instalacje agroenergetyczne – aspekty środowiskowy i logistyczny

INŻYNIERIA W ROLNICTWIE. MONOGRAFIE NR 22
ENGINEERING IN AGRICULTURE. MONOGRAPHS NO. 22
INSTALACJE AGROENERGETYCZNE
– ASPEKTY ŚRODOWISKOWY I LOGISTYCZNY
AGRO-ENERGETIC SYSTEMS
– ENVIRONMENTAL ASPECTS AND LOGISTICS
Redakcja naukowa:
prof. dr hab. Anna Grzybek
dr hab. inż. Piotr Pasyniuk, prof. nadzw.
Falenty 2016
WYDAWNICTWO ITP
INSTYTUT TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY
Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn
tel./fax 22 628-37-63; www.itp.edu.pl; e-mail: [email protected]
DYREKTOR INSTYTUTU
dr hab. inż. Piotr Pasyniuk, prof. nadzw. ITP
Oddział w Warszawie
ul. Rakowiecka 32, 02-532 Warszawa
tel. 22 542-11-00, fax 22 542-11-50
Kierownik Oddziału
dr inż. Andrzej Seliga
KOLEGIUM REDAKCYJNE
prof. dr hab. Aleksander Szeptycki – przewodniczący
prof. dr hab. J.Lech Jugowar
prof. dr hab. Zdzisław Wójcicki
prof. dr hab. Jan Pawlak
prof. dr hab. Krzysztof Wierzbicki
Recenzenci
prof. dr hab. inż. Leszek Powierża, dr hab. Tomasz Piskier, prof. nadzw. PK
Kierownik Działu Wydawnictw: dr hab. inż. Halina Jankowska-Huflejt, prof. nadzw. ITP
Projekt okładki: Halina Jankowska-Huflejt
Opracowanie redakcyjne: Barbara Wciślińska
Skład komputerowy i przygotowanie do druku: Anna Wysocka
© Copyright by Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach (ITP), 2016
ISBN 978-83-65426-15-4
ISSN 2083-9545
Adres redakcji: Instytut Technologiczno-Przyrodniczy
Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn
tel. 22 720-05-98; www.itp.edu.pl; e-mail: [email protected]
Realizacja wydania: Agencja Wydawniczo-Poligraficzna „Gimpo”
02-778 Warszawa, ul. M. Grzegorzewskiej 8. Ark. wyd. 12,0. Nakład 200 egz.
Spis treści
Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów .....................................................................................7
1. WPROWADZENIE (Anna Grzybek) .......................................................................................12
2. CHARAKTERYSTYKA PARAMETRYCZNA SUROWCÓW DO PRODUKCJI BIOGAZU
(Marek Hryniewicz) .................................................................................................................15
2.1. Wstęp ..............................................................................................................................15
2.2. Surowce stosowane do produkcji biogazu ......................................................................15
2.3. Biomasa lignocelulozowa.................................................................................................29
2.4. Podsumowanie.................................................................................................................29
3. NAKŁADY MATERIAŁOWO-ENERGETYCZNE NA TECHNOLOGIE UPRAWY
ROŚLIN NA CELE ENERGETYCZNE (Anna Grzybek) ........................................................33
3.1. Wstęp ..............................................................................................................................33
3.2. Metodyka badań nakładów materiałowo-energetycznych na plantacjach roślin
energetycznych ................................................................................................................33
3.3. Wyniki badań ....................................................................................................................34
4. BADANIA ZUŻYCIA OLEJU NAPĘDOWEGO W WYBRANYCH TECHNOLOGIACH
UPRAWY ROŚLIN NA CELE ENERGETYCZNE (Piotr Pasyniuk) .....................................41
4.1. Wstęp ...............................................................................................................................41
4.2. Metoda badań ..................................................................................................................41
4.3. Wyniki badań zużycia paliwa w technologiach uprawy roślin na cele energetyczne......42
5. EMISJE ZE ŹRÓDEŁ STACJONARNYCH – SPALANIE BIOGAZU: W KOGENERACJI
(CHP), POCHODNIE, KOTŁY (Aleksander Muzalewski, Anna Grzybek) .............................70
5.1. Wstęp ...............................................................................................................................70
5.2. Emisja CO2 – podstawy teoretyczne ...............................................................................70
5.3. Produkcja, zużycie i właściwości biogazu .......................................................................73
5.4. Emisje z kogeneratora (CHP) ..........................................................................................75
5.5. Emisje z pochodni awaryjnej............................................................................................78
5.6. Emisje z kotłów grzewczych ............................................................................................82
6. WPŁYW NA ŚRODOWISKO WYBRANYCH TECHNOLOGII UPRAWY ROŚLIN
ENERGETYCZNYCH (Anita Konieczna, Kamil Roman) .......................................................83
6.1. Wstęp ...............................................................................................................................83
6.2. Metodyka badań...............................................................................................................83
6.3. Wyniki badań ....................................................................................................................91
7. OCENA ŚRODOWISKOWA UPRAWY ROŚLIN ENERGETYCZNYCH METODĄ LCA
(Marek Hryniewicz)..................................................................................................................98
7.1. Wstęp ...............................................................................................................................98
