Wykorzystanie surowców w odpadowych do zwiększenia żyzności i produktywności gleb słabych i zdegradowanych w uprawie roślin energetycznych dr inż. Danuta Martyniak dr hab. Grzegorz Żurek, prof. ndzw. Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin Państwowy Instytut Badawczy, Pracownia Traw Pozapaszowych i Roślin Energetycznych, Studzieniec /Sierpc 27.01. 2016 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Badania sąs wykonane w zadaniu 2.11 w ramach Programu Wieloletniego IHAR-PIB 2015-2020 2020
Wykorzystanie (odzysk) odpadów (osady ściekowe, odpady z przetwórstwa rolno-spożywczego, biomasa zielona,.) poprzez ich zagospodarowanie na gruntach zdegradowanych i glebach o słabej s wartości rolniczej, Redukcja składowania odpadów, zwłaszcza organicznych, które są źródłem emisji ogromnej ilości gazów (CO 2 i CH 4 ), Określenie i dobór r odpowiednich gatunków roślin oraz określenie ich produktywności z przeznaczeniem na cele energetyczne (biogaz, spalanie).
Struktura gleb GO i TUZ Polski w % według bonitacji Grunty orne I-IIIbIIIb gleby dobre i bardzo dobre IVa+IVb gleby średnie V-VIzVIz gleby bardzo słabe s i słabes Razem Trwałe e użytki u zielone I-III gleby bardzo dobre i dobre IV gleby średnie V-VIz gleby bardzo słabe i słabe Razem Klasy bonitacyjne (grupy klas) % 28,6 39,1 32,3 100,0 15,0 42,4 42,6 100,0
Powierzchnia gruntów o słabej s wartości rolniczej Kategoria w Polsce, (wg. GUS, 2014). Powierzchnia tys. ha nieużytki 481,7 grunty zdewastowane i wymagające rekultywacji 62,1 odłogi i ugory 498,4 razem grunty niezagospodarowane 1042,2 grunty klasy V - VI 871,0 łącznie 1913,2
Zawartość materii organicznej w glebach użytków rolnych (%) zachodniopomorskie lubuskie 2,11 2,29 wielkopolskie 1,99 pomorskie 2,65 kujawsko-pomorskie 1,85 2,12 łódzkie warmińsko-mazurskie 2,22 2,06 podlaskie mazowieckie 1,94 lubelskie dolnośląskie 3,04 opolskie 2,33 śląskie świętokrzyskie 1,83 2,02 Polska 2,20 % 2,59 małopolskie 2,25 podkarpackie 2,39
Klimatyczny bilans wody IV- I (IUNG Doroszewski)
Spadek zawartości materii organicznej w glebie wynika z: uproszczeniem zmianowań, zaniechaniem uprawy roślin wieloletnich (traw lub ich mieszanek z roślinami motylkowatymi pozostawiaj biomasy w formie resztek roślinnych), pozostawiających dużą ilość zaniechaniem uprawy międzyplon dzyplonów z przeznaczeniem na zielony nawóz, brakiem stosowania obornika w gospodarstwach bezinwentarzowych, zmianą stosunków w wodnych gleb spowodowaną odwodnieniami melioracyjnymi.
d z i a ł ODPADY są to substancje, produkty uboczne z przetworstwa o d p a d ó w Ze względu na miejsce powstawania odpady możemy podzielić na: Odpady komunalne (bytowe), czyli takie które powstają w gospodarstwach domowych. Odpady przemysłowe, czyli nieużyteczne substancje powstające w procesach produkcyjnych różnych gałęzi przemysłu. Odpady organiczne (rolnicze( rolnicze) inaczej zwane biodopadami i nieorganiczne (sztuczne) pozostałości powstałe w wyniku działalności rolniczej. We wszystkich grupach odpadów wyróżnia się dodatkowo odpady niebezpieczne, czyli takie które ze względu na swoje właściwości stanowią zagrożenie dla życia lub zdrowia ludzi albo dla środowiska.
