Ryszard Konieczny 1 Uniwersytet Ekonomiczny we Wrocławiu Logistyka - nauka Monika Fedko 2 Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach, Oddział w Poznaniu Monitorowanie zasobów biomasy Wstęp W Polsce jest niewiele szczegółowych informacji o zasobach odnawialnych źródeł energii na terenach gmin wiejskich w zakresie planowania, rozwoju i lokalizacji instalacji energetyki odnawialnej. Uzupełnieniem wiedzy w tym zakresie są opracowania zapewniające w warunkach lokalnych gmin ocenę dostępności zasobów biomasy. Wychodząc naprzeciw oczekiwaniom w artykule zaprezentowano jeden ze sposobów matematycznego monitorowania zasobów biomasy słomy z upraw zbóż na cele energetyczne. Realizowane w tym zakresie działania stanowią zadanie badawcze Instytutu Technologiczno-Przyrodniczego w Falentach, Oddział w Poznaniu, w ramach tematu: Monitoring i kompleksowa ocena zasobu odnawialnych źródeł energii na potrzeby planowania, rozwoju i lokalizacji instalacji agrotechnicznych [Program Wieloletni 2011-2015]. Zaprezentowany sposób monitorowania biomasy słomy opracowano w celu oszacowania jej zasobów z upraw zbóż na terenie gmin Wielkopolski użytkowanych rolniczo (Budzyń, Kaźmierz, Kostrzyn Wielkopolski). Założono przy tym, że omówiony sposób obliczeniowy do monitorowania zasobów dostępnej biomasy roślinnej z upraw zbóż będzie stanowić przykładowy wzorzec do zastosowania na terenie gmin wiejskich Polski i znacząco przyczyni się do rozwoju i wytwarzania odnawialnych źródeł energii z biomasy roślin. Przegląd literatury Biomasa roślinna jako surowiec odnawialny jest wytwarzana na kuli ziemskiej w ogromnych ilościach. Stanowi ona zainteresowanie wielu potencjalnych odbiorców energii, a jej zagospodarowanie w energetyce ma zastosowanie w procesach bezpośredniego spalania surowców stałych oraz po przetworzeniu na biopaliwa ciekłe i gazowe [14; 8]. Wielkość produkcji biomasy roślinnej zależy od wielu czynników. Do najważniejszych z nich należy powierzchnia uprawowa roślin, której produktem są: słoma, plony, gatunek i odmiana roślin [3]. W przypadku braku danych bezpośrednich o produkcji biomasy roślin, w tym słomy, jej wielkość na terenach gmin wiejskich jest monitorowana w odniesieniu do poszczególnych upraw zbożowych na podstawie areału zbóż lub/oraz całkowitego plonu ziarna [10]. W szacowaniu zasobów słomy z upraw zbożowych stosowane są wskaźniki przeliczeniowe. Są one sporządzane na podstawie obliczeń wynikających z badań naukowych i danych statystycznych [3; 6; 4]. Dla oszacowania na terenach rolniczych zasobów słomy przeznaczonych na cele energetyczne niezbędne jest wskazanie jej nadwyżek. W Polsce na terenach rolniczych ze zbiorów słomy na poziomie od 23 do 30 mln ton realnie w energetyce może być użytkowane od 4 do 5 mln ton słomy rocznie [16]. Kompleksowa ocena energetycznej dostępności biomasy roślinnej pochodzącej z rolnictwa jest jednak trudna w realizacji. W kalkulacjach zagospodarowania słomy pierwszoplanowo uwzględniane są potrzeby konserwacji gleby i chowu zwierząt. Szacuje się, że na terenach gmin wiejskich użytkowanych rolniczo słoma w produkcji zwierzęcej stanowi w 36% dodatek do pasz, a w 58% jest wykorzystywana w ściołowych systemach utrzymania zwierząt gospodarskich [2; 1; 13]. Ponadto po przyoraniu stanowi ona nawóz zapewniający utrzymanie zrównoważonego bilansu glebowego substancji organicznej [3; 12]. 1 Dr hab. inż. R. Konieczny, prof. nadzw., Uniwersytet Ekonomiczny we Wrocławiu, Instytut Chemii i Technologii Żywności, Katedra Aparatury i Inżynierii Procesowej 2 Mgr inż. M. Fedko, Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach, Oddział w Poznaniu, Zakład Odnawialnych Źródeł Energii Logistyka 5/2015 207
