje się i przechowuje buraki cukrowe? W celu wykorzystania świeŝo zebranych lub magazynowanych buraków cukrowych waŝne jest, by zostały one drobno pocięte. Zastosowanie odnajdują tu między innymi urządzenia stacjonarne, które mogą być zaopatrywane np. ładowaczem czołowym. W praktycznych testach KWS, po drobnych przeróbkach narzędzi, równie dobre okazały się rozdrabniarki recyklingowe, zieleni i kompostowe. Technika musi być oczywiście dostosowana do moŝliwości urządzenia. Czynnikiem obniŝającym wydajność bywa często ładowarka kołowa, gdyŝ buraki cukrowe łatwo ulegają rozdrobnieniu. Aby zapewnić dostępność przez cały rok, buraki cukrowe mogą być kiszone np. razem z kukurydzą. 30 % buraków w zawartości materiału nie stanowi Ŝadnego problemu i zostało to potwierdzone w pierwszych doświadczeniach. Z czasów wykorzystywania kiszonek mieszanych z burakami znane są juŝ kiszonki z dodatkiem kukurydzy, a stosowana w ich przypadku technika jest jeszcze częściowo dostępna na rynku maszyn uŝywanych. Zasadniczo moŝliwe jest przechowywanie buraków cukrowych w stertach (w zaleŝności od warunków pogodowych) do lutegomarca. W celu ochrony buraków przed mrozem obowiązują takie same zasady jak w przypadku przechowywania roślin w stertach na obrzeŝach pola, przed dostawą do fabryki cukru. Rys. 4: Odpowiednia struktura świeŝo rozdrobnionych buraków cukrowych (wielkość pudełka od zapałek) zajmujących się tym tematem producentów rolnych. Ponadto, aby podwyŝszyć zysk moŝna lekko zwiększyć stopień nawoŝenia azotem. Powszechnie uwaŝa się, Ŝe lepsza dostępność azotu przekłada się w pierwszej kolejności na wytwarzanie liści, zatem nie powinno się teŝ popadać w przesadę. Wysoki stopień pochłaniania azotu jest takŝe w dyskusjach publicznych oraz w kwestiach certyfikacji kolejnym istotnym plusem na korzyść buraków cukrowych. 4 7
W biogazowni Bakterie powinny być najpierw wolno przyzwyczajane do nowego substratu. TakŜe wielkość sieczki ma znaczenie dla jej przetworzenia Obowiązuje ogólna zasada: im większe cząstki, tym dłuŝej trwa rozkład. Drobna sieczka ulegnie szybkiej przemianie, jednak równie szybko zmieni kwasowość w komorze fermentacyjnej. W praktyce okazywało się, Ŝe optymalne jest rozdrabnianie do wielkości pudełka od zapałek. Wpływ buraków zostanie z pewnością szybko zauwaŝony na podstawie zwiększonego pozyskiwania gazu. Obecność ziemi Obecność ziemi była dotąd w wielu biogazowniach kryterium wykluczającym zastosowanie buraków cukrowych. W przypadku obecności ziemi naleŝy sprecyzować, z jakim typem podłoŝa ma się do czynienia. Buraki zebrane z piaszczystego pola mają mniejszy dodatek ziemi niŝ buraki rosnące w podłoŝu gliniastym czy ilastym. Jednak sypki dodatek ziemi mógłby się łatwiej osadzić w komorze fermentacyjnej niŝ miałoby to miejsce w przypadku podłoŝa gliniastego i ilastego. Minerały zawarte w glinie i ile pyłowym wykazują mniejszą ziarnistość oraz właściwości płynne (nie opadanie). Niekorzystnie zebrane buraki cukrowe, na których moŝna zauwaŝyć znaczną obecność ziemi mogą zostać wykluczone juŝ przed transportem do biogazowni. Nie moŝna jeszcze jednoznacznie określić jak duŝo ziemi ostatecznie się osadzi i jak duŝa część będzie fermentowała, ale zaleŝy to równieŝ od konsystencji cieczy w komorze fermentacyjnej. Projekty badawcze KWS obejmują takŝe i tę kwestię. W przypadku komór fermentacyjnych