Zagospodarowanie wszelkich odpadów może odbywać się na drodze ich: ponownego gospodarczego wykorzystania (recykling) bądź spalenia albo składowania w określonych warunkach terenu Jedną z form utylizacji jest recykling, tzn. odzyskiwanie surowców z materiałów odpadowych i wykorzystanie ich do produkcji (m.in. szklane opakowania, makulatura, przedmioty z tworzyw sztucznych, metale, odpady żywnościowe) Spalanie najbardziej radykalna metod unieszkodliwiania odpadów, zarówno przemysłowych jak i komunalnych. Odbywa się w specjalnie przeznaczonych piecach o rożnej pojemności.
Kompostowanie to kontrolowany tlenowy, biotermiczny proces, w którym odpady organiczne zostają rozłożone na kompost, będące cennym nawozem organicznym. Do produkcji kompostu nadają się wszystkie łatwo rozkładaj adające się częś ęści pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, osady ściekowew,, odchody, trociny, kora itp.
Metody zagospodarowania odpadów w krajach UE- 27 wg danych 2010
Metody zagospodarowania odpadów w Polsce
System gospodarki bioodpadami przede wszystkim, powinien opierać się na zapobieganiu i minimalizacji ich wytwarzania, w dalszej kolejności bioodpady powinny zostać powtórnie wykorzystane, poddane recyklingowi lub innym metodom odzysku np. odzysk energii, na samym zaś końcu procesom unieszkodliwiania. Hierarchia postępowania powania z odpadami powinna mieć zastosowania jako kolejność priorytetów w przepisach prawa i polityce dotyczących cych zarówno zapobiegania powstawaniu bioodpadów w jak i ich gospodarowania.
Każdy odpad może być potencjalnym surowcem.
Segregacja
Na wysypiskach i nie segregowane odpady
BIODPADY są to odpady ulegające biodegradacji uznaje się wszelkie odpady, które podlegają rozkładowi tlenowemu lub beztlenowemu przy udziale mikroorganizmów.
Do odpadów organicznych ulegających biodegradacji zalicza się z przemysłu rolno-spo spożywczego (pochodzenia roślinnego i zwierzęcego cego), komunalne e (bytowo-gospodarcze) łącznie z frakcjami gromadzonymi selektywnie, osady ściekowe ustabilizowane, nawozy utworzone z biomasy profermentu biogazowni
Gospodarcze wykorzystanie odpadów to najskuteczniejsza metoda ich zagospodarowania. Odpady po przeróbce mogą być wykorzystane m.in. - w rolnictwie jako substancje do nawożenia ubogich gleb - i do rekultywacji gleb zdegradowanych.
Produkcja roślinna na cele energetyczne tylko w oparciu o gleby słabej s wartości rolniczej
Prognoza zapotrzebowania gruntów (ha) pod produkcję cele energetyczne do 2020 r. Rzepak na estry (1,5 mln ton) - Zboża na bioetanol (2,4 mln ton) - Surowce do produkcji biogazu Biomasa stała. 500 tys. 600 tys. - 200-300 tys. - 400-500 tys. Razem 1,7-1,9 mln ha
Jakie gatunki? TRAWY Miscanthus, Spartina, proso rózgowe; (C 4 ) Stokłosa bezostna i uniolowta, mozga trzcinowata, kostrzewa trzcinowa, inne gatunki łąkowe, perz wydłużony,bamar, BAMAR pierwsza krajowa (druga europejska) odmiana trawy wieloletniej dedykowana na cele energetyczne (C 3 ) INNE ROŚLINY sorgo, kukurydza, rożnik przerośnięty Wierzba, topola.
WYKORZYSTANIE BIOMASY BIOGAZ Biomasa (wegetatywna): zielonka, kiszonka SPALANIA oraz do produkcji pelet,, brykietów Biomasa generatywna lignocelulozowa (słoma)
Rożnik przerośnięty (Sylfia) DANMAR kępiasta bylina z rodziny astrowatych, wysoka do 3 m niewielkie wymagania pokarmowe, roślina pionierska przy rekultywacji terenów zdegradowanych wysoki plon do 20 ton s. m. z 1 ha (podsuszonej do 40 ton z ha). wytwarza nasiona, żywotne. Walory: - dekoracyjne, - surowiec cenny dla przemysłu u farmaceutycznego (saponiny w liściach, kłączach) - roślina miododajna (550 kg miodu z ha) - na biogaz (krotki okres ferment. 4 dni wysoka wydajność metanu 61,5 % CH 4 ) Fot. D. Martyniak.
