POLSKIE TOWARZYSTWO BIOMASY MATERIAŁY SZKOLENIOWE Tytuł szkolenia Monitoring skuteczności funkcjonowania instalacji agroenergetycznych oraz efektywności energetycznego wykorzystania surowców w aspekcie różnych istniejących technologii uprawy, zbioru, transportu technologicznego i przechowywania roślin energetycznych Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach /oddz. Warszawa i Polskie Towarzystwo Biomasy POLBIOM Warszawa, 24.09. 2015 0
Omówienie zakresu prac zrealizowanych w ramach programu wieloletniego Standaryzacja i monitoring przedsięwzięć środowiskowych, techniki rolniczej i rozwiązań infrastrukturalnych na rzecz bezpieczeństwa i zrównoważonego rozwoju rolnictwa i obszarów wiejskich Działania P W 3.3 Pt. Monitoring skuteczności funkcjonowania instalacji agroenergetycznych oraz efektywności energetycznego wykorzystania surowców w aspekcie różnych istniejących technologii uprawy, zbioru, transportu technologicznego i przechowywania roślin energetycznych Celem działania jest analiza i ocena dostępnych technik i technologii agroenergetycznych oraz energetycznego wykorzystywania biomasy z użytków rolnych i odpadów z produkcji rolnej oraz innych ulegających biodegradacji w aspekcie oceny technologii zapewniających większe ograniczenie emisji dwutlenku węgla. Biomasa przeznaczona na cele energetyczne powinna być zatem poddana analizom cyklu życia w pełnym łańcuchu produkcji. Zakres pracy został ograniczony do surowców i technologii wytwórczych, które są stosowane przy produkcji biogazu. Przedstawiono charakterystykę parametryczną i chemiczną odpadów z produkcji zwierzęcej, w tym gnojowicy świńskiej i gnojowicy bydlęcej (dane według różnych autorów) oraz biomasy lignocelulozowej, która również może być poddana fermentacji metanowej, po uprzedniej obróbce. Przeprowadzona analiza literatury dowiodła dużej rozbieżności wyników nawet w obrębie jednego rodzaju składnika. W bazie danych dotyczącej własności biomasy w aspekcie jej podatności na uzyskiwanie biogazu uwzględniono następujące substraty: kukurydzę, ziemniaka, łęty ziemniaczane, żyto, pszenżyto, burak cukrowy i pastewny, liście buraka, kiszonkę z kukurydzy, ziarno kukurydzy, melasę, wysłodki, osady ściekowe. Podstawowym kryterium do wyboru upraw energetycznych przydatnych do produkcji biogazu badań było kryterium rodzajowe, to jest według gatunku rośliny. Jednocześnie uprawy tych roślin powinny być powszechnie stosowane. Analizując powierzchnie upraw i rodzaje wykorzystywanych w biogazowniach surowców, a także po wstępnej analizie do dalszych badań zakwalifikowano uprawy następujących roślin: kukurydzy na zielonkę, buraka cukrowego/ pastewnego, traw. Opracowano kryteria wyboru technologii uprawy roślin energetycznych wykorzystywanych w biogazowniach rolniczych. W nawiązaniu do powyższego wyróżniono plantacje: małe do 1 ha, średnie do 10 ha, duże > 10 ha. Do badań wpływu na środowisko wybrano te rośliny, z których uzyskiwana ilość biogazu jest stosunkowo duża w porównaniu do innych roślin. Do takich roślin należą: kukurydza, burak pastewny, burak cukrowy, trawy łąkowe, żyto uprawiane na zielonkę. W początkowym okresie do badań wpływu na środowisko glebowe i wodne wybrano następujące technologie uprawy roślin energetycznych wykorzystywanych w biogazowniach rolniczych: kukurydzę, burak pastewny, trawy, pszenżyto. Natomiast badania wpływu na atmosferę wykonane były dla następujących roślin: traw, ziemniaków, buraków pastewnych i cukrowych. Dla wybranych roślin przeprowadzono rzeczywiste badania nakładów materiałowo-energetycznych w gospodarstwach rolnych i opracowano karty technologiczne. Na tej podstawie opracowano bazę danych o wybranych technologiach uprawy roślin na cele energetyczne. W bazie danych o technologiach uprawy umieszczono 32 technologie (i ich charakterystykę) produkcji biomasy, w tym: 12 technologii produkcji biomasy z kukurydzy na zielonkę, 11 technologii uprawy buraka cukrowego, 1