7.2. Metoda badań ..................................................................................................................98
7.3. Emisje do atmosfery w ekwiwalencie CO2 z uprawy kukurydzy na kiszonkę ..............103
7.4. Emisje do atmosfery w ekwiwalencie CO2 z uprawy buraków cukrowych....................105
7.5. Emisje do atmosfery w ekwiwalencie CO2 z uprawy łąki ..............................................107
8. BADANIA BIOGAZOWNI W ASPEKCIE JEJ WPŁYWU NA ŚRODOWISKO
(Anita Konieczna, Kamil Roman) ...........................................................................................109
8.1. Wstęp ............................................................................................................................109
8.2. Metodyka badań ............................................................................................................110
8.3. Charakterystyka biogazowni ..........................................................................................110
8.4. Wyniki badań ..................................................................................................................110
8.5. Metodyka obliczeń produkcji pofermentu ......................................................................115
9. EMISJE GAZÓW CIEPLARNIANYCH POWSTAJĄCE W PROCESIE NAWOŻENIA
(Maria Śmietanka) .................................................................................................................120
9.1. Wstęp .............................................................................................................................120
9.2. Metodyka badań.............................................................................................................124
9.3. Wyniki badań ..................................................................................................................131
10. MODELOWA TECHNOLOGIA ŁAŃCUCHA LOGISTYCZNEGO DLA BIOGAZOWNI
(Anna Grzybek, Aleksander Muzalewski) ...........................................................................138
10.1. Wstęp .........................................................................................................................138
10.2. Założenia do opracowania technologii modelowych .................................................139
10.3. Warianty analizy .........................................................................................................141
10.4. Zestawienie czynności i zabiegów agrotechnicznych w technologiach produkcji
kukurydzy na kiszonkę ..............................................................................................142
10.5. Wyniki badań emisji do atmosfery w technologiach uprawy, zbioru i transportu
kukurydzy na kiszonkę ..............................................................................................143
10.6. Podsumowanie...........................................................................................................157
11. PODSUMOWANIE (Anna Grzybek) ...................................................................................158
12. BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................................161
Streszczenie ..............................................................................................................................170
Contents
List of major signs and abbreviations ............................................................................................7
1. INTRODUCTION (Anna Grzybek) ..........................................................................................12
2. PARAMETRIC CHARACTERISTICS OF RAW MATERIALS FOR BIOGAS
PRODUCTION (Marek Hryniewicz) .......................................................................................15
2.1. Introduction ......................................................................................................................15
2.2. Raw materials used in the biogas production ..................................................................15
2.3. Lignocellulosic biomass ..................................................................................................29
2.4. Summary .........................................................................................................................29
3. MATERIAL AND ENERGY EXPENSES FOR CROPPING TECHNOLOGIES
OF ENERGY PLANTS (Anna Grzybek) ................................................................................33
3.1. Introduction ......................................................................................................................33
3.2. Methodology of material and energy expenses at energy plants plantations ..............33
3.3. Investigation results .........................................................................................................34
4. RESEARCH OF DIESEL FUEL CONSUMPTION AT SELECTED CROPPING
TECHNOLOGIES OF PLANTS FOR ENERGY PURPOSES (Piotr Pasyniuk) .....................41
4.1. Introduction.......................................................................................................................41
4.2. Research method .............................................................................................................41
4.3. Research results of fuel consumption at cultivation technologies of plants
for energy purposes.........................................................................................................42
5. EMISSIONS FROM STATIONARY SOURCES – BIOGAS COMBUSTION:
COGENERATION (CHP), FLARES, BOILERS (Aleksander Muzalewski,
Anna Grzybek) ........................................................................................................................70