Zastosowane metody badawcze Do zaprezentowania sposobu monitorowania zasobów biomasy słomy z upraw zbóż na cele energetyczne wykorzystano z 82 badań ankietowych gospodarstw rolnych gmin Wielkopolski (Budzyń, Kaźmierz, Kostrzyn Wlkp.) za 2011 rok dane o areale i rodzaju upraw zbóż oraz zestawienia zbiorcze DJP zwierząt hodowlanych o wielkości produkcji bydła, trzody chlewnej i koni [11; 15]. Współczynnik DJP odniesiono do krów, źrebiąt powyżej 2 lat oraz tuczników i wyrażono w sztukach fizycznych pogłowia inwentarza żywego utrzymywanego na płytkiej i głębokiej ściółce [17]. W matematycznych obliczeniach uwzględniono wskaźniki przeliczeniowe do szacowania uzysku biomasy słomy z areału upraw różnych rodzajów zbóż (tab. 1). Tabela 1. Wskaźniki przeliczeniowe K Mg (ha rok) -1 dla areału upraw różnych rodzajów zbóż do szacowania uzysku słomy w produkcji rolniczej na terenach gmin wiejskich. Rodzaj K Mg (ha rok) -1 zboża min max śr. jęczmień 2,30 3,90 3,00 pszenica 2,20 6,20 4,40 pszenżyto 3,00 6,10 4,90 żyto 2,60 6,80 5,10 jęczmień 2,00 5,00 3,60 pszenica 5,50 4,40 3,60 owies 3,60 5,50 4,40 mieszanka* 3,70 4,97 3,87 *sporządzono dla zbóż jarych w odniesieniu do 1/3 sumy wielkości wskaźników minimalnych, maksymalnych i wartości średnich Źródło: Opracowanie własne na podstawie: [10; 9; 6; 5]. Ozime jare Monitorowanie zasobów biomasy słomy z upraw zbóż na cele energetyczne przeprowadzono według zależności: gdzie: E Q ( Z Z ) (1) 3 1 2 Z E - nadwyżka słomy do energetycznego wykorzystania, Mg rok -1 Q - produkcja słomy z upraw zbóż, Mg rok -1 Z1 - zapotrzebowanie słomy na ściółkę, Mg rok -1 Z2 - zapotrzebowanie słomy na pasze, Mg rok -1 Z3 - zapotrzebowanie słomy na przyoranie, Mg rok -1 W wyznaczeniu parametrów Z1, Z2 i Z3 skorzystano z zestawienia zbiorczego do szacowania w produkcji zwierzęcej rocznego zapotrzebowania słomy na ściółkę i paszę oraz wielkości uzysku obornika odniesionego do suchej substancji (tab. 2). 208 Logistyka 5/2015
Tabela 2. Zestawienie zbiorcze do szacowania w produkcji zwierzęcej rocznego zapotrzebowania słomy na ściółkę i paszę oraz wielkości uzysku obornika w odniesieniu do suchej masy wyrażonej w Mg (szt rok) -1. Nazwa i symbol wskaźnika Bydło Trzoda chlewna Konie od 6 warchlaki >12* krowy do12* od 3 do 6* tuczniki lochy 36* > 36* Ściółka aś 0,40 0,60 1,00 0,20 0,20 0,50 0,80 1,00 Pasza ap 0,40 0,90 1,20 --- --- --- 0,80 0,80 Obornik ao 1,25 2,00 2,50 0,30 0,45 0,625 1,25 2,00 *wiek zwierząt w miesiącach Źródło: Opracowanie własne na podstawie: [3; 13]. Wyniki badań Ilość biomasy słomy wyszczególnionej w zależności (1) oszacowano dla analizowanych gmin Wielkopolski na podstawie rodzaju upraw zbóż i powierzchni ich zasiewu ze wzoru: w którym: Q A K n Q n i1 A i K i - ilość biomasy słomy z areału upraw zbóż, Mg rok-1 - areał poszczególnego rodzaju upraw zbóż, ha - wskaźnik przeliczeniowy (tab. 1), Mg (ha rok)-1 - liczba rodzajów upraw (2) W celu przeprowadzenia matematycznych obliczeń dla zależności (1) parametry Z1, Z2 i Z3 zestawiono w postaci równań [3; 13]: w których: m Z1 p i a śi (3) i1 m Z 2 p i a pi (4) i1 Z3 1, 54 S (5) p - pogłowie poszczególnych rodzajów zwierząt hodowlanych, szt. aś - zapotrzebowanie danego gatunku zwierząt na ściółkę, Mg (szt. rok) -1 ap - zapotrzebowanie danego gatunku zwierząt na paszę, Mg (szt. rok) -1 1,54 - równoważność masy słomy w odniesieniu do 1 tony masy suchej obornika, - S - saldo substancji organicznej, Mg rok -1 m - liczba gatunków zwierząt Logistyka 5/2015 209
