docczęść 1 - Forum Ekoenergetyczne
download 
Reklamacja Transkrypt
część 1 - Forum Ekoenergetyczne
Energetyka alternatywna Energetyka alternatywna pod red. Jana Popczyka Wydawnictwo Dolnośląskiej Wyższej Szkoły Przedsiębiorczości i Techniki w Polkowicach Polkowice 2011 Redakcja naukowa: prof. zw. dr hab. inż. Jan Popczyk Recenzja naukowa: prof. dr hab. inż. Janusz Gołaszewski Korekta: Monika Krak Skład i łamanie: Wojciech Myszka Grafika: Marek Warszawski Redakcja techniczna: Jan Walczak Publikacja finansowana z budżetu Gminy Polkowice Printed in Poland Fabryka Druku sp. z o. o. Warszawa, ul. Staniewicka 18 ISBN 978-83-61234-56-2 c Copyright by DWSPiT Polkowice ○ Kopiowanie, przedrukowywanie i rozpowszechnianie całości lub fragmentów pracy bez zgody wydawcy zabronione. Wydawnictwo Dolnośląskiej Wyższej Szkoły Przedsiębiorczości i Techniki w Polkowicach ul. Skalników 6b, 59-101 Polkowice tel. 76 746 53 53 www.dwspit.pl Spis treści Przedmowa Jan Popczyk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Słowo wstępne Wiesław Wabik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zenon Wiertelorz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 9 11 Część 1. Technologie pozyskiwania i przetwarzania biomasy . . . . . . . . . . . . 13 Algi perspektywicznym źródłem biopaliw o różnej charakterystyce i właściwościach. Metody hodowli, ekonomika procesu Marcin Dębowski, Mirosław Krzemieniewski, Marcin Zieliński . . . . . . . . . . . . Wady i zalety roślin energetycznych Jacek Kieć . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Przydatność substratów pochodzenia rolniczego do pozyskiwania biogazu Józef Szlachta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zgazowanie biomasy Agnieszka Czop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zagospodarowanie pozostałości po produkcji biogazu w myśl przepisów prawa polskiego Tamara Jadczyszyn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Część 2. Technologie URE, infrastruktura . 15 . 27 . 37 . 45 . 53 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Pompy ciepła – właściwe wymiarowanie instalacji z pompami ciepła Adam Minikowski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Instalacje solarne – energia ze Słońca Ryszard Tytko . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Techniczne aspekty przyłączania rozproszonych źródeł energii do systemu elektroenergetycznego Barbara Kaszowska, Andrzej Włóczyk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Część 3. Zagadnienia społeczne, ekonomika, oddziaływanie na środowisko, regulacje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 67 71 81 Współdziałanie jako podstawa zrównoważonego rozwoju obszarów wiejskich Ryszard Janikowski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Oddziaływanie na środowisko a ekologiczne koszty zewnętrzne odnawialnych źródeł energii Andrzej Graczyk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Unijne i krajowe instrumenty wspomagania rozwoju odnawialnych źródeł energii Alicja M. Graczyk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Elektrownie wiatrowe a ptaki – aktualny problem Marcin Bocheński, Leszek Jerzak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Proces formalnoprawnego przygotowania inwestycji biogazowej Bogusław Dulian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 6 Spis treści Część 4. Od projektów gminnych do działań międzynarodowych . . . . . . . . 131 Planowanie energetyczne w gminach wiejskich z wykorzystaniem lokalnego potencjału rolnictwa energetycznego Jerzy Ziora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Możliwości rozwoju przedsiębiorstwa infrastrukturalnego i usług dodanych na przykładzie przedsiębiorstwa ZUT w gminie Zagórz Marian Hniłka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rejestr potencjału energetycznego biomasy dla zrównoważonego rozwoju Regionów Europejskich Beata Michaliszyn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dobra praktyka w ocenach oddziaływania elektrowni wiatrowych na krajobraz na przykładzie województwa opolskiego Krzysztof Badora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Program Poszanowania Energii i Wspierania Wykorzystania Źródeł Odnawialnych na lata 2009-2015 dla Powiatu Polkowickiego Stanisław Kondratiuk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prace nad prognozą ekoenergetyczną na Dolnym Śląsku Edyta Ropuszyńska-Surma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Międzynarodowa sieć wiedzy w zakresie produkcji i wykorzystania biomasy do celów energetycznych w Europie Środkowej Stanisław Karuga, Marzena Rutkowska-Filipczak, Beata Witkowska-Kita . . . . . . . 133 137 145 151 161 169 185 Polkowicka Deklaracja Ekoenergetyki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Zawartość załączonej płyty CD: Marcin Dębowski, Mirosław Krzemieniewski, Marcin Zieliński, Katedra Inżynierii Ochrony Środowiska, Warmińsko–Mazurski Uniwersytet w Olsztynie, Potencjalne możliwości pozyskiwania glonów ze zbiorników naturalnych na cele produkcji biogazu Marcin Dębowski, Mirosław Krzemieniewski, Marcin Zieliński, Katedra Inżynierii Ochrony Środowiska, Warmińsko–Mazurski Uniwersytet w Olsztynie, Systemy produkcji biomasy glonowej na cele energetyczne Stanisław Gwóźdź, PGEE sp. z o. o., Biomasa rolnicza i odpadowa w produkcji odnawialnej energii. Możliwości i sens wykorzystania Stanisław Gwóźdź, PGEE sp. z o. o., Budowa biogazowni rolniczej – krok po kroku Mirosław Kaczmarek, Urząd Regulacji Energetyki, Przyłączenie biogazowi do sieci w świetle przepisów ustawy Prawo energetyczne Andrzej Kassenberg, Instytut na Rzecz Ekorozwoju, Zrównoważony rozwój wyzwaniem współczesnego świata Jacek Kieć, Katedra Agrotechniki i Ekologii Rolniczej, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Wady i zalety roślin energetycznych Maciej Nawrotek, w4e Centrum Energii Wiatrowej Technopark Łódź, Wybrane aspekty oddziaływania elektrowni wiatrowych na środowisko Przedmowa Referaty zamieszczone w niniejszym zbiorze zostały zaprezentowane w czasie I (2009) i II (2010) Forum Ekoenergetycznego w Polkowicach. Pojawia się zatem pytanie o sens druku tego zbioru w 2011 roku, jeśli wiadomo, że rozwój energetyki alternatywnej bardzo mocno przyspieszył, licząc od pierwszego, a jeszcze bardziej od drugiego Forum. Z punktu widzenia Forum w Polkowicach warto to przyspieszenie zilustrować na przykładzie niemieckim, tuż za granicą, która jest przecież dla zwykłych ludzi coraz mniej odczuwalna. Otóż wyłączenie połowy bloków jądrowych w Niemczech po katastrofie elektrowni Fukushima 11 marca 2011 roku spowodowało, że 10% zapotrzebowania na energię elektryczną musiało być pokryte natychmiastowo z istniejących nadwyżek zasobów niemieckich i za pomocą importu w ramach jednolitego rynku europejskiego. Oczywiście, natychmiast pobudzony został też (przez wzrost cen) rynek inwestycyjny w energetykę OZE/URE1 (i gazową). Podkreśla się przy tym, że rynek niemiecki jest bardzo dobrze przygotowany do nowej fali inwestycyjnej w energetykę OZE/URE, bo przez lata inwestował w energetykę wiatrową i w biogazownie, a w 2010 roku zainstalowana została na tym rynku moc w źródłach fotowoltaicznych rzędu 7 GWp. Przesądzona jest też kontynuacja pobudzenia inwestycyjnego w energetykę OZE/URE, związana z likwidacją drugiej połowy energetyki jądrowej w latach 2021/2022. Szybki rozwój energetyki OZE/URE jest możliwy, bo niemieccy odbiorcy deklarują gotowość płacenia za energię elektryczną 20% więcej, aby tylko nie była ona produkowana w elektrowniach jądrowych. W tym samym czasie (od stycznia do maja 2011 roku), kiedy nie- mieccy odbiorcy deklarują gotowość płacenia za energię elektryczną wyższych cen, indeksy giełdowe dwóch czołowych przedstawicieli energetyki WEK, produkujących energię elektryczną w większości z paliw kopalnych, gwałtownie tracą: RWE traci 17%, a EON – 12%. To oznacza historyczną alokację: od energetyki WEK do energetyki OZE/URE, od paliw kopalnych do źródeł odnawialnych. Polska na razie nie bierze udziału w światowym wyścigu o nowy kształt energetyki (oprócz przykładu niemieckiego charakterystyczne są z punktu widzenia tego wyścigu przykłady: chiński – najważniejszy i najbardziej spektakularny, ale także amerykański). Tym bardziej trzeba podkreślić rolę Forum w Polkowicach, które rozpoczęło działalność w dobrym czasie i zostało bardzo dobrze ukierunkowane – głównie na rolnictwo energetyczne i ogólnie – na pobudzanie rozwoju małych i średnich gmin za pomocą energetyki OZE/URE. Trzeba też pokazać, kto parę lat temu miał świadomość potrzeby rozwijania badań na rzecz energetyki OZE/URE i odwagę opowiedzenia się za tą energetyką. Jednak nie tylko chodzi tutaj o oddanie sprawiedliwości Autorom i Organizatorom (Fundacja Zielony Feniks, Gmina Polkowice, Dolnośląska Wyższa Szkoła Przedsiębiorczości i Techniki w Polkowicach). Najbardziej chodzi o Czytelników i o III Forum, w 2011 roku. Z tego punktu widzenia ważne jest, że Czytelnicy dostają do rąk zbiór zrecenzowany przez profesora Janusza Gołaszewskiego, wnikliwego obserwatora przemian w rolnictwie na świecie, dostrzegającego wielki potencjał jego transformacji w kierunku rolnictwa energetycznego, znawcę dwóch podstawowych technologii w tym ostatnim, mianowicie 1 W przedmowie stosuje się dwa skróty: URE – urządzenia rozproszonej energetyki, czyli urządzenia produkowane masowo w fabrykach, przeznaczone dla prosumentów oraz WEK – wielkoskalowa energetyka korporacyjna, czyli tradycyjna, w Polsce oparta prawie wyłącznie na paliwach kopalnych, wysokoemisyjna (w aspekcie emisji CO2). 8 biogazowni i biorafinerii rolniczych. Ważne jest także, że dostają zbiór reprezentatywny w kontekście zakresu tematycznego, który dla energetyki OZE/URE będzie jednak długo jeszcze sprawą otwartą (konsolidacja nowych kompetencji z natury rzeczy musi być w tym obszarze procesem długotrwałym). Trzeba wyrazić nadzieję, że referaty zgłoszone na III Forum wypełnią jeszcze pełniej i lepiej strukturę tematyczną zarysowaną w niniejszym zbiorze. Przy tym postulat ten rozumie się tu wielopłaszczyznowo. Po pierwsze, każda z części w zbiorze ma wprawdzie swój własny wielki potencjał rozwojowy, ale III Forum powinno przyczynić się przede wszystkim do likwidacji największych deficytów tematycznych. Tych upatruje się w obszarze technologii (w zakresie uprawy roślin energetycznych, biotechnologii środowiskowych, w mniejszym stopniu w obszarze technologii OZE/URE). Po drugie, poszczególne części (cztery) powinny być coraz bardziej spójne. To oznacza, że pilnie trzeba szukać istoty powiązań między nowymi technologiami (innowacyjnymi, obarczonymi dużym ryzykiem), nową ekonomiką (konsu- Przedmowa mencką) i nowym zachowaniami społecznymi (charakterystycznymi coraz bardziej dla społeczeństwa wiedzy). Po trzecie, trzeba wychodzić na produkty charakterystyczne dla nowej sytuacji. Na przykład, w miejsce niespójnych, podatnych na lobbing, systemów wspomagania rozwoju energetyki OZE/URE (certyfikaty) trzeba kreować wspomaganie inwestycyjne projektów demonstracyjnych za pomocą środków publicznych, w zamian za zobowiązanie (w umowach cywilno-prawnych) inwestorów dotyczące upublicznienia doświadczeń z realizacji tych projektów (doświadczeń z etapu przygotowania inwestycji, budowy/instalacji, eksploatacji). W świecie innowacyjnych technologii energetycznych, Internetu i prosumentów takie wykorzystanie środków publicznych, poddane publicznemu osądowi i rynkowej efektywności jest najlepszym rozwiązaniem. Społeczeństwo już to rozumie w dużym stopniu. III Forum powinno przyczynić, choćby w niewielkiej części, do tego, że dotrze to również do polityków i efektem będzie odpowiednia ustawa OZE, którą będzie uchwalał najprawdopodobniej