Sorgo zwyczajne (Sorghum bicolor) MARMAR alternatywa na suszę -roślina tropikalna, szlaku fotosyntezy C4, - duże wymagania termiczne. - małe wymagania glebowe (lekkie, piaszczyste). - rośliny mogą osiągać około 3 m wysokości. - biomasa świetna do zakiszania, w połączeniu z kukurydzą, zbiór dojrzałość woskowa IX X, plon zielonej masy do 100 t z 1 ha, suchej masy do 12-25 ton. Skoszone zawierają 70% wody, dlatego przed zakiszeniem wymagają podsuszenia. Pierwsza w Polsce forma hodowlana wytwarzająca nasiona, żywotne!!!!!. z przeznaczeniem na biogaz. Fot. D. Martyniak. Fot. D. Martyniak
Stokłosa uniolowata (obiedkowata) Bromus unioloides gatunek południowo-amerykański, nowo wprowadzony do uprawy (w latach 70. XX) odznacza się dobry przezimowaniem wieloletni (co najmniej 3 lata użytkowania) nadaje się na gleby mineralne, suche (nie znosi gleb mokrych) wykazuje się b. dobrą żywotnością i dużą energią odrastania ciągu całego okresu wegetacji po skoszeniu dobrze odrasta, zwłaszcza latem oraz wyrównaną krzywą plonowania formy o wysokim plonie biomasy wegetatywnej do produkcji biogazu
Kostrzewa trzcinowa (Festuca arundinacea) trawa wieloletnia, o bardzo silnie rozwiniętym systemie korzeniowym (do 1,5 m) długi okres wegetacji, szybko odrasta po skoszeniu gatunek odporny na wszelkie stresy np.. termiczne (mrozy), susze mało o wymagająca w stosunku do siedliska (rośnie zarówno na glebach kwaśnych, zasadowych,, nawet toleruje zasolenie) Zawiera duża a ilość związk zków w strukturalnych (lignina, celuloza) Wykorzystywana biomasa do spalania i produkcji biogazu
Perzu wydłużony Bamar wysoka ok. 2 m, zbitokępowa, powa bez rozłogowa nie inwazyjna! bogaty system korzeniowy, nie wysusza gleb, wręcz odwrotnie wzbogaca w masę organiczną ubogie gleby wieloletnia (6-8 lat) wytrzymała na suszę i mrozy (nawet do -20 oc) b. wcześnie rusza wiosną znosi gleby suche, piaszczyste, kl. IV VI, skażone, zasolone i alkaliczne) przeciwerozyjna i rekultywacyjna (silny, głęboki system korzeniowy) w miarę odporna na wyleganie i choroby doskonale rozmnażanie za pomocą nasion
Fot. D. Martyniak Fot. D. Martyniak
Szacunkowe koszty założenia, użytkowania i likwidacji 1 ha plantacji perzu kępowego na tle innych gatunków roślin energetycznych Wyszczególnienie Nakłady (w zł) Perz kępowy Wierzba Miskant Przygotowanie pola Materiał (nasiona, sadzonki) Razem koszt 2000 700 2700 2000 6000 7200 2000 16 000 18 000 Wymagany sprzęt, maszyny narzędzia, maszyny czasokres Zbiór kosiarka, prasa Likwidacji plantacji pług rębarki, rozdrabniacze, kombajn (duży areał) karczownik rozdrabniacz karp (rototiler) Przywrócenie właściwości gleb kosiarka, prasa wysokiego zgniotu chemicznie, rozdrabniac z, pług, 1 rok 4-5??? 2-3??