10 technologii uprawy traw. Następnie wykonano przegląd modeli, które mogą być stosowane do oceny wpływu na środowisko (wodne, glebowe i atmosferę). Opracowano modele i narzędzia w formie programów komputerowych do oszacowania wpływu na środowisko monitorowanych technologii: na środowisko glebowe, na środowisko wodne, na atmosferę. Do oszacowania wpływu na środowisko glebowe zastosowano podejście autorskie - określono bilans substancji organicznej za pomocą algorytmów, na podstawie których przeprowadzono obliczenia bilansu próchnicy, azotu, fosforu i potasu oraz NPK (dla dwóch technologii upraw kukurydzy na kiszonkę, dwóch technologii uprawy buraków pastewnych, dwóch technologii uprawy buraków cukrowych, uprawy traw, lucerny oraz żyta na zielonkę). Zbadano i porównano wpływ technologii zbioru słomy, kukurydzy, buraków cukrowych i traw - 4 technologie. Zestawiono tabelarycznie operacje technologiczne dla poszczególnych roślin w zakresie zbioru na polach o różnych powierzchniach. Podczas technologii zbioru roślin energetycznych występuje ugniatanie gleby. Sporządzono program obliczeniowy (komputerowy) umożliwiający obliczenie masy zestawów maszyn w poszczególnych technologiach, co ma wpływ na ugniatanie gleby i może doprowadzić do zniszczenia jej struktury. Do obliczenia emisji azotanów do wód gruntowych ze źródeł rolniczych wykorzystano zależności podane w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dn. 23 grudnia 2002 r., w sprawie kryteriów wyznaczania wód wrażliwych na zanieczyszczenia związkami azotu ze źródeł rolniczych (Dz. U. z dnia 31 grudnia 2002 r.). Wykorzystując podane w rozporządzeniu algorytmy i przyjęte założenia takie jak dopływ azotu z nawożenia w wysokości 170 kg N/ha, dodatnie saldo bilansu azotu w wysokości 30 kg N/ha oraz rodzaje gleb i wielkość opadów pochodząca ze stacji pogodowych wykonano stosowne obliczenia; zawartości azotanów emitowanych do płytkich wód gruntowych z dopływu azotu i salda bilansu azotu. Wyniki obliczeń zawartości azotanów emitowanych do płytkich wód gruntowych obliczane z różnych wzorów różnią się między sobą ze względu na różne źródła danych (dopływ azotu, saldo bilansu azotu, ilość azotu azotanowego wymywanego z gleby i odpływ wody). Model do obliczania emisji gazów cieplarnianych wynikających z produkcji upraw energetycznych przeznaczonych do produkcji biogazu oparty jest o algorytmy podane w Dyrektywie 2009/28/WE w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniającą i w następstwie uchylającą dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE. Do wyznaczenia emisji zredukowanej w ekwiwalencie CO 2 wykorzystano metodykę przygotowaną w ramach modelu obliczeniowego emisji gazów cieplarnianych z upraw energetycznych. Posługując się oznaczeniami zaproponowanymi w Dyrektywie, sporządzono narzędzie w postaci arkuszy kalkulacyjnych do obliczeń emisji. Jako przykład obliczeń emisji podano dwie 2 technologie uprawy buraka cukrowego. Emisje z uprawy surowców, Eec [t CO 2 equ]: tech. 1: 150,23±8,34, tech. 2: 325,09±13,90. Emisje z paliwa, Eu [t CO 2 equ]: tech. 1: 27,78±0,61, tech. 2: 39,45±1,33. Emisje całkowite, [t CO 2 equ] : tech. 1: 177,51±7,73, tech. 2: 385,67±16,51. Poziom emisji w ekwiwalencie CO 2 zależny jest głównie od sposobu uprawy surowców. Badania porównawcze wpływu na środowisko wodne, glebowe i atmosferę mają wyłonić rozwiązania charakteryzujące się najwyższym poziomem efektywności środowiskowej. Na podstawie przeglądu literatury światowej przeanalizowano i porównano wskaźniki emisji z ciągników rolniczych i ładowarek w aspekcie użytkowania ich w biogazowniach. Do obliczenia emisji w różnych technologiach transportu roślin energetycznych rozpoznano metody Tier 2 i Tier 3. W metodzie Tier 2 wskaźniki emisji są określone tylko dla silników zasilanych benzyną. W metodzie Tier 3 wskaźniki emisji zostały określone dla różnych kategorii w zależności od: prędkości ruchu pojazdów (v = 12 86 km/h), obciążenia silnika/pojazdu (0%, 50% i 100%). Wskaźniki emisji zanieczyszczeń powietrza są ustalane w zależności od normy Euro oraz innych parametrów charakteryzujących transport substratów/materiałów do i z biogazowni. Założono, że silniki spełniają jedną z norm emisji spalin (Euro I VI). W celu obliczenia wskaźników emisji zanieczyszczeń dla kategorii pojazdów posłużono się arkuszem kalkulacyjnym Excel. Jako dane wejściowe zidentyfikowano pojazdy oraz zużycie ON w poszczególnych technologiach transportu dla 6 technologii uprawy (po dwie dla kukurydzy na zielonkę, traw łąkowych, buraków) przyjęto 2