już nowy parlament. prof. zw. dr hab. inż. Jan Popczyk Politechnika Śląska Słowo wstępne Wiesław Wabik Burmistrz Polkowic Gdy przed dwoma laty, wraz z Fundacją „Zielony Feniks”, podjęliśmy się w naszym mieście organizacji I Forum Ekoenergetycznego, stało się jasne, że oto zapoczątkowujemy nowy etap w dziejach Polkowic. Wydarzeniu patronował profesor Jerzy Buzek, przewodniczący Parlamentu Europejskiego, który uznał naszą Gminę za idealne miejsce, mogące stać się centralnym ośrodkiem ekoenergetycznym kraju. Świadomie zaciągnęliśmy zobowiązanie, aby sprostać jeszcze jednemu istotnemu oczekiwaniu i po raz kolejny udowodnić, że nie na darmo od wielu lat posługujemy się promocyjnym przesłaniem „Polkowice – Gmina na przyszłość”. Konsekwentne dostrzeganie nowoczesnych trendów, dynamiczny rozwój, aktywność mieszkańców są najlepszym dowodem na to, że choć wysoko stawiamy sobie poprzeczkę wymagań, to potrafimy ją przeskakiwać. Doskonalenie i upowszechnianie sposobów czerpania energii ze źródeł odnawialnych jest nie tylko interesującym polem aktywności dla samorządu, lecz także naturalną szansą na realizację wielu ciekawych projektów. Na przykład, w naszej Gminie upowszechniamy lampy solarowe, mamy też przystanki zasilane energią słoneczną, do ogrzewania świetlic wiejskich wykorzystujemy pompy ciepła. Jestem przekonany, iż nawet małe sprawy mogą wywoływać wielkie pozytywne skutki. Z Polkowic chcemy wysyłać Europie czytelny sygnał, że w niedużej przecież lokalnej społeczności funkcjonują ludzie z prawdziwą pasją, a dbałość o naturalne środowisko, wdrażanie innowacji, prowadzenie efektywnych działań edukacyjnych przyczyniają się do kształtowania nowego stylu życia. Czy mamy przed sobą dobre perspektywy? Z pewnością. Czy nie zabraknie nam determinacji, aby cyklicznie odbywające się w Polkowicach fora ekoenergetyczne wzbudzały autentyczne zainteresowanie? O to też jestem spokojny. „Polkowice – Gmina na przyszłość” chce i potrafi w niektórych dziedzinach być liderem nawet na skalę ogólnopolską. Z tematyką ekoenergetyczną czujemy się dobrze, ona po prostu znakomicie wpisuje się w nasz wizerunek. Słowo wstępne Zenon Wiertelorz Fundacja na Rzecz Rozwoju Ekoenergetyki „Zielony Feniks” Problematyka energii odnawialnej w naszym kraju ciągle nie znajduje dostatecznego zrozumienia. Taki stan rzeczy wynika z kilku przyczyn, najważniejszą z nich pozostaje zapewne wieloletnie przekonanie o fundamentalnej roli węgla w polskiej energetyce. Kolejnymi są brak spójnej polityki państwa dotyczącej tego obszaru (łączącej ochronę środowiska, energetykę, rolnictwo, problemy infrastruktury, innowacyjności i fiskalne) oraz rozproszony i niejasny system wsparcia środkami publicznymi (w tym UE) inwestycji w tym zakresie. Odrębnym problemem jest słaba wiedza społeczeństwa o problemach energetycznych współczesnego świata. Brak zrozumienia roli oszczędzania energii oraz jej produkcji w sposób przyjazny środowisku. Podobnie, niedostrzegana jest społeczna rola ekoenergetyki, szczególnie na styku z tak znaczącym w naszym kraju rolnictwem. Rzadko dostrzegana jest rola celowej produkcji rolnej na cele energetyczne i możliwość dywersyfikacji źródeł przychodów ludności wiejskiej, ich znaczenie w zmniejszeniu presji na rynek zbytu produktów rolnych i stabilizacji przychodów. Pamiętać należy, iż energetyka rozproszona generuje miejsca pracy w rejonach wiejskich i małych miasteczkach, gdzie zwykle o nie najtrudniej. Dla przebudowy świadomości potocznej i przedłożenia politykom racjonalnych działań w obszarze ekoenergetyki ogromne znaczenie ma środowisko naukowe. Jest ono w stanie zweryfikować prezentowane założenia, opracować programy działania i wypełnić je projektami bogatymi w wiedzę, jako że są one w znakomitej większości innowacyjne i nierzadko interdyscyplinarne. Ogromne znaczenie ma wykorzystanie polskiej myśli i potencjału przemysłu w rozwoju technologii ekoenergetycznych i produkcji w kraju niezbędnych dla proponowanych technologii maszyn i urządzeń (aktualnie korzysta się nieomal wyłącznie z technologii i urządzeń importowanych i to nierzadko nie najnowocześniejszych – w przypadku urządzeń często „second hand”). Kolejnym atutem omawianej problematyki jest duży potencjał wdrożeniowy, który optymalnie powinien być realizowany w słynnym „złotym trójkącie” (nauka – biznes – samorząd). Ekoenergetyka w swej znakomitej większości dokonuje się w układach rozproszonych, lokalnych, może być kreatorem „wysp ekoenergetycznych” (są już przykłady społeczności lokalnych, które z ekoenergetyki uczyniły podstawę swej egzystencji, jak na przykład słynne austriackie Güssing). Społeczności lokalne, a nawet poszczególne firmy czy gospodarstwa, mogą stać się nie tylko biorcami ale i producentami energii, mogą uzyskać energetyczną niezależność i bezpieczeństwo. W przypadku samorządów problematyka ekoenergetyczna ma szczególne znaczenie. Chodzi wszak nie tylko o udział Gmin w wydawaniu decyzji, ale i tworzenie klimatu przyjaznego OZE. Chodzi o fakt, iż jednym z istotnych kosztów funkcjonowania Gmin są opłaty za energię, które można nierzadko zmniejszyć, zwiększając jednocześnie podatkowe dochody gmin i tworząc miejsca pracy dla mieszkańców. Otwierają się poważne możliwości, a właściwie konieczność zagospodarowania energetycznego 12 (utylizacji) biologicznej frakcji odpadów komunalnych, których to Gminy zostaną niedługo dysponentem. Interesujące są projekty regionalnych lub gminnych centrów energetycznych (GCE), konsumujące lokalne możliwości w zakresie OZE i sprzęgające je z dotychczasowymi konwencjonalnymi źródłami energii, optymalizujące rozwiązania technologiczne, prowadzące do oszczędności energii i zwiększenia lokalnego bezpieczeństwa energetycznego. Czas przewartościować również stanowisko „profesjonalnej energetyki” do OZE. Część tego środowiska traktuje ekoenergetykę jako „kwiatek do węglowego kożucha”. Więcej zrozumienia znajduje tu energia jądrowa (mimo niewątpliwego ryzyka i problemów z dystrybucją wyprodukowanej energii) niż OZE. Tymczasem u naszych sąsiadów formułowane są programy produkcji ponad połowy (a nawet 85%) energii z OZE, przy czym na przykład w Niemczech podaje się, że na rzecz ekoenergetyki pracuje już ok. 350 tys. ludzi (przy ok. 30 tys. w energetyce jądrowej). Warto również pamiętać nie tylko o możliwości rozproszonej produkcji energii, ale Słowo wstępne i jej lokalnej konsumpcji, co ma kapitalne przełożenie na potrzeby przesyłowe i komunalne bezpieczeństwo energetyczne. Przedsięwzięcie realizowane przez Gminę Polkowice i Fundację na Rzecz Rozwoju Ekoenergetyki „Zielony Feniks” w Katowicach, w ramach którego we współpracy z DWSPiT w Polkowicach organizowana jest konferencja naukowo-wdrożeniowa (wespół z warsztatami „dobrych praktyk” ekoenergetyki), ma ogromne znaczenie popularyzatorskie i inicjatywne nie tylko dla środowisk naukowych, ale też samorządowych i biznesowych. Niniejsza publikacja zawiera tylko część materiałów i wystąpień zaprezentowanych w trakcie Polkowickiego Forum Ekoenergetycznego, a szczególnie towarzyszącej mu konferencji naukowej. Prezentujemy w niej wystąpienia różnych ośrodków badawczych naszego kraju (związanych między innymi z Bałtyckim Klastrem Ekoenergetycznym, Śląskim Klastrem Ekoenergetycznym) oraz zróżnicowaną problematykę, dotyczącą zarówno różnych źródeł energii odnawialnej, jak i różnych jej aspektów. Część I Technologie pozyskiwania i przetwarzania biomasy Marcin Dębowski* , Mirosław Krzemieniewski** , Marcin Zieliński*** Algi perspektywicznym źródłem biopaliw o różnej charakterystyce i właściwościach metody hodowli, ekonomika procesu 1. Wstęp Zapotrzebowanie na odnawialne biopaliwa, będące w stanie zastąpić obecnie wykorzystywane produkty, powstałe z rafinacji ropy naftowej, rośnie z roku na rok. Tradycyjne paliwa, oprócz pogłębiania efektu globalnego ocieplenia, charakteryzują się także ograniczoną dostępnością, a ich zasoby systematycznie maleją. Konieczne zatem wydaje się poszukiwanie pełnowartościowych zamienników paliw kopalnych. Taką alternatywę stanowią biopaliwa, a zwłaszcza przyciągające najwięcej uwagi biodiesel i bioetanol. Jednakże paliwa te, produkowane wyłącznie w oparciu o substraty pozyskiwane z tradycyjnego rolnictwa, nie są w stanie w równomierny sposób zastąpić obecnie wykorzystywanych paliw kopalnych. Ciekawą i godną rozważenia alternatywą wydaje się produkcja biopaliw z substratów pochodzących od glonów. Glony są potencjalnymi mikrofabrykami, które w oparciu o światło i dwutlenek węgla są zdolne do wyprodukowania biopaliw, żywności, i wysokowartościowych substancji bioaktywnych. Ponadto, organizmy te są wykorzystywane do bioremediacji i jako bionawozy o wysokiej zawartości azotu. Glony mogą być źródłem kilku rodzajów odnawialnych biopaliw. Poczynając od metanu, powstającego w procesach beztlenowego rozkładu biomasy, poprzez biodiesel produkowany z oleju glonowego, aż do fotobiologicznej produkcji wo- doru. Pomysł wykorzystania glonów do produkcji paliwa nie jest nowy, ale dopiero teraz jest on brany pod uwagę, ze względu na rosnące ceny paliw kopalnych, to jest wegla i ropy naftowej oraz konieczności przeciwdziałania globalnemu ociepleniu, które jest związane ze spalaniem paliw kopalnych. Paliwa glonowe nazywane są również biopaliwami trzeciej generacji. W porównaniu z biopaliwami drugiej generacji glony są wysokowydajnym (30 razy więcej energii/ha w porównaniu z tradycyjnymi uprawami glebowymi) substratem, z którego można uzyskać biopaliwo. Szacuje się że, gdyby biopaliwa z glonów miały pokryć potrzeby energetyczne, zaspokajane obecnie przez ropę naftowa, to wymagałoby to prowadzenia upraw o areale 40 000 km2 . To jest mniej niż 1/7 obszaru upraw kukurydzy w Stanach Zjednoczonych w 2000 r. 2. Rodzaje i charakterystyka biopaliw produkowanych z glonów Glony mogą być pośrednio wykorzystane do produkcji biodiesla, bioetanolu lub biobutanolu. Biomasę można następnie przerabiać na wielu szlakach technologicznych. Powstający w różnych procesach olej może być zamieniany na paliwo, a biogaz wykorzystywany do celów energetycznych. Biomasę można również bezpośrednio dr inż. M. Dębowski, Katedra Inżynierii Ochrony Środowiska, Wydział Ochrony Środowiska i Rybactwa, Uniwersytet Warmińsko–Mazurski w Olsztynie. ** prof. dr hab. inż. M. Krzemieniewski, Katedra Inżynierii Ochrony Środowiska, Wydział Ochrony Środowiska i Rybactwa, Uniwersytet Warmińsko–Mazurski w Olsztynie. *** dr inż. M. Zieliński, Katedra Inżynierii Ochrony Środowiska, Wydział Ochrony Środowiska i Rybactwa, Uniwersytet Warmińsko–Mazurski w Olsztynie. * 16 Marcin Dębowski, Marcin Zieliński, Mirosław Krzemieniewski spalać, aby dostarczać ciepła lub elektryczności. zużycia jest porównywalny z innymi paliwami. W optymalnych warunkach glony mogą dostar- Właściwości biopaliw zostały przedstawione w taczać olbrzymich ilości oleju roślinnego, porów- beli 1. nywalnych z otrzymywanych obecnie w ramach Olej glonowy, który dalej może zostać przeistniejących upraw. tworzony w celu wyprodukowania biodiesla„ moAktualnie do produkcji biodiesla wykorzystu- że również zostać użyty bezpośrednio, jako paje się oleje roślinne i zwierzece, jednakże nie obser- liwo w postaci czystego oleju roślinnego (SVO wuje się udziału w tym segmencie olejów pocho- – Straight Vegetable Oil). Korzyścią związaną dzących od glonów. Sytuacja ta może w najbliż- z używaniem oleju w tej postaci jest fakt, że szym czasie ulec zmianie, ponieważ kilka przed- nie wymaga to dodatkowej energii, niezbędnej siębiorstw usiłuje wprowadzić produkcję bodiesla do procesu transestryfikacji, (przetwarzania oleju z olejów glonowych na szeroką skalę. Sam bio- z alkoholem i katalizatorem, by wyprodukować diesel, jak i technologia jego