5.1. Introduction.......................................................................................................................70
5.2. CO2 emissions – theoretical basis ...................................................................................70
5.3. Production, consumption and biogas properties .............................................................73
5.4. Emissions from cogenerator (CHP) .................................................................................75
5.5. Emissions from emergency flare .....................................................................................78
5.6. Emissions from boilers .....................................................................................................82
6. IMPACT ON ENVIRONMENT OF SELECTED CROPPING TECHNOLOGIES
OF PLANTS FOR ENERGY PURPOSES (Anita Konieczna, Kamil Roman)........................83
6.1. Introduction.......................................................................................................................83
6.2. Research methodology ....................................................................................................83
6.3. Research results ..............................................................................................................91
7. ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF ENERGY PLANTS CROPS BY LCA METHOD
(Marek Hryniewicz) .................................................................................................................98
7.1. Introduction ......................................................................................................................98
7.2. Research method ............................................................................................................98
7.3. Emissions to the atmosphere as CO2 equivalent from corn for silo crop .....................103
7.4. Emissions to the atmosphere as CO2 equivalent from sugar beet crop .......................105
7.5. Emissions to the atmosphere as CO2 equivalent from meadow crop ...........................107
8. BIOGAS STATION INVESTIGATION AT ITS IMPACT ON THE ENVIRONMENT
ASPECT (Anita Konieczna, Kamil Roman) .........................................................................109
8.1. Introduction ...............................................................................................................109
8.2. Research methodology .............................................................................................110
8.3. Biogas station characteristic .....................................................................................110
8.4. Research results .......................................................................................................110
8.5. Calculation methodology of digestate production .....................................................115
9. GREENHOUSE GAS EMISSIONS ARISING IN THE FERTILIZATION PROCESS
(Maria Śmietanka) .................................................................................................................120
9.1. Introduction.....................................................................................................................120
9.2. Research methodology ..................................................................................................124
9.3. Research results ............................................................................................................131
10. MODEL TECHNOLOGY OF LOGISTIC CHAIN FOR BIOGAS STATION
(Anna Grzybek, Aleksander Muzalewski) ...........................................................................138
10.1. Introduction...................................................................................................................138
10.2. Assumptions for model technologies elaboration ........................................................139
10.3. Variants analysis ..........................................................................................................141
10.4. Juxtaposition of actions and agrotechnical treatments at technologies of maize
for silage production.....................................................................................................142
10.5. Research results of emissions to the atmosphere at technologies of cultivation,
harvesting and transport of corn for silo ......................................................................143
10.6. Summary ......................................................................................................................157
11. SUMMARY (Anna Grzybek) ...............................................................................................158
12. BIBLIOGRAPHY .................................................................................................................161
Summary ...................................................................................................................................171
Streszczenie
W monografii przedstawiono wyniki badań i obliczeń wpływu na środowisko technologii uprawy roślin: kukurydzy na kiszonkę, buraków cukrowych/pastewnych i traw
łąkowych. Wymienione rośliny mogą być stosowane jako substraty w biogazowniach
rolniczych. Podano metodę badań nakładów materiałowo-energetycznych oraz przykład realizacji takich badań, zestawionych w kartach technologicznych. Dokonano
przeglądu metod badań i obliczeń emisji gazów cieplarnianych (GHG) z upraw roślin
na cele energetyczne. Jednak podczas ich uprawy oraz przygotowania do wykorzystania w biogazowniach oddziaływanie na środowisko może być niekorzystne.