wartości wskaźników emisji za Instytutem Transportu Samochodowego. Największą wartość emisji posiada transport w technologii buraków cukrowych -195423 g ha -1 i na 1t produktu 2713 g t -1. Relacja pomiędzy nakładami materiałowo-energetycznymi w produkcji (uprawie) roślin, a technologiami transportu determinowana jest poziomem uzyskiwanych plonów. Jako przykład można podać, że w wyniku zużycia 397 l/ha oleju napędowego wydziela się 1 472,5 kg ditlenku węgla. W ditlenku węgla znajduje się 27,3 % czystego węgla co oznacza emisję 402 kg C/ha do atmosfery podczas uprawy buraka. Ilości emisji poszczególnych pierwiastków lub związków chemicznych zależą ściśle od stosowanych dawek nawozów. Określono emisje gazów cieplarnianych (CH 4, N 2 O) oraz amoniaku NH 3 podczas składowania i aplikacji substancji pofermentacyjnych. Udział rolnictwa w emisji N-NH 4 do atmosfery przekracza 90%, a straty ulatnianego amoniaku mają miejsce zarówno podczas składowania, jak i stosowania pofermentu na pola. Podano wartość nawozową pofermentu w zależności od substratów według różnych badań. Omówiono czynniki determinujące emisję amoniaku, a w tym: - sposób magazynowania, - temperaturę w trakcie aplikacji (termin aplikacji), - technikę aplikacji. Produkcja biogazu ogranicza łączną emisję gazów cieplarnianych w stosunku do nieprzetworzonej gnojowicy nawet o 60-75%. Opracowana została również baza danych biogazowni (3 obiekty) w aspekcie nakładów materiałowoenergetycznych. Zbadano zużycie energii w poszczególnych operacjach, zapotrzebowanie surowców i materiałów, oraz niezbędną robociznę do obsługi takich instalacji. Zestawiono wyliczone metodą LCA emisje CO 2, NH 3, N 2 O z poszczególnych technologii uprawy roślin odniesione do jednego hektara danej uprawy wraz z ich przeliczeniem na ekwiwalent ditlenku węgla. Największa wartość emisji do atmosfery występuje kolejno w uprawie kukurydzy na zielonkę, buraka cukrowego i łąk. Ponadto na podstawie kart technologicznych zawartych w bazie informacji o technologiach uprawy wykonano metodą oceny cyklu życia (Life Cycle Assessment LCA) obieg i bilans pierwiastków: węgla C, azotu N, fosforu P i potasu K dla wybranych technologii uprawy kukurydzy, buraków cukrowych i traw. Analizie została poddana ilość zużytego paliwa na poszczególnych etapach uprawy. Oszacowano i dokonano analizy wpływu wybranych technologii produkcji roślinnej na ilości emitowanego do atmosfery SO 2 i pyłów PM10 i PM2,5. Do obliczenia emisji pyłów, frakcji PM10 i PM2,5 posłużono się opracowanymi wskaźnikami charakteryzującymi ilość gramów tego rodzaju zanieczyszczenia pochodzącą ze spalania 1 kg paliwa. W przypadku upraw polowych był to olej napędowy. Stwierdzono, iż poziom emisji SO 2 dla uprawy buraków zawarty jest w przedziale wartości od 0,012 do 0,034 kg/ha. W przypadku upraw kukurydzy na kiszonkę jest to przedział od 0,010 kg/ha do 0,036 kg/ha. Najmniejsze wartości zanieczyszczeń tym pierwiastkiem, pochodzące z 1 ha powierzchni uprawy charakteryzują technologie uprawy traw 0,008-0,019 kg/ha Wielkości emisji pyłów emitowanych do atmosfery, w przypadku upraw buraków i kukurydzy kształtowały się na podobnym poziomie. Zawierały się w przedziale od 0,38 do 1,38 kg/ha. Najmniejsze wartości odnotowano w przypadku technologii upraw traw: 0,28-0,72 kg/ha. W wyliczeniach wielkości emitowanych pyłów uwzględniono udział frakcji PM2,5 we frakcji PM10. Frakcja, której średnica ziaren jest poniżej 2,5 μm stanowi ok. 93% frakcji PM10. Wyniki prac opublikowane będą w monografii pt.,, Instalacje agroenergetyczne - aspekt środowiskowy i logistyczny. 3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39