produkcji, są znane biodiesla). Problemem jest konieczność modyfiod ponad 50 lat. W Stanach Zjednoczonych jest kacji normalnego silnika diesla, aby mógł spalać on produkowany głównie z soi. Do produkcji takie paliwo. Transestryfikowany biodiesel może używane są także oleje: rzepakowy, palmowy, sło- zostać zastosowany do niezmodyfikowanego nonecznikowy, zużyty olej ze smażenia i gotowania woczesnego silnika diesla, pod warunkiem, że jest oraz tłuszcze zwierzęce. on dostosowany do używania oleju o niskiej zaBiobutanol jest biopaliwem, które może być wartości siarki, co od 2006 r. jest obowiązującym produkowane z glonów lub okrzemek w biora- standardem dla nowych samochodów w Stanach fineriach, wykorzystujących do produkcji tylko Zjednoczonych. energię słoneczną. Paliwo to ma wartość opałoBiowodór jako paliwo z glonów może być prową (energetyczną) podobną do benzyny, nato- dukowany na dwa sposoby: w procesie fotosyntemiast większą niż etanol albo alkohol metylo- zy i w procesie fermentacji. wy. W większości silników benzynowych butanol W 1939 r. Hans Grafton (Uniwersytet Chi(n-butanol) może zostać użyty zamiast benzy- cago), zaobserwował, że Chlamydomonas reinny, bez konieczności ich modyfikacji. W wielu hardtii, glon z rodzaju zielenic, może w pewnych testach wykazano, że zużycie biobutanolu jest warunkach, „przełączać się” z produkcji tlenu niemal identyczne jak zużycie benzyny, natomiast na produkcję wodoru. Niestety Grafton nie znazmieszany z benzyną podwyższa osiągi silnika lazł przyczyny takiego zachowania i pomimo prób i chroni jego elementy przed procesami korozji. wyjaśnienia, podejmowanych przez wielu naukowOdpady pochodzące z ekstrakcji oleju z glonów ców, przez długie lata mechanizm ten pozostawał mogą być substratem do produkcji biobutanolu. nieznany. Dopiero w 1990 r. Anastasios Melis Biobenzyna powstaje z węglowodorów zawie- (Uniwersytet Kalifornijski, Berkley), odkrył, że rających między 6 a 12 atomów węgla w cząstecz- podanie roślinie pożywki ubogiej w związki siarki, ce, otrzymywanych z biomasy glonów. Biobenzy- powoduje przestawienie z produkcji tlenu w prona ma inny skład niż biobutanol i bioetanol, po- cesie fotosyntezy na produkcję wodoru. nieważ paliwa te są bioalkoholami, a nie pochodZa tę reakcję odpowiedzialny jest enzym, nymi węglowodorów. BG100 może zostać użyta dehydrogenaza, która jednak dezaktywuje się jako substytut benzyny, powstającej z ropy naf- w obecności tlenu. W warunkach beztlenowych, towej, w każdym konwencjonalnym silniku ben- dehydrogenaza może przez krótki okres pośredzynowym i można ją rozprowadzać w tej samej niczyć w produkcji wodoru na drodze fotosyninfrastrukturze transportu i dystrybucji, co kon- tezy. Ta reakcja działa jako zawór bezpieczeńwencjonalną benzynę. Heptan wymaga niewiel- stwa, ponieważ powoduje rozpraszanie nadmiakiego dodatku, zwiększającego liczbę oktanową ru elektronów, powstających w fazie krytycznej, tego paliwa. Bioetanol E85 wymaga przekonstru- podczas produkcji cukrów w chloroplastach. Ta owania silnika benzynowego ze względu na niż- krytyczna faza pojawia się, ponieważ reakcje przeszą temperaturę spalania, jednak pod względem noszenia elektronów zachodzą natychmiast pod 17 Algi perspektywicznym źródłem biopaliw o różnej charakterystyce i właściwościach. . . Tabela 1. Podstawowe właściwości biopaliw pozyskiwanych z biomasy glonowej Rodzaj paliwa Gęstość energetyczna Stosunek –paliwo powietrze Całkowita ilość energii Ciepło parowania Biobenzyna 32 MJ/L 14.6 2.9 MJ/kg air 0.36 MJ/kg Butanol 29.2 MJ/L 11.2 3.2 MJ/kg air 0.43 MJ/kg Etanol 19.6 MJ/L 9.0 3.0 MJ/kg air 0.92 MJ/kg Metanol 16 MJ/L 6.5 3.1 MJ/kg air 1.2 MJ/kg Źródło: Ayhan Demirbas, M. Fatih Demirbas, Algae Energy: Algae as a New Source of Biodiesel, Springer, 2010. efektem światła, kiedy synteza cukrów przybiera wolniejsze tempo. Przez pompowanie elektronów do produkcji wodoru, dehydrogenaza unika zduszania systemu. Ta reakcja po kilku minutach jest stopniowo zatrzymywana przez tlen, powstający na skutek reakcji syntezy cukrów. Melis określił ilość siarki niezbędną do przerwania strumienia wywarzania tlenu, tak aby można było aktywować dehydrogenazę, a rezultacie „zmusić” glon do produkcji wodoru. W toku dalszych badań, udało się znaleźć kolejny glon, Chlamydomonas moeweesi, który także wykazuje zdolność do produkcji wodoru w określonych warunkach. Naukowcy, pracujący laboratoriach Departamentu Energii Odnawialnej USA, próbują aktualnie znaleźć sposób wykorzystania części hydrogenazy, odpowiedzialnej za produkcję gazowego wodoru i wprowadzić ją do procesu fotosyntezy. W rezultacie takie rozwiązanie pozwoliłoby na wytwarzanie dużych ilości wodoru, porównywalnych z całkowitą ilością wytwarzanego tlenu. W 2006 r. pracownicy naukowi z Uniwersytetu Bielefeld i Uniwersytetu Queensland genetycznie zmodyfikowali pojedynczą komórkę zielenicy Chlamydomonas reinhardtii w celu otrzymania dużej ilości wodoru. Powstały w wyniku manipulacji genetycznej mutant o symbolu Stm6 może, na dłuższą metę, produkować wodór w objętości pięciokrotnie większej niż produkowana przez dziką formę glonu, a hodowla może osiągać wydajność 1,6 – 2,0%. W 2007 r. Melis, badając wydajność przekształcenia energii słonecznej w chemiczną, przy wykorzystaniu genetycznie zmodyfikowanych komórek Chlamydomonas reinhardtii o oznaczeniu tla1, osiągnął 15% wydajności, dowodząc, że zmniejszenie rozmiarów anteny Chl polepszyłoby efektywność indywidualnego wykorzystania światła słonecznego przez komórki. Ten proces przekształcenia energii mógłby zostać włączony do produkcji różnorodnych biopaliwo, zawierających wodór. Odkryto także, że dodatek miedzi do pożywki przełącza glon z produkcji tlenu na produkcję wodoru. 3. Sposoby odzysku oleju z biomasy glonowej Olej pozyskiwany z glonów może być wykorzystany na wielu płaszczyznach, komercyjnie lub przemysłowo. Podobnie wiele jest metod jego otrzymywania. Najprostszym sposobem pozyskiwania oleju jest mechaniczne tłoczenie. Metodę tą poprzedza proces suszenia powstałej biomasy. Ze względu na różnorodność cech fizycznych glonów, poddawanych temu procesowi, wykorzystuje się różne urządzenia (prasa śrubowa, prasa ślimakowa, prasa tłokowa). Dobiera się je pod kątem specyfiki poszczególnych gatunków glonów, tak aby uzyskać jak najwyższą wydajność prowadzonego procesu. Często proces mechanicznego tłoczenia jest stosowany łącznie z procesami chemicznymi. Kolejną metodą jest zastosowanie procesu chemicznej ekstrakcji z wykorzystaniem rozpuszczalników organicznych. Olej z glonów jest ekstrahowany poprzez przemywanie i przesączanie organicznymi rozpuszczalnikami, takimi jak benzen lub eter nowy, w trakcie skraplania w specjalnych aparatach. Olej może zostać także wyekstrahowany przy użyciu heksanu. Sposób ten jest szeroko wykorzystywany w przemyśle spożywczym i jest stosunkowo niedrogi. Minusem tej grupy metody jest niebezpieczeństwo związane z pracą z substancjami chemicznymi. Należy stosować zabezpieczenia tak, by uniknąć 18 Marcin Dębowski, Marcin Zieliński, Mirosław Krzemieniewski wydobywania się oparów rozpuszczalników i ich bezpośredniego kontaktu ze skórą, gdyż może to spowodować poważne następstwa. Benzen jest sklasyfikowany jako czynnik rakotwórczy. Wykorzystanie chemicznych rozpuszczalników wiąże się również z ryzykiem eksplozji i pożaru. Pozbawiona tych wad wydaje się być inna z metod, nazywana ekstrakcją enzymatyczną. Zamiast rozpuszczalników chemicznych używa się w niej enzymów, które degradują ścianę komórkową glonu. Zastosowanie wody, jako rozpuszczalnika i nośnika ekstrahowanych substancji, czyni frakcjonowanie pozyskanego oleju dużo łatwiejszym. Niestety koszty tego procesu są określane jako znacząco większe w porównaniu z na przykład ekstrakcją za pomocą heksanu. Ekstrakcja enzymatyczna może być natomiast wspierana przez procesy towarzyszące takie, jak zastosowanie ultradźwięków. Kombinacja tych dwóch metod pozwala na szybszą ekstrakcję i wyższą wydajność procesu. Ekstrakcja ultradźwiękowa znacznie przyspiesza prowadzenie procesu. Fale ultradźwiękowe tworzą pęcherzyki kawitacyjne w materiale rozpuszczalnika. Gdy pęcherzyki zapadają się blisko ścian komórki, powoduje to tworzenie fal uderzeniowych i wtrysków płynu. Zjawiska te powodują pękanie bariery ściany komórkowej i uwalnianie zawartości komórek do rozpuszczalnika. Inną metodą jest wykorzystywanie zjawiska szoku osmotycznego komórki. Polega ona na gwałtownej redukcji ciśnienia osmotycznego, co w rezultacie doprowadza do rozerwania ściany komórkowej i uwolnienia komponentów komórkowych, w tym oleju. Ostatnia z metod wykorzystywanych do pozyskiwania olejów, zawartych w komórkach glonów, jest to metoda ekstrakcji przy użyciu cieczy superkrytycznej. Metoda ta zwana jest również jako ekstrakcja CO2 . Dwutlenek węgla jest na początku skraplany pod ciśnieniem, a następnie ogrzewany do momentu, gdy zaczyna wykazywać własności zarówno płynu, jak i gazu. W tym stanie ten skroplony płyn służy jako rozpuszczalnik w ekstrahowaniu oleju. Istnieją również inne metody, jednakże są 1 one w fazie doświadczalnej. Kierunek badań skupia się na opracowywaniu indywidualnych metod ekstrakcji dla poszczególnych rodzajów oleju, na przykład wysokowydajnej metody produkcji długołańcuchowych nienasyconych wyższych kwasów tłuszczowych. 4. Hodowla glonów na cele produkcji biopaliw Prowadząc hodowlę glonów przeznaczonych na cele produkcji biopaliw, należy zapewnić kilka niezbędnych warunków. Hodowla fotoautotroficzna wymaga bezwzględnie dostępu światła, niezależnie od pory dnia czy roku. Dodatkowo niezbędne jest dostarczenie dwutlenku wegla oraz soli mineralnych. Istotne z punktu widzenia takiej hodowli mikroelementy to azot, fosfor, żelazo oraz w przypadku niektórych gatunków krzem. Stosunek składników odżywczych powinien wynosić CO0.48:H1.83:N0.11:P0.011 . Odżywki, takie jak fosfor, muszą zostać dostarczone w znacznym nadmiarze. Medium hodowlane może stanowić woda słodka lub słona, uzupełniona nawozami azotanowymi i fosforanowymi. Biomasa glonowa zawiera w przybliżeniu około 50% węgla w suchej masie. Zapotrzebowanie na dwutlenek węgla wynosi w przybliżeniu 183 t na 100 t wyprodukowanej biomasy. Temperatura hodowli powinna oscylować w przedziale 20 – 30°C. Jedyne wykonalne metody produkcji biomasy glonowej na dużą skalę to produkcja w stawach typu toru wyścigowego i fotobioreaktorach rurowych. 5. Obiekty otwarte Staw typu toru wyścigowego jest konstrukcją opartą na szeregu pętli, wykonanych w zamkniętym kanale recyrkulacyjnym. Typowa głębokość takiego stawu wynosi 0,2 – 0,3 m, jednak spotyka się także mające głębokość 0,5 m. Procesy mieszania i wzbudzanie przepływu w takim urządzeniu zachodzą przy wykorzystaniu koła łopatkowego. Strumień jest skierowany dookoła M. R. Tredici, R. Materassi, From open ponds to vertical alveolar panels: the Italian experience in the development of reactor for the mass cultivation of photoautotrophic microorganisms, J. Appl. Phycol. 4, 1992, s. 221-231. Algi perspektywicznym źródłem biopaliw o różnej charakterystyce i właściwościach. . . zakrętów przez deflektory umieszczone w kanale strumienia. Kanały stawu mogą zostać wykonane z betonu lub sprasowanej ziemi i są liniowane z białym plastikiem. Podczas naświetlania w ciągu dnia, kultura hodowlana jest karmiona w sposób ciągły. Substancje pokarmowe są podawane przed kołem łopatkowym, gdzie zaczyna się strumień hodowlany. Wyhodowana biomasa jest odbierana z urządzenia przed kołem łopatkowym, na końcu pętli. Koło łopatkowe działa cały czasem, by zapobiec osiadaniu biomasy. Stawy tego typu były powszechnie używane do hodowli biomasy glonowej od lat 50. XX w. Obszerne doświadczenie opiera się na działaniu i inżynierii torów wyścigowych. Największe, oparte na torze wyścigowym, udogodnienie produkcji biomasy zajmuje obszar 440 000 m2 i jest użyte, by doprowadzić do cyanobacterial biomasy dla jedzenia2 . 