Biogaz Fot. D. Martyniak Biomasa perzu Bamar w końcu kwietnia Fot. D. Martyniak
t/ha 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 50 69 43 Odpad organiczny 50 t/ha 59 74 66 Osad ustabilizowany 58 t/ha 41 47 40 Nawożenie NPK (60:80:100) I rok zbioru II rok zbioru III rok zbioru Dynamika przyrostu plonów biomasy zielonej (ton z ha) w kolejnych latach uprawy, zależnie od sposobu nawożenia.
Parametry energetyczne kiszonki wybranych gatunków traw energetycznych na biogaz. Gatunek odmiana /genotyp SM % SMO % s.m. Biogaz M 3 /t s.m.o. Metan (CH 4 ) % Kiszonka Życica trwała a 4n 14,6 86,0 612 54,8 Stokłosa osa uniolowata 19,1 81,0 485 51,0 Stokłosa osa bezostna 17,0 83,0 520 51,0 Perz wydłużony Bamar 18,6 84,6 519 53,5 SM sucha masa, SMO sucha masa organiczna
Uzysk biogazu Nl/kg s.m.o. z kiszonki po 4 tyg. u wybranych gatunków roślin. Badania przeprowadzona na w ITP., oddział w Poznaniu Gatunek / substrat Perz wydłużony Bamar Życica trwała Stokłosa uniolowata Stokłosa bezostna Kostrzewa trzcinowa Sylfia Uzysk biogazu Nl /kg.s.m.o 518 612 485 518 511 433 Efektywny czas fermentacji powyżej 80% (liczna dni) 9 6 10 7 13 4
kostrzewa trzcin. 'W' sylfia sorgo stokłosa bez. kukurydza cukrowa perz kępowy Metan Biogaz m3 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 m 3 /ha Wydajność metanu (CH 4 ) i biogazu w m 3 z ha wybranych roślin energetycznych. (Radzików).
Optymalne fazy fenologiczne pozyskiwania biomasy z gatunków Substrat kiszonka / stadium rozwoju roślin Trawy - faza kwitnienia (prawa polowa) - wszystkich pokosów (ruń łąkowa) Kukurydza - dojrzałość woskowa - wysoki udział ziarna - dojrzałość woskowa średni udział ziarna - faza dojrzałości mlecznej Uzysk biogazu m 3 / z ha 4500-5500 4000-4835 8000 6098 5677 Sylfia Danmar - faza po kwitnieniu po kwitnieniu 7500 Sorgo Marmar - faza mleczna ziarna mleczna ziarna 6700
Uzysk biogazu i % udział metanu u wybranych gatunkach traw życica trwała stokłosa uniol. stokłosa bezostna perz wydłużony* Biogaz m 3 z 1 t. s.m.o. - rozdrobiona - zmikronizowana Metan (CH 4 ) w % - rozdrobniona - zmikronizowana 611 485 518 518 550 54,8 50,2 50,4 53,0 57,5 *Czas retencji materiału (fermentacja) 90% objęto tości metanu jest wytwarzane w ciągu 12-14 14 dni procesu.!!!
Zielona taśma (opracowanie własne) Rodzaj uprawy 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Żyto i mieszanki zbożowe trawy w uprawie polowej mieszanki traw z motylkowatymi trawy z łąk wielokośnych sylfia sorgo kukurydza topinambur, ślazowiec okopowe (burak, ziemniak), kapusta past. Miesiące w roku:
Wykorzystanie w Niemczech (ok.8 tys. biogazowni biomasy roślinnej i substratów biogazowni) = 70% światowego potencjału - biomasa roślinna w 45% - gnojowica 24% - odpady pochodzące z przerobu roślinnego na żywność 15% Najbardziej popularne są kiszonki wytworzone z: całych roślin kukurydzy (96%) ziarna zbóż (nadwyżki i słabej jakości) 50% traw 40% i innych roślin (buraki, słonecznik, ziemniaki) 1% oraz gnojowica w mieszaninie z kiszonkami. Należy unikać monokultur!!!!!! (Niemcy kukurydza)
Wykorzystanie biomasa generatywnej (słoma) o dużej zawartości lignoceleulozy do: spalanie, produkcji pelet,, brykietów
Stan plantacji perzu wydłużonego, Radzików, 2013 III r. zbioru Fot. D. Martyniak Fot. Fot. D. D. Martyniak Martyniak Zbiór biomasy (słomy) perzu energetycznego Bamar Radzików, 2013r. I dekada września
Wartość ipałowa MJ/tonę 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 19 MJ/kg 15,5 13 11 9 7 w ilgotność, % suchej masy 10 20 30 40 50 60 Wartośc opałowa biomasy roślin energetycznych od wilgotności
Fot. D. Martyniak Sucha biomasa słoma przerobiona na brykiet i pelet.