z urządzeniami separującymi piasek wzgl. oddzielaczami piasku, ziemia jest usuwana automatycznie, a osady są znikome. Istniejąca technika oferuje takŝe moŝliwości wstępnego oczyszczania lub ewentualnie partia moŝe być wielokrotnie oczyszczana za pomocą ładowaczy czyszczących, albo teŝ buraki mogą być myte przed rozdrabnianiem na terenie biogazowni, wzgl. na polu. W tym celu istnieje duŝo róŝnych moŝliwości włącznie z myjniami ziemniaków i innych warzyw. Liście buraków TakŜe liście buraków są odpowiednim substratem dla biogazowni. Jeśli dostępna jest technika umoŝliwiająca zbiór liści, ta organiczna masa będzie mogła równieŝ zostać poddana procesowi kiszenia. NaleŜy uwzględnić warunki przygotowywania i otrzymywania kiszonek, np. powstawanie soku, konieczność dodatkowego zbijania masy poprzez jazdę na polu itp. Dotychczasowe doświadczenia praktyczne KWS z powodzeniem wspierał i towarzyszył ałoŝeniu kilku juŝ instalacji do fermentowania buraków cukrowych. Praktyka pozwoliła na wyciągnięcie następujących wniosków: materiał, jaki stanowią buraki cukrowe, bardzo szybko przekształca się w metan wzrasta wydajność gazu stęŝenie metanu w biogazie przy dodatku 25-30 % wzrasta o ok. 2 % wyrównywanie wahań wydajności z karmy podstawowej jest bardzo efektywne, jakościowo zła kiszonka jest optymalizowana moŝliwość szybkiej reakcji na zakłócenia pracy dzięki burakom cukrowym fermentująca masa moŝe być znacznie lepiej wykorzystywana zastosowanie buraków stabilizuje proces, co moŝna sprawdzić za pomocą korzystniejszych wartości FOS/TAC 5 9
biogazownie stają się bardziej chętne na podaŝ nowych substratów (ładunek nie zwiększa kwasowości) buraki są wydajną alternatywą dla śrutu zboŝowego do produkcji biogazu 6 9
Wiosenny zbiór buraków Kreatywne spełnianie wymogów Prawdziwy sukces buraków cukrowych w roli substratów biogazowych dopiero nastąpi korzyści mówią same za siebie. Oczywiście naleŝy się jeszcze uporać z róŝnymi wyzwaniami. Główne aspekty stanowi obecność ziemi i całoroczne zaopatrywanie w buraki cukrowe. Odnośnie oczyszczania z ziemi oraz po stronie urządzeń czy teŝ samej techniki oczyszczania jest juŝ dostępnych wiele rozwiązań. Aby zapewnić całoroczne zaopatrzenie, istnieje moŝliwość rozwinięcia i ulepszenia metod przechowywania buraków. Koncepcje mieszanych kiszonek w połączeniu z innymi substratami oraz zoptymalizowane magazynowanie obiecują interesujące rozwiązania. Dodatkowo KWS opracowuje nowe koncepcje upraw, dzięki którym buraki będą mogły być dostępne takŝe na wiosnę. Wiosenne zbiory buraków stanowią tu bardzo ciekawy pomysł. Buraki te uprawia się jak międzyplony wysiew latem, po Ŝniwach zbóŝ. Po przetrwaniu zimy mogą być one zbierane w maju, aŝ po zakończenie fazy intensywnego wzrostu, do świeŝego zaopatrzenia biogazowni. Wysiew: 10.08.2007 Wysiew: 19.07.2007 Wysiew: 03.09.2007 Buraki cukrowe KWS na terenie hodowli Seligenstadt, zdjęcie z 7 października 2007: obiecujące plony wcześniejszego wysiewu Energia przyszłości przebieg czasowy hodowli buraków ZboŜe lub GPS Burak cukrowy jako międzyplon Kukurydza lub proso ZboŜe lub GPS Spełnianie wymogów z kreatywnością i rozmachem to motto pomogło naszym naukowcom i specjalistom opracować wiele inteligentnych rozwiązań dotyczących buraków. Być moŝe właśnie ten fakt stanowi o największych zaletach buraków w pozyskiwaniu biogazu. 10