6. Obiekty zamknięte Aby zmniejszyć koszty związane z produkcją, biomasa musi mieć zapewniony swobodny dostęp do światła i być uniezależniona od wahań jego ilości w zależności od pory dnia czy pory roku. Takie warunki mogą zapewnić jedynie sztuczne urządzenia hodowlane, zwane bioreaktorami. Do niedawna ich wykorzystanie było ograniczone jedynie do laboratoriów, ale postęp w technologii i projektowaniu tych urządzeń pozwala na ich wykorzystanie do hodowli glonów na dużą skalę. Jednak zastosowanie systemów zamkniętych, tak naprawdę pozwala na wyeliminowanie wielu problemów związanych z hodowlą w systemach otwartych. Systemy zamknięte umożliwiają prowadzenie hodowli większej liczby gatunków oraz pozwalają, poprzez umiejętne sterowanie parametrami procesu, uzyskać dominację gatunku, który ma zostać wyhodowany. Przede wszystkim natomiast, pozwalają na wydłużenie procesu wegetacji glonów i hodowlę tych organizmów przez cały rok, dzięki możliwości kontroli temperatury i warunków świetlnych. Ponieważ fotobioreaktory są systemami za2 19 mkniętymi, wszystkie istotne substancje pokarmowe muszą zostać do nich wprowadzone, by pozwolić glonom na swobodne namnażanie się i wzrost. PBR może funkcjonować jako reaktor porcjowy czy sekwencyjny, ale możliwe jest również prowadzenie hodowli w trybie przepływowym, w strumieniu ciągłym zawierającym substancje pokarmowe, powietrze i dwutlenek węgla. Gdy glony osiągną pożądane rozmiary i zagęszczenie, następuje odprowadzenie wyhodowanych komórek. Jeżeli nie zostaną podjęte odpowiednie środki nadzoru, w bioreaktorach o przepływie ciągłym często dochodzi do bardzo szybkiego załamania się hodowli i śmierci organizmów. Jednak, jeśli proces hodowli jest nadzorowany, reaktory o przepływie ciągłym mogą kontynuować działanie okresów przez dłuższy okres. Zaletą tego typu hodowli jest to, że pozwala ona na utrzymywanie glonów w fazie logarytmicznego wzrostu, co powoduje, że charakteryzują się one wyższą zawartością substancji odżywczych, a wiec przedstawiają większą wartość z punktu widzenia hodowcy. Wbrew sukcesowi systemów otwartych, przyszłość systemów hodowlanych będzie wymagać rozwoju i stosowania systemów zamkniętych, gdyż najbardziej interesujące pod względem badawczym glony nie rosną w wysoce wybiórczych środowiskach. Ponadto, dużo nowych gatunków glonów i produktów z nich pochodzących, musi zostać wyhodowanych w warunkach wolnych od potencjalnych zanieczyszczeń, takich jak metale ciężkie i mikroorganizmy patogenne. Koncepcja stosowania systemów zamkniętych była znana od dawna, jednak ich wysoki koszt skutecznie ograniczał do niedawna możliwości ich komercyjnego zastosowania. Glony mogą zostać wyhodowane w zamkniętych systemach w warunkach fototroficznych, miksotroficznych lub heterotroficznych3 . Hodowle heterotroficzne, z wykorzystaniem octanu lub glukozy jako źródła węgla, były prowadzone przez pewien czas dla Chlorelli, natomiast w 1996 r. w Japonii w ten sposób wytworzono w przybliżeniu 550 t tego glonu. Przez krótki okres w Wielkiej Brytanii hodowano w try- A. S. Watson, Aquaculture and Algae Culture. Process and Production, Noyes Data Corporation, NJ 1979. G. Shelef, C.J. Soeder, Algae Biomass. Production and Use. Elsevier/North-Holland Biomedical Press, Amsterdam, The Netherlands,1980, s. 852. 3 20 Marcin Dębowski, Marcin Zieliński, Mirosław Krzemieniewski bie heterotroficznym glon z rodzaju Tetraselmis. Jednak hodowla została przerwana ze względu na jej nieopłacalność w dłuższym czasie. Ponadto otrzymywany po wysuszeniu produkt był gorszej jakości niż ten, uzyskiwany z hodowli fotoautotroficznych. Firma Martek Inc. (USA) prowadzi hodowlę heterotroficzną Crypthecodinium cohnii do produkcji długołańcuchowych wielonienasyconych kwasów tłuszczowych. Hodowla w trybie heterotroficznym ma kilka zalet. Systemy fermentacji są dobrze poznane, istnieje szerokie doświadczenie w ich projektowaniu i działaniu. W hodowlach tego typu uzyskiwana jest wysoka gęstość komórkowa, wynosząca od 20 do 100 g/l przy jednoczesnej redukcji kosztów związanych z uprawą i zbiorem. Głównymi wadami jest brak możliwości hodowli wszystkich gatunków glonów w tym trybie oraz możliwość zmian chemicznych zachodzących w komórkach hodowanych glonów4 . Zamknięte systemy hodowli w trybie fotoautotroficznym są szeroko wykorzystywane do produkcji różnych gatunków glonów. Istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych, jeżeli chodzi o projektowanie fotobioreaktorów, jednak najlepszym rozwiązaniem wydaje się być zastosowanie reaktorów rurowych do hodowli biomasy glonów na potrzeby produkcji biopaliwa. Fotobioreaktor rurowy zbudowany jest z długich, prostych, przezroczystych rurek, które zwykle są wykonane z plastiku, poliwęglanu (plexi) lub szkła. Przezroczyste rurki pozwalają na swobodne wychwytywanie kwantów energii świetlnej przez hodowane glony. Aby jeszcze bardziej usprawnić ten proces, średnica rurek fotobioreaktora jest ograniczona do 0,1 m. Zawiesina komórek glonów w roztworze wodnym, zawierającym substancje pożywkowe (medium hodowlane), jest rozprowadzana ze zbiornika, stanowiącego jednocześnie kolumnę odgazowywania, do wszystkich rurek fotobioreaktora i zawracana z powrotem do zbiornika. Zazwyczaj hodowla w takim bioreaktorze jest prowadzona w sposób ciągły, przy 4 stałym dostępie światła słonecznego. W hodowli ciągłej świeże medium hodowlane jest karmione ze stałą prędkością i stała ilość zawiesiny, zawierającej komórki glonów i pożywkę jest stale zawracana. Karmienie ustaje podczas nocy, przy braku światła; jakkolwiek mieszanie zawiesiny hodowlanej musi być kontynuowane, aby zapobiec osiadaniu biomasy. Aż 25% biomasy wyprodukowanej w trakcie dnia mogłoby zostać zużyte podczas nocy, by podtrzymać komórki do świtu. Wielkość tej nocnej straty zależy od poziomu światła, przy którym biomasa została wyhodowana, temperatury wzrostu i temperatury w nocy. Aby zmaksymalizować kontakt światła słonecznego z hodowaną biomasą, rurki w fotobioreaktorze są ukierunkowane północ – południe. Przez zastosowanie piętrowego układu rurek, następuje zmaksymalizowanie powierzchni kontaktu komórek glonów kwantami energii świetlnej. Podłoże pod rurkami fotobioreaktora powinno być pokryte białą farbą, białymi arkuszami plastycznymi lub folią aluminiową, by zwiększać współczynnik odbicia lub albedo, a tym samym zwiększać całkowitą ilość światła otrzymanego przez glony. Osiadanie biomasy w rurkach reaktora jest powstrzymywane przez utrzymywanie przepływu turbulentnego o wysokiej intensywności. Przepływ ten jest zapewniany przez mechaniczne pompy, które mogą jednak powodować uszkodzenia biomasy lub bardziej delikatne dla biomasy pompy typu „airlift”. Pompy „airlift” są ogólnie tańsze w eksploatacji niż pompy mechaniczne, powodują mniej uszkodzeń biomasy i nie posiadają ruchomych części, które mogłyby zawieść. Niemniej jednak, pompy te są mniej wszechstronne niż pompy mechaniczne i mogą być trudniejsze w zaprojektowaniu5 . 7. Czynniki limitujące hodowlę glonów w fotobioreaktorach W procesie fotosyntezy produkowany jest tlen. Przy silnym naświetleniu hodowli, na przy- M. A Borowitzka, Commercial production of microalgae: ponds, tanks, tubes and fermenters, Journal of Biotechnology 70, 1999, s. 313-321. 5 J.C. Ogbonna, H. Tanaka, Photobioreactor design for photobiological production of hydrogen, [w:]J. Miyake, T. Matsunaga, A. San Pietro, (Eds.), Biohygrogen II – An Approach to Environmentally Acceptable Technology, Pergamon Press, London, (2001), s. 245-261. Algi perspektywicznym źródłem biopaliw o różnej charakterystyce i właściwościach. . . kład promieniami słonecznymi w samo południe, w wielu miejscach reaktora maksymalna szybkość produkcji tlenu może wynieść nawet 10 g O2/m3 /min. Tak wysoki poziom tlenu rozpuszczonego spowoduje zahamowanie fotosyntezy. Ponadto, wysoka koncentracja tlenu rozpuszczonego w połączeniu z intensywnym światłem słonecznym, prowadzi do fotooksydacyjnego uszkodzenia komórek hodowanych glonów. Aby zapobiec zahamowaniu fotosyntezy i uszkodzeniu komórek, maksymalny dopuszczalny poziom tlenu rozpuszczonego nie powinien przewyższyć 400% wartości nasycenia powietrza. Ponieważ zgromadzony tlen nie może zostać łatwo usunięty z rurki fotobioreaktora, ich długość maksymalna jest ograniczona. Zwykle nie przekracza 80 m; jakkolwiek możliwa długość rurki zależy od kilku czynników, koncentracji biomasy, intensywności naświetlania, prędkości przepływu i koncentracji tlenu na wejściu do rurki. Aby usunąć zakumulowany tlen, kultura jest okresowo zawracana do strefy odgazowywania, w której jest napowietrzana6 . Oprócz usuwania tlenu rozpuszczonego, strefa odgazowywania musi uwolnić wszystkie bańki gazu z medium hodowlanego. Obecność zbyt wielu baniek gazu w rurkach fotobioreaktora będzie przeszkadzać absorpcji światła i osłabi wzrost kultury w rurkach. Istnieje już wiele rozwiązań projektowych wysokoefektywnych urządzeń odgazowujących, które mogą być wykorzystane w cyklu produkcji biomasy. Głównym wymaganiem dla strefy odgazowywania jest ograniczenie jej pojemności w stosunku do pojemności całego fotobioreaktora. Jest to spowodowane przez fakt, że zbyt duża strefa odgazowywania nie zapewnia dobrego kontaktu glonów ze światłem, a co za tym idzie, negatywnie oddziałuje na wzrost glonów. Innym czynnikiem, mającym istotny wpływ na pracę fotobioreaktora, jest poziom pH hodowli. Ponieważ medium hodowlane przesuwa się wzdłuż rurek fotobioreaktora, mogą następować w nim gwałtowne wahania pH na skutek konsumpcji dwutlenku węgla. Aby zapobiec takim przypadkom, dwutlenek węgla jest podawany do strefy odgazowywania w ilościach nadzorowanych przez kontroler pH. Ponadto dodatkowe 6 21 punkty wtrysku dwutlenku węgla, umieszczone w odstępach wzdłuż rurek, mogą zapobiec ograniczeniu ilości dwutlenku węgla i nadmiernemu wzrostowi pH. Optymalna temperatura dla hodowli wielu glonów waha się pomiędzy 20 a 30°C. Medium hodowlane, krążące w rurkach fotobioreaktora, wystawione na silne światło słoneczne szybko się przegrzeje, co może doprowadzić do uszkodzenia komórek. Dlatego niezwykle istotne jest odpowiednie chłodzenie hodowli. Ponadto kontrola temperatury w nocy również jest przydatna, by zapobiec jej spadkowi do poziomu grożącego uszkodzeniami komórek hodowanych glonów. Na przykład nocna strata biomasy z powodu oddychania może zostać zmniejszona przez obniżanie temperatury w nocy do wartości o kilka stopni niższej niż optymalna temperatura wzrostu dla danego glonu. Plenerowy rurowy fotobioreaktor może skutecznie i niedrogo zostać ochłodzony przy użyciu wymienników ciepła, które mogą zostać umieszczone w kolumnie do odgazowywania lub w chłodnicy rurowej. Chłodzenie przez parowanie, wykorzystujące wodę rozpylaną na powierzchnię rurek, może zostać skutecznie użyte w suchym klimacie, np. w Izraelu. Co najmniej raz na rok, fotobioreaktor musi zostać wyłączony i opróżniony w celu dokonania rutynowych zabiegów konserwacyjnych i czyszczenia. Czyszczenie i dezynfekcja są wymagane również w razie zanieczyszczenia hodowli niechcianymi gatunkami glonów i pasożytami. Do czyszczenia wykorzystywane są metody automatyczne, które nie wymagają demontażu bioreaktora i zmniejszają czas postoju. 8. Ekonomika produkcji biopaliw z glonów Glony są mikroskopijnymi organizmami fotosyntetyzującymi, które posiadają umiejętność zamiany energii słonecznej, wody i dwutlenku węgla na biomasę. Wiele z nich gromadzi w swoich komórkach duże ilości oleju, stanowiące od 60 A. Sanchez Miron, Comparative evaluation of compact photobioreactors for large-scale monoculture of microalgae, Journal of Biotechnology 70, 1999, s. 249-270. 