W pracy podano wyniki badań wpływu na środowisko glebowe technologii upraw
następujących roślin: kukurydzy na kiszonkę, buraków cukrowych/pastewnych i traw
łąkowych. Przedstawiono problematykę emisji gazów cieplarnianych związaną ze
stosowaniem nawozów mineralnych i organicznych w uprawach. Przeanalizowano
modelowe wielkości nawożenia dla wyżej wymienionych roślin w dwóch wariantach
plonowania i poziomu nawożenia. Korzystając z metody prezentowanej przez IPCC,
obliczono roczne wielkości emisji N2O z obszarów objętych analizowanymi uprawami. Obliczono także wielkość emisji podtlenku azotu dla poszczególnych rodzajów
nawozów stosowanych w technologiach modelowych.
Przeprowadzono ocenę środowiskową metodą LCA w zakresie emisji gazów cieplarnianych do atmosfery z uprawy podanych wyżej roślin. Jednym z kierunków
agroenergetyki rozwijanych w synergii z produkcją rolną są biogazownie rolnicze.
Biogazownie rolnicze mogą być wybudowane w obrębie gospodarstwa lub w pewnej
odległości od siedzib ludzkich. W tym drugim przypadku negatywnie na środowisko –
atmosferę będzie oddziaływać transport technologiczny. Omówiono badania biogazowni w aspekcie jej wpływu na środowisko (społeczne, przyrodnicze i ekonomiczne), podano także przykład obliczenia ilości pofermentu w zależności od składu substratów. Określono, jak obliczyć emisje powstające ze spalania biogazu w kotłach
CHP i pochodniach awaryjnych. Przedstawiono wskaźniki emisji z silników zasilanych biogazem według różnych źródeł literaturowych z zalecanymi do stosowania
w projektach oraz wskaźniki emisji silników biogazowych różnych marek (różnych
producentów). Zestawiono wskaźniki emisji w zależności od zawartości CH4 powstające przy spalaniu biogazu rolniczego w kotłach grzewczych. Końcowym efektem
jest opracowanie modelowej technologii łańcucha logistycznego dla biogazowni.
Została ona opracowana na podstawie zaleceń agrotechnicznych, literatury i badań
z gospodarstw rzeczywistych dla kukurydzy na kiszonkę. Obliczono emisje gazów
cieplarnianych ze spalania oleju napędowego podczas uprawy, zbioru i transportu
oraz ugniatania pryzmy z zielonką w technologii modelowej.
Summary
In the monograph have been presented research and calculation results of influence
on environment following plants cropping technologies maize for silage, sugar/fodder
beets and meadow grass. Mentioned plants could be used as substrates for biogas
stations. The investigation method of materials and energy expanses have been
presented with examples of such investigations, compiled on technological charts.
A review of research methods and calculations of greenhouse gas (GHG) emissions
from crops for energy purposes have been done. However it was discovered that
during plants cropping and preparations for use in biogas plants, the environmental
impact could be disadvantageous. The problem of greenhouse gas emissions associated with the use of mineral and organic fertilizers to crops was presented. Model
size fertilization was analyzed for previously mentioned plants at two variants – yield
and fertilization. With the use of method presented by IPCC, annual emissions
amount of N2O was calculated from areas concerned by the crops. Nitrous oxide
emissions were calculated for each fertilizer used at model technologies.
Environmental assessment was done with the use of LCA method at the framework
of greenhouse gases emissions to atmosphere from crops of previously mentioned
plants. One from the directions of agro-energy developed in synergy with agricultural
production are agricultural biogas plants. Agricultural biogas plants could be constructed on the farm or at a distance from human settlements. In the latter case,
negative impact on the environment – the atmosphere will affect transport technology. Biogas plants investigation results were discussed in terms of their impact on
the environment (social, nature and economy). An example was given for residues
amount calculation after fermentation according to substrates composition. It was
identified how to calculate emissions from biogas burning at CHP boilers and emergency flares. Emissions indicators were presented for engines fueled by biogas according to different literature issues with recommendations for implementation in
projects and emission indicators for different types of biogas engines (different producers). Emissions indicators were set together according to CH4 amount which
were created during agricultural biogas burning at heating boilers. The end result
was elaborated model technology of logistic chain for biogas station. It was developed at the base of agrotechnical recommendations, literature and investigations of
real farms for corn for silo. Greenhouse gases emissions were calculated for diesel
fuel burned during crop, harvest, transport and prism compaction with green corn at
the model technology.