Z kolei saldo substancji organicznej w równaniu (5) obliczono na podstawie: S n i1 A di W di n i1 A ri W ri Z 4 (6) gdzie: Ad Ar - areał upraw roślin zmniejszających zawartość substancji organicznej w glebie, ha - areał upraw roślin zwiększających zawartość substancji organicznej w glebie, ha Wd - współczynnik degradacji substancji organicznej w glebie, Mg (ha rok) -1 Wr - współczynnik regeneracji substancji organicznej w glebie, Mg (ha rok) -1 Z4 - roczna produkcja obornika, Mg rok -1 Ze względu na brak danych w (6) pominięto areał upraw roślin zmniejszających i zwiększających zawartość substancji organicznej w glebie oraz wskaźniki degradacji i regeneracji zaprezentowane w literaturze [3; 13] do obliczania salda substancji organicznej gleb lekkich, średnich i ciężkich, zaś roczną produkcję obornika Z4 określono stosując wzór: w którym: m Z 4 p i a oi (7) i1 ao - wielkość produkcji obornika w przeliczeniu na suchą masę, odniesiona dla danego rodzaju zwierząt hodowlanych, Mg (szt. rok) -1 Zestawienie zbiorcze zasobów biomasy słomy z upraw zbóż i ich nadwyżek na cele energetyczne dla analizowanych gmin Wielkopolski zawarto w tabeli 3. Tabela 3. Zestawienie zbiorcze dla gminy Budzyń, Kostrzyn Wlkp. i Kaźmierz o plonie biomasy słomy z upraw zbóż i jej nadwyżkach na cele energetyczne. Nazwa gminy Liczba gospodarstw szt. Areał zbóż ha Funkcja Biomasa Plon Mg rok -1 Nadwyżka Mg rok -1 Budzyń 35 1490,5 Kostrzyn Wlkp. Źródło: Opracowanie własne. 26 1939,1 Kaźmierz 21 539,0 Łącznie 82 3968,6 min 4107,8-1636,1 max 8662,2 2918,4 śr. 6385,0 641,2 min 4908,4-5803,4 max 10627,5-84,3 śr. 7768,0-2943,8 min 1396,2-5425,9 max 3328,7-3493,4 śr. 2362,5-4459,7 min 1396,2-5803,4 max 10627,5 2918,4 śr. 5505,1-2254,1 210 Logistyka 5/2015
Przedstawienie dyskusji W krajach o znaczącym potencjale rolniczym, w szczególności upraw zbożowych, obserwuje się działania w zakresie oceny i wykorzystania zasobów biomasy na cele energii odnawialnej [7]. Znanych i użytkowanych rozwiązań do monitorowania zasobów biomasy jest wiele. Charakterystykę niektórych z nich zawarto w rozprawie naukowej Pudełko [2013]. Mając na uwadze dla terenów użytkowanych rolniczo uskutecznienie działań w ocenie zasobów biomasy i jej nadwyżek na cele energii odnawialnej w niniejszym opracowaniu niezbędne było zaprezentowanie jednego ze sposobów postępowania przy monitorowaniu zasobów biomasy. Sposób monitorowania został sporządzony dla gmin Wielkopolski (Budzyń, Kaźmierz, Kostrzyn Wielkopolski) na potrzeby modelu do monitorowania zasobów biomasy w ramach harmonogramu Działania 3.1: Monitoring i kompleksowa ocena zasobu odnawialnych źródeł energii na potrzeby planowania, rozwoju i lokalizacji instalacji agrotechnicznych [15], realizowanego od 2011 roku w ITP Falenty, Oddział w Poznaniu. Z zestawienia zbiorczego zasobów biomasy słomy (tab. 3) wynika, że z areału zasiewu zbóż średni plon słomy w analizowanych gminach Wielkopolski jest na poziomie 5505,1 Mg rok -1. Jego największe zasoby występują w gminie Kostrzyn Wlkp., a najmniejsze w gminie Kaźmierz. Powyższa informacja jest o tyle znacząca, że z oszacowanej biomasy słomy z upraw zbożowych do energetycznego wykorzystania zazwyczaj przyjmowana jest nadwyżka na poziomie 20% [6], co nie jest zgodne ze stanem faktycznym ze względu na brak uwzględnienia zapotrzebowania słomy na potrzeby produkcji zwierzęcej i roślinnej. Dlatego ważnym elementem w wyznaczeniu zasobów biomasy słomy z produkcji zbóż jest nie tylko informacja o areale i rodzaju upraw zbóż, ale również o pogłowiu zwierząt