22 Marcin Dębowski, Marcin Zieliński, Mirosław Krzemieniewski do 80% suchej masy (tabela 2), jako substancje zapasowe7 . Produkcja z tradycyjnych upraw roślin oleistych, tj. soi i palmy oleistej, jest powszechnie wykorzystywana do produkcji biodiesla, jednakże ich wydajność, w porównaniu z glonami jest mocno ograniczona i stanowi zaledwie 5% całkowitej biomasy. W konsekwencji, zbiory roślin oleistych po przetworzeniu oleju mogą dostarczyć niewielkich ilości biodiesla, który może być mieszany z tradycyjnym olejem napędowym, jednakże nie jest w stanie zastąpić go całkowicie. trzebowania. Uwzględniając jedynie połowiczne zapotrzebowanie na paliwo dla gospodarki USA, obszary gruntów rolnych, niezbędne do wyhodowania roślin o produktywności zaspokajającej takie potrzeby, byłyby zbyt duże w porównaniu do obecnie istniejących (tabela 3)8 . Dla przykładu, palma oleista (Elaeis guineensis), jedna z najbardziej produktywnych roślin oleistych, osiąga wydajność 5,95 m3 oleju/ha/rok. Aby otrzymać ilość biodiesla, pokrywającą 100% zapotrzebowania rynku USA, uprawy palmy musiałyby zajmować obszar 111 mln ha. Wielkość ta stanowi prawie 61% z całego areału ziemi, Tabela 2. Procentowa zawartość oleju w su- przeznaczonego na uprawy rolnicze w Stanach chej masie wybranych gatunków glonów Zjednoczonych. W takim przypadku, hodowla palmy byłaby wysoce nierealistyczna, gdyż spoZawartość oleju Gatunek glonu wodowałaby znaczne ograniczenia w przypadku w suchej masie (%) innych upraw rolniczych, a co za tym idzie ograBotryococus braunii 25-75 niczenie dostępności paszy i pożywienia dla ludzi. Chlorella sp. 28-32 Przyjmując takie założenia, oczywistym wydaje Cryptheconidium cohnii 20 się fakt, że konwencjonalne uprawy roślin oleCylindrotheca sp. 16-37 istych nie będą w przyszłości w stanie pokryć Dunaliella primolecta 23 pełnego zapotrzebowania na paliwa. W związku Isochrysis sp. 25-33 z tym konieczne jest rozważenie hodowli glonów, Monallantus salina 20 które mogą być następnie wykorzystane jako źróNannochloris sp. 20-35 dło biodiesla. Nannochloropsis sp. 31-68 Przeciętna średnioroczna produktywność bioNeochloris oleoabundans 35-54 masy glonów w dobrze zaprojektowanym systeNitzschia sp 45-47 mie hodowlanym, umieszczonym w tropikalnej strefie, może wynosić 1535 kg/m3 /d. Przy takim Phaeodactylum tricornutum 20-30 poziomie produktywności, zakładając przeciętSchizochytrium sp. 50-77 ną zawartość oleju na poziomie zaledwie 30% Tetraselmis sueica 15-23 suchej masy, uzyskuje się 123 m3 oleju/ha/rok. Źródło: Luisa Gouveia, Microalgae as a feedstock for bioUwzględniając konieczność rutynowych napraw, fuels. Springer, 2011. konserwacji i czyszczenia instalacji oraz obiektów Dla przykładu, palma oleista (Elaeis guine- hodowlanych na poziomie około 10% czasookresu ensis), jedna z najbardziej produktywnych roślin (czyli 1,2 miesiąca) w roku, wydajność zmniejsza oleistych, osiąga wydajność 5,95 m3 oleju/ha/rok. się do 98,4 m3 /ha. W związku z powyższym, obIlość biodiesla niezbędną dla pokrycia aktualne- szar hodowli glonów, niezbędny do wytworzenia go zapotrzebowania na paliwo dla USA, przy 530 mln m3 biopaliwa rocznie, wyniesie ok. 5,4 obecnym poziomie konsumpcji szacuje się na 530 mln ha, co stanowi zaledwie 3% obszaru gruntów mln m3 /rok. Oleje uzyskiwane z hodowli roślin rolnych w USA. Ten scenariusz jest wykonalny, oleistych, z tłuszczów zwierzęcych i olejów od- nawet jeśli hodowana biomasa będzie zawierać padowych nie są wstanie pokryć takiego zapo- około 15 % oleju w suchej masie. Powoduje to, 7 G. Shelef C. J. Soeder, Algae Biomass. Production and Use. Elsevier/North-Holland Biomedical Press, Amsterdam, The Netherlands, 1980, s. 852. 8 A. Ramos de Ortega, J.C. Roux, Production of Chlorella biomass in different types of flat bioreactors in temperate zones, Biomass 10, 1986, s. 141–156. 23 Algi perspektywicznym źródłem biopaliw o różnej charakterystyce i właściwościach. . . Tabela 3. Efektywność pozyskiwania oleju w zależności od rodzaju rośliny Gatunki roślin Produktywność oleju (l/ha) Obszar niezbędny pod uprawy (mln ha) Procent istniejących gruntów rolnych w USA Kukurydza 172 1540 846 Soja 446 594 326 Canola 1190 223 122 Jatropha 1892 140 77 Palma kokosowa 2689 99 54 Palma oleista 5950 45 24 Glony (zawartość oleju 70% s.m.) 136900 2 1,1 Glony (zawartość oleju 30% s.m.) 58700 4,5 2,5 Źródło: Ayhan Demirbas, Biodiesel: a realistic fuel alternative for diesel engines, Springer 2008. że glony, jak żadne inne źródło gwarantują 100% pokrycia potrzeb paliwowych. Inną ważną zaletą glonów jest fakt, że w przeciwieństwie do innych roślin, rosną one niezwykle szybko i potrafią podwoić swoją masę w ciągu 24 h. W sprzyjających warunkach hodowli, faktyczny czas podwojenia biomasy glonów podczas wykładniczego wzrostu może wynieść zaledwie 3,5 h. Warto jest również porównać potencjał biodiesla, wytwarzanego z glonów, z bioetanolem, wytwarzanym z trzciny cukrowej, ponieważ na równej podstawie energii, bioetanol może zostać wyprodukowany w cenie porównywalnej z benzyną. Bioetanol jest dobrze znanym paliwem, często używanym w transporcie, natomiast trzcina cukrowa jest najbardziej produktywnym jego źródłem. W Brazylii najwyższa produktywność wynosi 7,5 m3 bioetanolu na 1 ha uprawy. Niestety, bioetanol ma tylko 64% wartości energetycznej zawartej w biodieslu. Dlatego ilość bioetanolu, potrzebna do zaspokojenia potrzeb np. USA, wyniosłaby prawie 828 mln m3 /rok. To wymagałoby przeznaczenia pod uprawy trzciny cukrowej w USA podobnego areału, jak w przypadku palmy oleistej, czyli około 61% całości gruntów rolnych. Większość energii, potrzebnej dla hodowania trzciny i przerabiania jej na etanol, jest uzyskiwana ze spalania pozostałości po uprawie. Na każdą część energii, pochodzącą z paliw kopalnych, zużytą do produkcji etanolu, 8 części energii jest odzyskiwanych. Podobny poziom odzysku energii jest możliwy przy produkcji biodiesla z glonów. Jest to spowodowane niższą produktywnością biomasy wynoszącą 75 t/ha, w porównaniu z 158 t/ha dla biomasy glonowej. Dla podobnych poziomów energii w biomasie ogólnej, wyższa produkcja biomasy świadczy o wyższej ilości zgromadzonej energii słonecznej w przeliczeniu na hektar9 . Aby wyprodukować wodór, zaspokajający potrzeby energetyczne niemal całego świata, na uprawy glonowe należałoby przeznaczyć obszar wielkości stanu Teksas. Około 25 000 km kwadratowych upraw byłoby konieczne, aby zaspokoić potrzeby paliwowe w samych Stanach Zjednoczonych. Powierzchnia ta stanowi mniej niż 1/10 obszaru zajmowanego przez uprawy soi. Departament Energii USA określił realną cenę sprzedaży tak wyprodukowanego wodoru na 2,60 $/kg. 1 kg wodoru jest w przybliżeniu ekwiwalentem energii porównywalnym do galonu benzyny. Aby osiągnąć to, wydajność produkcji wodoru musi wynosić około 10%, niestety aktualna wydajność jest na poziomie 1% i cena takiego paliwa wyniosłaby 13,53$/kg. Zgodnie z wyliczeniami ekonomistów, dla stacji tankowania obsługującej 100 samochodów na dzień, zapotrzebowanie na wodór zostało określone na około 300 kg. Przy 9 J. C. Ogbonna, H. Tanaka, Photobioreactor design for photobiological production of hydrogen, [w:] J. Miyake, T. Matsunaga„ A.San Pietro, (Eds.), Biohygrogen II – An Approach to Environmentally Acceptable Technology, Pergamon Press, London 2001, s.. 245–261. 24 Marcin Dębowski, Marcin Zieliński, Mirosław Krzemieniewski aktualnej technologii, system glonowy produkujący 300 kg wodoru na dzień będzie wymagać stawów o powierzchni 110 000 m2 i głębokości 10 cm, przy użyciu hodowli mutanta tla1 i koncentracji komórek 0,2 g/ l. 9. Strategia zintegrowanej produkcji Koncepcja procesu produkcji i wykorzystania biomasy glonowej została przedstawiona na rysunku 1. Cykl ten rozpoczyna produkcja biomasy, która wymaga dostępu światła, dwutlenku węgla, wody i pożywki zawierającej związki nieorganiczne, głownie azotany, fosforany, żelazo i inne mikroelementy. Do hodowli zwykle wykorzystuje się wodę morską, wzbogaconą w handlowo dostępne nawozy azotanowe i fosforanowe. Można również użyć wody słodkiej, pochodzącej z rzek i jezior. Dodawane nawozy nie zwiększają zbytnio kosztów hodowli. Dla wyprodukowania 100 t biomasy glonów na rok, koszty zostały oszacowane na około 3000$/t, jednakże wraz ze zwiększaniem skali produkcji biomasy, koszty znacząco się zmniejszają. W przybliżeniu 50% suchej masy wyprodukowanej biomasy glonowej stanowi węgiel, który powstaje z przekształcenia dwutlenku węgla. Dlatego przyjmuje się, że dla wyprodukowania 100 t biomasy niezbędne jest dostarczenie około 183 t dwutlenku węgla. Gaz ten musi być dostarczany w sposób ciągły, podczas naświetlania hodowli. Produkcja biomasy glonowej może potencjalnie wykorzystywać dwutlenek węgla, który jest wytwarzany w elektrowniach podczas procesu spalania paliw kopalnych i produkcji energii, w związku z czym jest on dostępny praktycznie za darmo. Powstająca zawiesina zawierająca komórki glonów, wodę i niewykorzystane składniki odżywcze, musi zostać dalej przetworzona, tak aby wydzielić z niej wyprodukowaną biomasę. Woda i resztki pożywki, odzyskiwane na tym etapie, mogą zostać zawrócone i powtórnie użyte przy produkcji biomasy. Skoncentrowana biomasa w postaci pasty jest następnie ekstrahowana przy użyciu rozpuszczalnika, by pozyskać olej glonowy, który może zostać następnie przerobiony na biodiesel przy wykorzystaniu obecnie istniejących metod. Rozpuszczalnik wykorzystany do ekstrakcji (np. heksan), może zostać odzyskany i powtórnie użyty. Poekstrakcyjne pozostałości biomasy mogą być następnie wykorzystywane, jako wysokobiałkowe pasze dla zwierząt i źródło innych wysokowartościowych produktów glonowych. Zyski ze sprzedaży takich produktów ubocznych mogłyby wpłynąć na dalsze obniżenie kosztów produkcji biodiesla. Oczekuje się jednak, że znaczna część biomasy, pozostałej po procesie ekstrakcji, zostanie wykorzystana w procesach beztlenowego rozkładu, aby doprowadzić do powstania biogazu. A ten zostanie użyty jako główne źródło energii dla procesów produkcji i przetwarzania biomasy glonowej. Nadmiar energii mógłby zostać wprowadzony do sieci energetycznej, aby dalej polepszać ekonomikę całego procesu. Dodatkowy dochód mógłby także pochodzić ze sprzedaży nawozu i wody do nawadniania, które byłyby produkowane w procesie beztlenowego rozkładu. Zarówno technologia beztlenowego rozkładu biomasy (fermentacji), jak i technologia konwersji biogazu do energii elektrycznej są dobrze poznane i opisane. Dwutlenek węgla, generowany w procesie spalaniem biogazu, może zostać użyty bezpośrednio w procesie produkcji biomasy glonowej. Wartość energetyczna (opałowa) biogazu powstającego w procesie beztlenowego rozkładu wynosi od 16 200 kJ/m3 do 30 600 kJ/m3 i zależna jest głownie od źródła biomasy. Natomiast ilość powstającego biogazu waha się od 0,5 do 0,65 m3 /kg suchej biomasy. Zakładając przeciętne wartości energetyczne biogazu, powstającego z biomasy po usunięciu 30% zawartości oleju, można dostarczyć co najmniej 9360 MJ/t. To daje ilość energii wystarczającą do prowadzenia procesu produkcji biomasy glonowej. Streszczenie Glony mogą być surowcem do produkcji kilku rodzajów biopaliw, począwszy od metanu wytwarzanego w procesach beztlenowego rozkładu biomasy, poprzez biodisel produkowany z oleju glonów, a wreszcie do fotobiologicznej produkcji wodoru. Uzyskana biomasa glonów może być przetwarzane do produkcji bioetanolu i biobutanol. Olej produkowany w różnych procesach może być przetwarzany na paliwo, podczas gdy biogaz może być wykorzystywany do ce- Algi perspektywicznym źródłem biopaliw o różnej charakterystyce i właściwościach. . . 