Parametry użytkowe wybranych gatunków traw do produkcji bioenergii Spalanie bezpośrednie Gatunek Sposób mnożenia Szacunkowe plony [t s.m. / ha] Wartość kaloryczna [MJ/kg] Zawartość popiołu [%] Kostrzewa trzcinowa nasiona 8-15 17,0 7,0 Mozga trzcinowata nasiona 10-14 17,7 6,3 Perz wydłużony nasiona 10-15 18,6 3,1 Spartina preriowa kultury in vitro 5-20 16,8 1,6 Miskantus olbrzymi podział kęp, kultury in vitro 15-25 (44) 18,2 2,0 Proso rózgowate nasiona 8-20 19,0 1,7 Palczatka Gerarda nasiona 8-15 17,9 1,8
19000 35 18500 30 18000 25 17500 20 17000 15 16500 10 16000 5 15500 Perz wydł. 35-9c Perz wydł.bamar Perz wydł. 33-1f Rajgras wyn.23 Stokłosa uniol. Mozga trzcin. Brykiet Bamar Węgiel brun. pelet słoma 0 kcal/kg Popiół Rys.5. Wartość opałowa i popiół w bezpośrednim spalaniu surowców z traw wieloletnich w porownaniu z węglem brunatnym i słoma zbożową. Zlecenie wykonane w Gliwicach Energopomiar.
Wartość opałowa i skład chemiczny biomasy oraz wybranych paliw stałych Biomasa Surowiec Wartość kaloryczna [MJ/kg] Popiół [%] Siarka [%] Chlor [%] Miskant olbrzymi 17-18 3,0 0,05 0,1 Mozga trzcinowata 14-15 5,0-9,0 0,15 0,5 Perz wydłużony 17-18 3-4 0,05 0,1 Wierzba 17-19 2,0-4,0 0,05 0,5 Węgiel kamienny 25-28 16-18 18 0,8 0,1
Porównanie wartości opałowej owej biomsy perzu z węglem w kamiennym Kaloryczność 1 kg suchej masy: Perz wydłużony: 17,9 MJ / kg Węgiel kamienny 28 MJ / kg 1 tona węgla równoważy 1,5 tony biomasy Perz wydłużony: z 1 ha -12 000 kg x 17,9 MJ = 21 4800 MJ 1 tona węgla kam. - 1000 kg x 28 MJ = 28 000 MJ Plon s. masy perzu (10-12 12 ton ) z 1 ha równoważy około 5,0 ton węgla (około 3000 PLN) (cena węgla 600 PLN/ tona)
Wprowadzenie zdrowych mechanizmów: Pod uprawę roślin energetycznych przeznaczać grunty słabe, ubogie o niskiej klasie (IV-V) V) ugory, odłogi ogi, zaś ograniczać wykorzystywanie gleb pszenno-buraczan buraczanych Maksymalny odzysk odpadów organicznych poprzez ich zagospodarowanie na gruntach zdegradowanych i glebach o słabej s wartości rolniczej, Redukcja składowania odpadów, zwłaszcza organicznych, które są źródłem emisji ogromnej ilości gazów (CO 2 i CH 4 ). Energetyka rozproszona, oparta na lokalnych zasobach biomasy i ten rynek powinien dominować w przyszłości w każdej gminie, rejonie Rozwiązanie zanie logistyki i (transportu) - optymalna odległość przewozu biomasy do 30 km, powyżej 50-70 km, staje się na granicy opłacalności. Ograniczyć uprawę wielkoobszarowych monokultur roślin jednego gatunku (jak to ma miejsce w Niemczech uprawa kukurydzy ).
Dziękuję za uwagę