hodowlanych, zapotrzebowaniu zwierząt na ściółkę i paszę oraz saldzie substancji organicznej w glebie w odniesieniu do suchej masy obornika. Uwzględniając powyższe w monitorowaniu zasobów biomasy słomy na cele energetyczne dostępne zasoby biomasy z rozpatrywanych gmin Wielkopolski są jedynie w gminie Budzyń. Ich wartość średnia stanowi 641,2 Mg rok -1. W pozostałych gminach Wielkopolski uzysk biomasy ma ujemny bilans. Konsekwencją ujemnego salda biomasy, wyszczególnionego we wzorze (5), jest potrzeba stosowania zabiegów agrotechnicznych w celu uzupełnienia przyoraniem odpowiedniej ilości słomy dla zachowania próchnicy w glebie [3; 13]. Wnioski 1. Do wyznaczenia ilości biomasy słomy na cele energetyczne z produkcji zbóż na terenach gmin użytkowanych rolniczo niezbędna jest wiedza o areale i rodzaju upraw zbóż, pogłowiu i zapotrzebowaniu zwierząt hodowlanych na ściółkę i paszę oraz zbilansowanie substancji organicznej dla gleb w odniesieniu do suchej masy obornika. 2. W matematycznym monitorowaniu zasobów biomasy słomy z areału zasianych zbóż na terenie gmin województwa wielkopolskiego (Budzyń, Kostrzyn Wielkopolski, Kaźmierz) oszacowany średni plon słomy stanowi 5505,1 Mg rok -1. Największe zasoby słomy w analizowanych gospodarstwach rolnych wynoszą 10627,5 Mg rok -1 w gminie Kostrzyn Wlkp., a najmniejsze są na poziomie 1396,2 Mg rok -1 w gminie Kaźmierz. 3. Z zapotrzebowania w produkcji roślinnej i zwierzęcej słomy na przyoranie, paszę i ściółkę wynika, że w analizowanych gminach Wielkopolski jest możliwe energetyczne wykorzystanie zasobów biomasy słomy jedynie w gminie Budzyń. Obliczeniowa nadwyżka słomy w gminie Budzyń wynosi średnio 641,2 Mg rok -1. Streszczenie: W artykule zawarto metodę matematycznego monitorowania zasobów biomasy słomy z upraw zbóż na cele energetyczne. Opracowanie stanowi podstawę jednego z modeli do wyznaczania zasobów biomasy słomy z areałów zbóż gmin Wielkopolski (Budzyń, Kaźmierz, Kostrzyn Wielkopolski), zrealizowanego w Instytucie Technologiczno-Przyrodniczym w Falentach, Oddział w Poznaniu, w ramach harmonogramu Działania 3.1 Programu Wieloletniego na lata 2011-2015. Zakłada się, że zaprezentowany sposób obliczeniowy do monitorowania zasobów dostępnej biomasy roślin z upraw zbóż na cele energetyczne będzie przykładowym wzorcem do zastosowania na terenach gmin Polski użytkowanych rolniczo i znacząco przyczyni się do rozwoju wytwarzania odnawialnych źródeł energii z biomasy roślin. Słowa kluczowe: biomasa roślinna, energia odnawialna, gminy użytkowane rolniczo Logistyka 5/2015 211
BIOMASS RESOURCE MONITORING Abstract: The article provides a mathematical method for monitoring the straw biomass from cereal crops for the energy use. Elaboration is the basis for one of the models for determination of the biomass resource of straw from cereal areas of the Wielkopolska Province municipalities (Budzyń, Kaźmierz, Kostrzyn Wielkopolski) realized at the Institute of Technology and Life Sciences in Falenty, Poznan branch, in the framework of the timetable for Action 3.1 of the Multiannual Programme for the period 2011-2015. It is assumed that the presented calculating method for monitoring the available biomass resources from the cereal areas for energy purposes will be the sample pattern for the use in Polish agricultural municipalities and significantly contribute to the development of the renewable energy from plant biomass. Keywords: plant biomass, renewable energy, agricultural municipalities Bibliografia 1. Dokument Referencyjny 2007. Najlepsze dostępne techniki dla intensywnego chowu drobiu i świń. Biuro koordynacyjne centrum doskonałości TRAGEN i sieci naukowej AGRORISKS. Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa, Oddział Poznań, 341 str., ISBN 978-8-389801-93-7 2. Fiedorowicz G., 2007. Technika w chowie bydła z podstawowymi elementami zootechniki. Monografia. Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa, Warszawa, 290 str., ISBN 978-8-389806-18-5 3. Gradziuk P., Grzybek A., Kowalczyk K., Kościk B., 2003. Biopaliwa. Red. Piotr Gradziuk. Wyd. Wieś Jutra Sp. z o. o., Warszawa, 160 str., ISBN 83-88-368-10-9 4. Grzybek A. (red.), 2012. Słoma - wykorzystanie w energetyce cieplnej. Inżynieria w rolnictwie. Monografie nr 7. Wyd. ITP Falenty, 208 str., ISBN 978-83-62416-48-6 5. Harsim A., 1994. Relacja miedzy plonem słomy i ziarna u zbóż. Pamiętnik Puławski, Zeszyt 104, s. 56 6. Innowacyjność podejmowanych działań w obszarze odnawialnych źródeł energii 2008. Projekt realizowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego oraz ze środków budżetu Państwa. Umowa nr Z/2.08/II/2.6/12/06/U/20/06. Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Zielona Góra 7. Janowicz L., Kunikowski G., 2008. Ocena zasobów odnawialnych w oparciu o system informacji geograficznej (GIS). Inżynieria Rolnicza, nr 4(102), s. 329-335 8. Kazimierczak J., Wietecha J., Ciechańska D., Bloda A., Antczak T., 2014. Nanowłókna celulozowe wytwarzane z biomasy roślinnej. Chemik, tom 68, nr 9, s. 755 760 9. Klugmann-Radziemska E., 2013. Odnawialne źródła energii. Przykłady obliczeniowe. Wyd. Politechniki Gdańskiej, Gdańsk, 100 str. 10. Konieczny R., 2013. Model komputerowy do monitorowania zasobności terenów wiejskich w biomasę. Na podstawie danych podstawowych (areału zbóż, plonu ziarna, liczby zwierząt gospodarskich, wielkości DJP, powierzchni lasu, objętości drewna, areału roślin energetycznych). Opracowanie ITP, Poznań 11. Konieczny R., Łaska B., 2014. The production capacity of renewable energy from available biomass including available technologies. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, Vol. 59(3), p. 119-124 12. Kotowski W., 2006. Utylizacja i gospodarka odpadami. Wyższa Szkoła Ekonomii i Administracji w Bytomiu, Bytom, 228 str., ISBN 83-88587-35-8 212 Logistyka 5/2015
13. Lewandowski W.M., Ryms M., 2013. Biopaliwa. Proekologiczne odnawialne źródła energii. Wyd. WNT, Warszawa, 528 str., ISBN 978-83-63623-73-9 14. Niedziółka I., Zuchniarz A., 2006. Analiza energetyczna wybranych rodzajów biomasy pochodzenia roślinnego. Motrol, tom 8A, s. 232 237 15. Program Wieloletni 2011-2015. Standaryzacja i monitoring przedsięwzięć środowiskowych, techniki rolniczej i rozwiązań infrastrukturalnych na rzecz bezpieczeństwa i zrównoważonego rozwoju rolnictwa i obszarów wiejskich. Priorytet 3. Działanie 3.1: Monitoring i kompleksowa ocena zasobu odnawialnych źródeł energii na potrzeby planowania, rozwoju i lokalizacji instalacji agrotechnicznych. Umowa nr GZ-MW-0661-1/2011-2015 zawarta pomiędzy Ministrem Rolnictwa i Rozwoju Wsi, a Instytutem Technologiczno-Przyrodniczym w Falentach 16. Pudełko R., 2013. Ocena potencjałów biomasy ubocznej i odpadowej w UE-27 i Szwajcarii oraz ich regionalizacja. Monografie i Rozprawy Naukowe, IUNG-PIB, Puławy, z. 39, 154 str., ISBN 978-83- 7562-135-8 17. Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 18 stycznia 2005 r. w sprawie szczegółowych warunków i trybu udzielania pomocy finansowej na dostosowanie gospodarstw rolnych do standardów Unii Europejskiej objętej planem rozwoju obszarów wiejskich. Dz. U. 2005, nr 17, poz. 142 Logistyka 5/2015 213
214 Logistyka 5/2015