25 Rysunek 1. Koncepcja procesu produkcji i wykorzystania biomasy glonowej. Źródło: opracowanie własne. lów energetycznych. Ponadto biomasa glonowa może być bezpośrednio spalana w celu zapewnienia energii cieplnej lub elektrycznej. Metody produkcji biomasy glonów na dużą skalę oparte są na technologii zbiorników otwartych oraz różnego rodzaju fotobioreaktorów. Biomasa glonów zawiera około 50% węgla w suchej masie. Zapotrzebowanie na dwutlenek węgla wynosi około 183 ton na 100 ton wyprodukowanej biomasy. Temperatura powinna oscylować między 20 a 30°C. Summary Algae may be a source to a few types of renewable biofuels, starting from methane produced in processes of anaerobic decomposition of biomass, through biodiesel produced from algae oil, and finally to pho- tobiological production of hydrogen. Algae may be utilized indirectly for the production of biodiesel, bioethanol and biobutanol. The resultant biomass may further on be processed in a variety of technological pathways. Oil produced in various processes may be processed into fuel, whereas biogas may be exploited for energetic purposes. In addition, the biomass may be directly combusted to provide heat or electricity. Algae biomass contains approximately ca. 50% of carbon in dry matter. The demand for carbon dioxide accounts approximately for 183 tones per 100 tones of biomass produced. The temperature of culture should oscillate between 20 and 30°C. The only feasible methods of large-scale production of algae biomass include production in racetrack type ponds and in tubular photobioreactors (PBRs). Jacek Kieć* Wady i zalety roślin energetycznych Według obowiązującej ustawy do roślin ener- III i IV klasy, nadmiernie wilgotne lecz nie zagetycznych możemy zaliczyć praktycznie więk- bagnione oraz gleby klasy V, pod warunkiem szość roślin uprawnych pod warunkiem, że uzy- stosowania nawadniania i nawożenia np. osadaskany plon główny zostanie zużyty na pozyskanie mi ściekowymi. Roślina ta jest bardzo wrażliwa energii. Czyli wymagane jest podpisanie umo- na brak wody i to w dość długim przedziale wy z odbiorcą lub złożenie oświadczenia o prze- czasowym, bo praktycznie od wiosny do późnego znaczeniu produktów rolnych przez producenta lata. Susza powoduje silny spadek plonu biomasy. na cele energetyczne. Aby uniknąć nieuczciwego Przed sadzeniem należy starannie przygotować postępowania produkty rolne takie, jak ziarno glebę (która powinna być pulchna), a zwłaszcza zbóż, nasiona rzepaku i inne muszą zostać wymie- dokładnie ją odchwaścić. Należy również zadbać szane z określoną ilością oleju napędowego. Prócz o zapewnienie odpowiedniego odczynu (pH od 4,5 tego do tej grupy zaliczamy rośliny uprawiane do 7,5) i zawartości składników pokarmowych specjalnie w celu uzyskania biomasy energetycz- – zwykle powinno się dostarczyć 20 – 30 kg N, nej. Pełny wykaz roślin lub produktów energe- 10 – 20 kg P2 O5 i 30 – 40 kg K2 O. Sadzi się tycznych uzyskanych z roślin został określony tzw. sztobry (jedno- lub dwuletnie odcinki pęw odpowiednich rozporządzeniach1234 . dów o długości 20 – 25 cm i grubości 5 – 15 mm) Agrotechnika podstawowych roślin upraw- w ilości od 20 do 60 tys. na hektar. Ilość ta zależy nych jest powszechnie znana, dlatego też zostanie od sposobu zbioru, im częstszy zbiór tym więkw niniejszym opracowaniu pominięta, omówione sza obsada (zbioru można dokonywać w cyklach zostaną natomiast podstawowe rośliny energe- jedno-, dwu- i trzyletnich). Należy pamiętać aby tyczne. w terminie sadzenia (wczesna wiosna lub późna Rośliny te możemy podzielić na: krzewia- jesień) gleba była dostatecznie wilgotna, wtedy ste, trawiaste (jednoliścienne), dwuliścienne oraz przyjmuje się od 80 do 95% sadzonek. W nadrzewiaste. stępnym roku nawożenie należy zwiększyć dwukrotnie, natomiast w kolejnych latach zmniejszyć o około 10 kg. Sadzenia można dokonywać ręcznie lub przy użyciu specjalistycznych sadzarek. 1. Rośliny krzewiaste: wierzba Przy ręcznym sadzeniu można obsadzić około energetyczna i róża wielokwiatowa 10 a w czasie 10-godzinnego dnia pracy, a przy Wierzba energetyczna (Salix L.) (fot.1). Dla mechanicznym około 1 ha. W jesieni po ustacelów energetycznych nadają się odmiany szybko niu wegetacji należy pędy ściąć na wysokości rosnące. Z 1 ha można uzyskać od 15 – 20 t od 5 do 10 cm, co powoduje zwiększenie ilości suchej masy rocznie, którą zbiera się po ustaniu pędów w następnych latach. Ścięte pędy można wegetacji (opadnięciu liści). Zalecane są gleby: przeznaczyć na materiał rozmnożeniowy, który * 1 2 3 4 prof. dr hab. inż. J. Kieć, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Katedra Agrotechniki i Ekologii Rolniczej, Kraków. Rozporządzenie Rady Europejskiej Nr 1782 z 2003 r. Rozporządzenie Rady Europejskiej Nr 2012 z 2006 r. Rozporządzenie Komisji Europejskiej Nr 1973 z 2004 r. Rozporządzenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z 23.08.2007 (Dz.U.Nr. 164 poz. 1167). 28 Jacek Kieć wystarczy na obsadzenie od 5 do 7 ha. W kolejnych latach zbioru dokonujemy w zależności od przyjętego cyklu. Największy plon uzyskuje się przy zbiorach w cyklu trzyletnim. Średnio można uzyskać 10 – 15 t suchej masy drewna w przeliczeniu na rok z ha. Okres użytkowania plantacji wynosi do 20, a nawet 30 lat. Na większych obszarach do zbioru należy używać specjalistycznego sprzętu, kombajnów wyposażonych w specjalne przyrządy tnące. Kombajn może tylko ścinać i układać na przyczepę długie pędy, które następnie mogą zostać rozdrobnione w gospodarstwie lub od razu rozdrabnia i podaje taką masę na przyczepy objętościowe. Wierzbę można uprawiać również w tzw. systemie Eko-Salix, w którym sadzi się nie zrzezy, a długie pędy (żywokoły) w niezaoraną glebę w ilości od 4 do 7 tys. sadzonek na ha. Tak można ją uprawiać na glebach wadliwych, okresowo podmokłych lub na ekstensywnych użytkach zielonych. Zbiera się co trzy lata uzyskując plon około 11 t s.m./ha5 . Uprawa wierzby narażona jest na szereg chorób: rdza liściowa, parch wierzby i antraknozę oraz szkodników: jętrewka wiklinówka, naliściak pączkojad, mszyca wierzbowa, rynnica wierzbowa, niekreślanka wierzbowa, naroślarz wiklinowiec, pryszczak liściowiec, płożek wierzbowy, larwa krytoryjka. Groźne są również pędraki atakujące system korzeniowy. W zwalczaniu tych patogenów, jak również przy stosowaniu herbicydów, producent musi kierować się własnym wyczuciem, gdyż jak do tej pory nie ma zarejestrowanych środków ochrony roślin do stosowania w uprawach roślin energetycznych (za wyjątkiem fungicydów)6 . 2. Róża wielokwiatowa – bezkolcowa odmiany Jatar (Rosa multiphlora) (fot.2) Roślina ta wytwarza bardzo głęboki system korzeniowy, dzięki czemu jest odporna na suszę. W związku z powyższym można ją upra5 wiać na glebach słabszych nawet V i VI klasy, przy czym jest rzeczą oczywistą, że plonowanie na glebach lepszych będzie wyższe. Rozmnaża się ją podobnie jak wierzbę w sposób wegetatywny, sadząc sadzonki w rozstawie 1x1 m na glebach lepszych i 0,5x1 m na słabszych. Ważne jest aby przed posadzeniem dobrze odchwaścić glebę i w pierwszym roku nie dopuścić do nadmiernego zachwaszczenia, w latach następnych roślina sama daje sobie dobrze radę z chwastami. Róża jako gatunek rodzimy (występuje w stanie naturalnym na terenie Polski) jest niewrażliwa na choroby i szkodniki, a więc odpada problem ochrony chemicznej. Zbiera się ją co roku, kosząc na wysokości 10 – 15 cm. Ponieważ pędy są stosunkowo miękkie, nie wymaga specjalistycznego sprzętu do zbioru. W naszych doświadczeniach, uprawiana od czterech lat na glebie klasy IVb, ubogiej w składniki pokarmowe, dawała plony ponad 6 t s.m., przy czym należy zaznaczyć, że nie zastosowano żadnego nawożenia ani przed siewem, ani w ciągu całego okresu uprawy. Nie stosowano również żadnych środków ochrony roślin. Przyjmuje się, że gatunek ten przy prawidłowej agrotechnice (dobrze reaguje na nawożenie osadami lub organiczne) powinien plonować w granicach od 10 do 15 t s.m. Należy jednakże pamiętać, że jest ona chętnie zjadana przez dziką zwierzynę, a więc tam, gdzie występują sarny, zające itp., mogą pojawić się duże straty7 . W związku z powyższym róża może mieć również zastosowanie jako roślina chroniąca pola uprawne przed szkodami wyrządzanymi przez zwierzynę. Prócz tego wpływa korzystnie na glebę i mikroklimat, powodując lepsze plonowanie roślin sąsiadujących z nią i dlatego można ją uprawiać pasowo, na zmianę z innymi gatunkami. Wadą biomasy uzyskanej z roślin krzewiastych jest jej wysoka wilgotność w momencie zbioru – około 50%. Powoduje to konieczność jej dosuszania przed użyciem lub przed dłuższym przechowywaniem. S. Szczukowski., J. Tworkowski., M.J. Stolarski, Nowatorska próba uprawy wierzby w systemie Eko-Salix, [w:] „Czysta Energia” 2010, nr 9, s. 34-35. 6 S. Szczukowski., J. Tworkowski., M.J. Stolarski, Wierzba energetyczna, Plantpress Kraków; s. 46. 7 http://rozawielokwiatowa.webpark.pl/ 29 Wady i zalety roślin energetycznych 3. Rośliny zielne 3.1. Rośliny trawiaste: miskant olbrzymi, spartina preriowa, palczatka Gerarda 3.1.1. Miskant olbrzymi (Miscanthus sinensis giganteus) (fot.3) Jest rośliną o typie fotosyntezy C-4. W naszych warunkach rozmnaża się tylko wegetatywnie, z karp. Przed posadzeniem, jesienią należy glebę głęboko spulchnić i nawieźć, najlepiej wprowadzając materię organiczną. Wiosną glebę ponownie spulchnić, odchwaścić i w kwietniu lub maju przystąpić do sadzenia na głębokość 15 – 20 cm. Po posadzeniu dobrze jest sadzonki zalać wodą. Miskant może być uprawiany praktycznie na każdej glebie (nawet V i VI klasy), ale wyższe plony uzyskuje się na glebach lepszych. Maksymalny plon wynosi 30 t s.m., ale średnio można przyjąć 10 – 15 t. Sadzi się w rzędach o rozstawie 1 m i 0,5 m w rzędzie (najlepiej, gdy 1 roślina przypada na 1 m2 ). Nawożenie powinno wynosić 60 – 90kg/ha N, 30 – 40 kg/ha P2 O5 , 120 – 150 kg/ha K2 O i 20 – 25 kg/ha MgO wiosną lub jesienią. W jesieni można zastosować gnojowicę w ilości 30m3 /ha zamiast nawożenia mineralnego. W pierwszym roku po posadzeniu miskant jest wrażliwy na ujemne temperatury i zachwaszczenie, natomiast w następnych już nie. Jest odporny na patogeny, nie wymaga więc ochrony chemicznej. Zbioru dokonuje się w okresie zimowym, najlepiej gdy gleba jest zamarznięta, wtedy karpy nie są uszkadzane przez maszyny. Do zbioru można używać tych samych maszyn, co do zbioru zielonki (kosiarki, orkany, silosokombajny, prasy zbierające). 3.1.2. Spartina preriowa (Spartina pectinata) (fot. 4) Można ją uprawiać na glebach nawet V i VI klasy. W naszych warunkach klimatycznych zaleca się rozmnażanie wegetatywnie. Przed sadzeniem należy dokładnie odchwaścić pole. Sadzi się w rozstawie rzędów 1,8 – 3,0 m, przy zachowaniu odstępów w rzędzie 50 do 75 cm. Od drugiego roku uprawy wymaga nawożenia w wysokości 60 – 110 kg N/ha, 50 kg K2 O i 100 kg P2 O5 . Podobnie jak miskant, nie wymaga specjalistycznego sprzętu do zbioru, którego dokonujemy po ustaniu wegetacji. Długość eksploatacji plantacji wynosi około 15 lat, a średni plon suchej masy wynosi od 17 do 29 t/ha/rok. W chwili obecnej uprawa tego gatunku nie jest zbyt rozpowszechniona w Polsce i z tego względu można napotkać trudności z zakupem materiału rozmnożeniowego. 3.1.3. Palczatka Gerarda (Andropogon gerardi Vitm) Nie ma specjalnych wymagań odnośnie gleby, jedynym warunkiem jest dostateczna ilość wody. Rozmnaża się ją z nasion. Ze względu na to, że jest to roślina ciepłolubna, siewu dokonujemy w maju w ilości 3,4 – 4,6 kg/ha (mniej na suchych stanowiskach) przy rozstawie rzędów 60 do 110 cm (większa na stanowiskach suchych). Przed siewem oraz w pierwszych dwóch latach użytkowania pole powinno być starannie odchwaszczane. Przed siewem nie wymaga nawożenia, natomiast w latach następnych dobrze reaguje na zastosowanie w maju 70 – 110 kg N/ha oraz P i K w ilościach dostosowanych do zasobności gleby (wg wyników analizy chemicznej). Zbioru dokonujemy po ustaniu wegetacji przy użyciu tradycyjnych maszyn do zbioru zielonek. Plon zależy od poziomu nawożenia. Na glebach ubogich w składniki pokarmowe i przy braku nawożenia, wynosi około 6 t s.m., ale na stanowiskach dobrych, nawożonych dochodzi do 25 t/ha8 . Jest to wieloletnia trawa dorastająca do wysokości 2 m, o małych wymaganiach glebowych. 8 G. Majtkowska, W. Majtkowski, Trawy źródłem energii„ Agro Serwis, wrzesień 2005, s. 94-97. 30 Jacek Kieć 3.2. Rośliny dwuliścienne: ślazowiec pensylwański, słonecznik bulwiasty (topinambur), rdest sachaliński 3.2.1. Ślazowiec pensylwański (Sida hermaphrodita) (fot. 5) wać od drugiego roku w okresie, gdy tworzą się pąki kwiatowe i następuje początek kwitnienia (najczęściej następuje to w maju, a drugi pokos w lipcu – sierpniu). Przy tym sposobie użytkowania nawożenie powinno wynosić: 80 – 100 kg P2 O5 , około 150 kg K2 O, natomiast azotu nawet do 250 kg (tutaj jednak należy się zastanowić nad opłacalnością stosowania tak wysokich dawek). Formę łodygową uprawia się na nasiona i na pozyskanie biomasy do spalania. Termin zbioru przypada na okres od września aż do grudnia (nie zachodzi ryzyko osypywania się nasion). Największy plon łodyg uzyskuje się przy zastosowaniu 90 – 120 kg P2 O5 , 50 – 100 kg K2 O i 100 – 150 kg azotu. Oprócz powyższych zalet należy wspomnieć, że jest on rośliną miododajną9 . Jest to roślina dorastająca do wysokości 3 m i tworząca w pierwszym roku jedną łodygę o średnicy od 5 do 30 mm. Ilość łodyg rośnie, by osiągnąć w czwartym i następnych latach wartość od 20 do 30 sztuk. Ślazowiec udaje się na wszystkich typach gleb pod warunkiem ich dostatecznego uwilgotnienia. W początkowym okresie wzrostu jest bardzo wrażliwy na zachwaszczenie, w następnych latach, ze względu na produkcję dużej ilości biomasy, już nie. Można go rozmnażać generatywnie lub wegetatywnie. Najczęściej stosuje się ten pierwszy sposób. Ze wzglę- 3.2.2. Słonecznik bulwiasty (Helianthus du na trudność uzyskania w warunkach gospotuberosus) (fot. 6) darczych nasion o dużej sile kiełkowania, najlepiej korzystać z uszlachetnionych, pochodzących Roślina o wymaganiach zbliżonych do ziemz wyspecjalizowanych gospodarstw nasiennych. niaka, nie znosi gleb kwaśnych i podmokłych. Wysiewa się w kwietniu w ilości 3 – 8 kg/ha Najbardziej odpowiednie są gleby średnie, przena głębokość 1 – 1,5 cm. Przy rozmnażaniu we- wiewne o dużej zasobności i niezbyt suche. W nagetatywnym do sadzenia używamy najczęściej szych warunkach rozmnaża się wyłącznie wegetaodcinków korzeni. Z dobrze rozwiniętej rośliny tywnie. Podobnie jak przy uprawie innych roślin można uzyskać 20 – 30 sadzonek o długości okopowych, przed sadzeniem gleba powinna być około 8 – 10 cm, które sadzimy na głębokość głęboko spulchniona. Do sadzenia można używać 5 – 8 cm. Sadzonki należy przygotować przed sadzarek do ziemniaków. Sadzić można w jesieni wiosennym ruszeniem wegetacji, gdyż później (termin korzystniejszy) na głębokość 10 – 15 cm bardzo łatwo obłamują się pączki. Ślazowiec lub wiosną (marzec, kwiecień) na głębokość 5 – może być uprawiany z przeznaczeniem na pa- 10 cm. Rozstawa rzędów powinna wynosić 0,7 – szę, biomasę do produkcji biogazu, nasiona lub 1,0 m, a odstępy w rzędzie 50 – 60 cm (co daje do spalania. W zależności od celu uprawy sto- około 1,5 t sadzeniaków na ha). Nawożenie: N suje się różne dawki nawozów. Istnieją dwie for- – 80 – 120 kg/ha, P2 O5 – 60 – 80 kg/ha i K2 O my tej rośliny: liściasta i łodygowa. Formę li- – 120 – 160 kg/ha, ze względów ekonomicznych ściastą uprawia się na paszę i na biogaz. Ślazo- nie zaleca się stosowania obornika. Słonecznik wiec jako roślina pastewna jest porównywalna bulwiasty może być uprawiany z przeznaczeniem z roślinami motylkowymi, gdyż zawiera około na: paszę (bulwy), paliwo (zaschnięte łodygi), 20% białka, a zawartość ta jest nawet wyższa surowiec energetyczny (do produkcji biogazu lub (30%) w okresie zawiązywania pąków kwiato- biopaliw płynnych – etanolu). Plon suchej masy wych (połowa maja). Zbiera się dwa lub nawet łodyg wynosi 10 – 16 t, a świeżej masy do 200 trzy razy w roku, przy czym należy pamiętać, t, natomiast bulw do 50 t. Topinambur, przy że zbyt intensywna eksploatacja plantacji skró- jednokrotnym nasadzeniu, może być użytkowany ci jej żywotność. Zbioru powinno się dokony- przez okres 3 – 4 lat10 . 9 10 http://www.biomax.com.pl/slazowiec_pensylwanski.php J. Kieć. Odnawialne źródła energii, Wyd. AR, Kraków 2007, s. 97. 31 Wady i zalety roślin energetycznych 3.2.3. Rdest sachaliński (Polygonum sachalinese) (fot. 7) Daje duże przyrosty masy o niskiej wilgotności (około 15%). Może być użytkowany przez 15 lat, ale ponieważ jest to gatunek zaliczony do bardzo inwazyjnych, nie powinien być wprowadzany do uprawy na terenie Polski. 4. Rośliny nowe – nie wprowadzone jeszcze do uprawy w naszym kraju 4.1. Szczaw energetyczny Rumex OK. 2 (szczaw „Uteuš”) To jedna z roślin energetycznych wyhodowanych na Ukrainie. Szczaw ten plonuje bardzo dobrze (około 15 t s.m./ha). Rozmnaża się go z nasion, ale właściwie tylko w pierwszym roku, gdyż później rozsiewa się sam. Odchwaszczania wymaga tylko w pierwszym roku, w następnych już nie. W chwili obecnej nie ma go w uprawie w naszym kraju, ale może warto zainteresować się tą rośliną11 . 4.2. Perz wydłużony (Agropyron elongatum (Host) P. Beauv.) Jest to roślina, nad którą pracują hodowcy i bardzo możliwe, że wkrótce dołączy do wyżej wymienionych. Oprócz przedstawionych tutaj traw istnieją również inne, ale w chwili obecnej mniej znane. Na zakończenie omawiania roślin jednoliściennych (trawiastych) należy stwierdzić, że dokonujemy zbioru biomasy o stosunkowo niskiej wilgotności (około 25%), która nawet bez dosuszania nadaje się do wykorzystania na cele energetyczne. Biomasę z tych roślin można spalać w formie sieczki, bel, peletów, brykietów czy wykorzystać do produkcji biogazu. 4.3. Trzcina (Phalaris arundinacea) Trwała roślina charakterystyczna dla klimatu umiarkowanego – uprawiana głównie w Finlandii. Osiąga wysokość od 60 do 200 cm i ma liście nieowłosione o długości 10 – 35 cm i szerokości 6 – 18 cm. Może być rozmnażana na drodze wegetatywnej jak i generatywnej. W stanie naturalnym występuje najczęściej wzdłuż cieków wodnych. Najlepiej plonuje na glebach zasobnych w składniki pokarmowe oraz dostatecznie wilgotnych. Wysokość plonu to 6 – 8 t s.m i co ważne, w czasie zbioru zawiera tylko 10 – 15% wilgoci. 4.4. Trzcina olbrzymia (Arundo donax L.) Roślina charakterystyczna dla klimatu cieplejszego (śródziemnomorski), ale niektóre genotypy adaptują się do warunków klimatu umiarkowanego. Jest to gatunek wysoko plonujący, bo do 30 t s.m. Rośliny osiągają do 5 m wysokości i do 3,5 cm grubości. Rozmnaża się wegetatywnie z odcinków kłączy, chociaż można również używać do tego odcinków łodyg. Do zbioru można wykorzystać maszyny służące do zbierania kukurydzy. 4.5. Konopie (Cannabis sativa) Jest to roślina o dużej zawartości celulozy i ligniny w łodygach oraz tłuszczu i białka w nasionach. Rośliny mogą osiągać do 4 m wysokości i na cele energetyczne zbiera się je w całości. Plon waha się od 6 do 17 t s.m. Problem stanowi zakaz uprawy tej rośliny w wielu krajach UE ze względu na możliwość wykorzystania jej jako środka odurzającego12 . 5. Rośliny drzewiaste: robinia, topola 5.1. Robinia (Robinia pseudoakacia) Najlepiej udaje się na niezbyt ciężkich i przewiewnych glebach. Jest odporna na suszę i niskie temperatury. Można ją rozmnażać generatywnie 11 12 Rośliny jako przyszłe źródła energii?, [w:] „21. Wiek Extra”, marzec 2010, s. 80-81. New dedicated energy crops for solid biofuels, Sixth Framework Programme, 2007, s. 1-16. 32 Jacek Kieć lub wegetatywnie z odcinków korzeni albo zielonych pędów. Siew lub sadzenie w kwietniu. Ścina się w cyklu 3-, 4-letnim, otrzymując plon w wysokości 5 – 10 t s.m. przy obsadzie 10 000 drzew/ha. Ze względu na kolce zbiór ręczny jest utrudniony i również z tego względu najlepiej od razu na miejscu ścinki rozdrabniać masę drzewną na zrębki. Ponieważ drewno jest twarde, wymaga mocniejszych maszyn. 5.2. Topola (Populus ssp.) Wymaga gleb raczej głębokich i zasobnych, chociaż może być uprawiana na różnych glebach za wyjątkiem bardzo płytkich oraz podmokłych. Przed sadzeniem pole należy spulchnić i odchwaścić. Nawożenie jest zbędne. Topola rozmnaża się w sposób wegetatywny z sadzonek, które należy wysadzać wiosną, tak wcześnie jak tylko jest to możliwe, ale po ustąpieniu mrozów. Sadzi się 10 – 12 tys. sadzonek/ha, ręcznie lub przy wykorzystaniu sadzarki do wierzby (czasami zatyka się ze względu na grubsze pędy) lub zaadaptowaną sadzarką do kapusty. Zbioru można dokonywać w różnych cyklach, od 3- do 7-letnich. Jeśli zbiera się częściej (co 3 – 4 lata) do zbioru można użyć tych samych maszyn co do zbioru wierzby, natomiast przy użytkowaniu w cyklu co 5 – 7 lat, wymagane są cięższe maszyny typowe dla gospodarki leśnej. Plon do 22 t s.m./ha/rok13 . 13 Podsumowując można stwierdzić, że producenci biomasy na cele energetyczne mają stosunkowo duży wybór roślin. Przed założeniem, zwłaszcza dużych plantacji, należy się jednak dobrze zastanowić, która z nich w danych warunkach zapewni wysoki poziom plonowania, a przy tym nie będzie sprawiać producentowi kłopotów ze względu na brak np. odpowiedniego sprzętu. Decydującym powinien być tutaj również fakt znalezienia zbytu na wyprodukowaną biomasę. Oczywiście, gdy chodzi o produkcję na małą skalę można sobie poradzić tzw. sposobem chałupniczym – używając lekkich ręcznych narzędzi. Streszczenie W niniejszej pracy przedstawiono charakterystykę najważniejszych roślin energetycznych wraz z krótkim omówieniem ich agrotechniki: przygotowania gleby pod siew lub sadzenie, wymagań nawozowych, techniki siewu lub sadzenia, ochrony przed patogenami, techniki zbioru i sposobu użytkowania. Summary In this paper were shown characteristics of main energetic plants and technique of those production: soil management, fertilizer requirements, sowing or planting technology, chemical protection, harvesting technology and way of use of obtained biomass. S. Zabielski, Plantacyjna uprawa drzew i krzewów szybko rosnących, Wyd. AR, Poznań 1998. Wady i zalety roślin energetycznych Zdj. 1. Wierzba energetyczna (fot. J. Kieć) 33 34 Jacek Kieć Zdj. 2. Róża wielokwiatowa (fot. J. Kieć) Zdj. 3. Miskantus (for. J. Kieć) Wady i zalety roślin energetycznych Zdj. 4. Spartina preriowa (fot. J. Kieć ) Zdj. 5. Ślazowiec pensylwański (fot. J. Kieć) 35 36 Jacek Kieć Zdj. 6. Słonecznik bulwiasty – topinambur (fot. J. Kieć) Zdj. 7. Rdest sachaliński (fot. J. Kieć) Józef Szlachta* Przydatność substratów pochodzenia rolniczego do pozyskiwania biogazu 1. Wstęp Procesy fermentacji biomasy w biogazowniach mają przed sobą dużą przyszłość, bowiem pozwalają na ograniczenie emisji metanu podczas niekontrolowanych procesów biochemicznych, towarzyszących składowaniu produktów i odpadów rolniczych, jak gnojowica, obornik czy inne odpady produkcji rolniczej (Szlachta 2008). Biogazownie rolnicze, oparte na procesie fermentacji metanowej, wdrażane na szeroką skalę na całym świecie, znalazły zastosowanie jako instalacje do biologicznej utylizacji odpadów organicznych, z wykorzystaniem biomasy pochodzącej z celowych plantacji roślin energetycznych (Fischer & Krieg 2002). System produkcji biogazu „NaWaRo” (Nachwachsende Rohstoffe) stosowany w Niemczech, wykorzystuje głównie kiszonki z roślin (kukurydzy, traw, buraków i innych odpadów przemysłowych), natomiast inne substraty (gnojowica, ziarno zbóż czy odpady) wykorzystywane są w zależności od konkretnych uwarunkowań gospodarstwa (Fischer 2005). Tego typu biogazownia posiada rozbudowaną komorę fermentacyjną, składającą się z komory fermentacyjnej i pofermentacyjnej oraz modułu kogeneracyjnego. W technologiach mieszanych stosuje się mieszaninę o składzie: gnojowica – około 30%, kiszonka z kukurydzy (o zawartości 30% s.m) około 70%. Przewidywany czas rozkładu w fermentatorze około 56 dni. Technologię NaWaRo cechuje wysoka efektywność ekonomiczna i energetyczna pozyskiwania biogazu jako biopaliwo, w porównaniu do innych paliw. Wynika to przede wszystkim z taniej technologii produkcji, niskich nakładów energetycznych oraz z faktu wykorzystania naturalnego procesu wytwarzania metanu z dużym udziałem odpadów. W ostatnich latach także Polsce zauważa się duże zainteresowanie produkcją biogazu z pozostałości, odpadów i produktów pochodzenia rolniczego, jednak brak bliższych informacji odnośnie przydatności i opłacalności pozyskiwania biogazu z wykorzystaniem kiszonki z kukurydzy (Szlachta 2008). Ostatnie doświadczenia niemieckie wskazują jednak na niepokojący wzrost ceny kiszonki z kukurydzy, co w wielu przypadkach staje się poważnym zagrożeniem dla eksploatacji biogazowi nastawionych głównie na jej stosowanie. 2. Cel pracy Celem pracy było dokonanie oceny przydatności odchodów z produkcji zwierzęcej oraz wybranych substratów rolniczych do pozyskiwania biogazu w biogazowniach rolniczych. Szczególną uwagę zwrócono na przydatność technologiczną substratów odpadowych i niskokosztowych w aspekcie wydajności energetyczne w procesie fermentacji metanowej. 3. Odchody zwierzęce jako substraty do produkcji biogazu Do substratów szczególnie nadających się do zastosowania w biogazowniach rolniczych należą takie materiały, jak nawozy naturalne prof. zw. dr hab. J. Szlachta, Instytut Inżynierii Rolniczej, Wydział Przyrodniczo-Technologiczny, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu. * 38 Józef Szlachta (na przykład gnojowica, obornik), odpady z pro- dza, z której przede wszystkim sporządzana jest dukcji rolnej (na przykład odpady zbożowe, odpa- kiszonka na cele żywieniowe dla bydła. Kukudy z pasz), celowo hodowane rośliny energetycz- rydza, ze względu na dużą wydajność kiszonki ne (na przykład kukurydza, pszenżyto, pszenica, z 1 ha oraz znakomitą przydatność do fermenjęczmień, rzepak, lucerna, trawa sudańska, burak tacji metanowej, jest szczególnie cenną rośliną pastewny, burak cukrowy, ziemniak). W obszarze energetyczną – także jako substrat do produkcji zainteresowań są szczególnie substraty o wysokim biogazu. Produkcja biogazu na bazie samej gnojopotencjale energetycznym, charakteryzujące się wicy bydlęcej czy świńskiej jest mało efektywna, dużą zawartością masy organicznej oraz tanie ponieważ surowce te ubogie są w związki, które do pozyskania (Kujawski 2007). Ze względu podczas fermentacji ulegają przemianie na biogaz na zróżnicowaną wydajność biogazu oraz dyna- (gnojowica zawiera 4 – 8% suchej masy). mikę procesu fermentacji, a także ze względu Kiszonka z kukurydzy jest stabilnym subna jakość uzyskanego z nich biogazu, zawartość stratem, zapewniającym wytwarzanie biogazu substancji hamujących i toksycznych oraz reakcje na stałym poziomie (jest to ważne dla zapewniezachodzące pomiędzy poszczególnymi materiała- nia ustabilizowanego poziomu produkcji biogazu mi wsadowymi, dobranie odpowiednich rodzajów w komorach fermentacyjnych). Z 1 kg suchej i proporcji substratów do fermentacji nie jest ła- masy uzyskuje się od 622,6 do 706,1 lN biogazu, twym zadaniem. Doświadczenia uzyskane w bio- zaś z 1 t świeżej masy najwięcej biogazu uzyskuje gazowniach niemieckich wskazują, że ilości od- się z kiszonki kukurydzy (Tab.4). chodów pozyskiwane przy chowie krów stanowią Z 1 t kiszonki z kukurydzy o zawartości suolbrzymi potencjał biomasy, nadającej się do wy- chej masy 30 – 40% można więc wyprodukować korzystania w instalacjach biogazowych (Tab.1). 170 – 220 m3 biogazu o zawartości metanu 50 – Poszczególne materiały różnią się jednak 55%. Z 1 m3 kiszonki z kukurydzy, przy wysoznacznie, jeśli chodzi o szybkość ich rozkładu ko sprawnej biogazowni uzyskać można 13 kWh oraz wydajność produkcji metanu. Szczególnie prądu elektrycznego w ciągu godziny, co daje odpowiedni skład mają odpady pochodzące z pro- 312 kWh w ciągu doby (Podkówka 2007). Dla dukcji zwierzęcej takie, jak: gnojowica, obornik zapewnienia wysokiej efektywności, biogazownia czy pomiot z hodowli drobiu. Mniej przydatne rolnicza powinna pracować przez cały rok, co są odpady o dużej zawartości ligniny. Do roz- wymaga zabezpieczenia odpowiedniej ilości bioprzestrzeniania się bakterii fermentacyjnych nie masy. W związku z tym zachodzi konieczność jest w zasadzie niezbędna woda. W pierwszej zmagazynowania znacznych ilości biomasy w pofazie fermentacji – hydrolizy – stałe odpady są staci kiszonki, którą sukcesywnie będzie można upłynniane, gdzie wsad do fermentacji jest trans- wykorzystać w okresie zimowym i wczesnowiosenportowany za pomocą pomp i rurociągów lub nym. W tym przypadku dobre efekty w produkcji mieszany, a sucha pozostałość (SP) nie może biogazu uzyskuje się z mieszaniny składającej się przekroczyć 12%. Obornik, czy też inne odpa- z gnojowicy i kiszonki z kukurydzy. Z mieszaniny dy o konsystencji stałej mogą mieć oczywiście zawierającej 2,07 t kiszonki z kukurydzy oraz mniejsze uwilgotnienie, lecz wymagają stosowa- 5,2 m3 gnojowicy uzyskać można 548 m3 biogazu nia odpowiednich technologii. o zawartości 54% metanu. Optymalny stosunek gnojowicy do kiszonki z kukurydzy wynosi 2:1, czyli 2 m3 gnojowicy do 1 t kiszonki (Podkówka 4. Substraty roślinne wykorzystywane 2007). do produkcji biogazu 4.1. Kiszonka z kukurydzy Wśród roślin wykorzystywanych do produkcji biogazu zdecydowanie wyróżnia się kukury- 4.2. Kiszonka z żyta Zwłaszcza stare odmiany żyta są przydatną rośliną, uprawianą na potrzeby produkcji biogazu, ze względu na wysoki plon biomasy. Ponadto 39 Przydatność substratów pochodzenia rolniczego do pozyskiwania biogazu Tabela 1. Zawartość składników w nawozach naturalnych Podłoże s.m. [%] s.m.o. [% s.m.] N [% s.m.] NH4 [% s.m.] P2 O5 [% s.m.] K2 O [% s.m.] Mg [% s.m.] Gnojowica bydła 8 – 11 75 – 82 2,6 – 6,7 1–4 0,5 – 3,3 5,5 – 10 0,3 – 0,7 Gnojowica świń Około 7 75 – 86 6 – 18 3 – 17 2 – 10 3 – 7,5 0,6 – 1,5 Obornik bydła Około 25 68 – 76 1,1 – 3,4 0,22 – 2 1 – 1,5 2–5 1,3 Obornik świń 20 – 25 75 – 80 2,6 – 5,2 0,9 – 1,8 2,3 – 2,8 2,5 – 3 b.d. Obornik kurzy Około 32 63 – 80 5,4 0,39 b.d. b.d. b.d. Źródło: Praca zbiorowa 2005. Tabela 2. Zawartości metali ciężkich w nawozach naturalnych Podłoże Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn [mg / kg s.m.] Gnojowica bydła 0,3 7,3 44,5 0,06 5,9 7,7 270 Gnojowica świń 0,4 9,4 309 0,02 10,3 6,2 858 Obornik bydła 0,29 12,9 39,0 0,03 5,2 30,0 190 Obornik świń 0,33 10,3 450 0,04 9,5 5,1 1068 Obornik kurzy 0,25 4,4 52,6 0,02 8,1 7,2 336 Źródło: Praca zbiorowa 2005. Tabela 3. Orientacyjna zawartość suchej pozostałości (SP) i suchej pozostałości organicznej w odpadach produkcji rolnej, używanych do fermentacji metanowej Rodzaj odpadów Procent zawartości w świeżej masie SP SPO Odchody bydła 11 9 Gnojowica bydlęca 6,5 – 10,5 4,8 – 8,0 Odchody trzody 8,5 6,5 Gnojowica trzody 1,8 – 8,0 1,4 – 5,8 Odchody drobiu 22 17 Obornik 20 18 Źródło: Steppa 1992. Tabela 4. Produkcja biogazu Wyszczególnienie Korzenie ków bura- Zielonka z kuku- Odpady z kapurydzy sty Zawartość suchej masy (%) 16,3 37,4 12,5 Sucha masa organiczna (%) 91,1 95,6 93,1 643,5 622,6 706,1 Wydajność biogazu ze świeżej masy m /t 95,5 222,7 83,7 Zawartość metanu w biogazie (%) 51,0 52,2 55,2 412,7 146,7 Wydajność biogazu z suchej masy organicznej (lN /kg) 3 Produkcja energii elektrycznej z 1tony świeżej masy (kWh) 173,0 Źródło: Podkówka 2006. 40 Józef Szlachta Tabela 5. Produkcja biogazu z kiszonki kukurydzy Wydajność Sucha masa Substancja organicz- Wydajność biogazu na w suchej masie Zawartość w biogazie [t/ha] [%] [%] [m3 /ha] [%] 50,0 33,0 95,0 9405 52,2 metanu Źródło: Podkówka 2007. żyto posiada niskie wymagania co do jakości gleby i klimatu i z tego powodu może być uprawiane na cele energetyczne także na obszarach z mniej żyznymi glebami. Ponieważ żyto można zbierać tylko jeden raz w roku, zakiszanie jest szczególnie uzasadnione, ponieważ umożliwia utrzymanie przez cały rok podłoża o takich samych właściwościach. Szczególnie cennym substratem jest kiszonka z żyta jako poplonu ozimego. Ponadto szacuje się, że koszty produkcji kiszonki z całych roślin żyta są o około 100 euro niższe niż koszty produkcji kiszonki z kukurydzy. 4.3. Kiszonka z trawy W zależności od warunków atmosferycznych i klimatycznych, rocznie można uzyskać od trzech do pięciu koszeń łąk. Ilość kiszonki trawy, która pozostaje ostatecznie do wykorzystania w instalacjach biogazowych, zależy od wielu czynników takich, jak: — jakość gleby, — warunki klimatyczne, — rodzaj i gatunek roślin, — stopień dojrzałości w chwili koszenia oraz — rodzaj konserwacji i składowania. Kiszonka z trawy stanowi główny składnik paszy w żywieniu bydła, co sprawia, że wykorzystanie jej jako surowca do instalacji biogazowych, podobnie jak w przypadku kiszonki z kukurydzy czy żyta, może stanowić konkurencję wobec bazy paszowej dla zwierząt. Na cele energetyczne należy wykorzystać przede wszystkim biomasę trawy z trawników miejskich, wykaszania łąk dotychczas nieskoszonych, często odłogowanych. O przydatności kiszonki z żyta, trawy i kukurydzy świadczy przede wszystkim fakt, że ten rodzaj biomasy posiada niewielką ilość zanieczyszczeń mineralnych, stanowiących zagrożenie dla eksploatacji komór fermentacyjnych. Jak już stwierdzono, kiszonka z kukurydzy jest stabilnym substratem, zapewniającym wytwarzanie biogazu na stałym poziomie (jest to ważne przy sporządzaniu wsadu do komory fermentacyjnej, składającego się z gnojowicy i kiszonki) (Podkówka 2006). Wyniki badań nad wykorzystaniem kiszonki z całych roślin kukurydzy, CCM i ziarna pszenicy do produkcji biogazu oraz wytwarzania energii elektrycznej wskazują, że w 2006 r. przy cenie sprzedaży energii elektrycznej produkowanej z biogazu 0,17 euro/kWh uzyskano najwyższą wartość sprzedanej energii elektrycznej w przypadku stosowania kiszonki z kukurydzy (Tab. 9.). Koszty pozyskiwania biomasy do biogazowni oraz koszty zagospodarowania odpadu pofermentacyjnego przedstawiono w tabeli 10. Analizowano opłacalność zastosowania kiszonki z kukurydzy w porównaniu do CCM i ziarna pszenicy. Z danych wynika, że najwyższą nominalną wartość energii elektrycznej z jednostki powierzchni uzyskuje się z uprawy kukurydzy z przeznaczeniem na kiszonkę z całych roślin, zaś najniższą z pszenicy. Najwyższy koszt wytwarzania energii elektrycznej występuje w przypadku CCM, z powodu wysokich kosztów przetwarzania. Analiza danych zawartych w tabeli 11 wskazuje na znaczny wzrost kosztów zbioru i transportu kukurydzy na kiszonkę przy wzroście odległości między polem a biogazownią z 10 km do 20 km. Przy wzroście odległości z 5 km do 10 km koszty transportu kiszonki kukurydzy rosną z 229,5 euro do 308 euro, a przy wzroście odległości z 10 km do 20 km – do 498 euro, a więc o 190 euro. W przypadku pszenicy wzrost między polem a podwórzem z 10 km do 20 km powoduje wzrost kosztów transportu tylko o 33,7 euro/ha. Wynika z tego, że ze względu na wyższą koncentrację energii i mniejszą masę, transportowanie pszeni- 41 Przydatność substratów pochodzenia rolniczego do pozyskiwania biogazu Tabela 6. Właściwości kiszonki żyta z całych roślin Roślna s.m. s.m.o. [%] N NH4 [% s.m.] Żyto GPS 30 – 35 92 – 98 P Uzysk biogazu 3 [% s.m.] 4,0 0,57 Zawartość CH4 3 [m /t ś.m.] [m /t s.m.o] 0,71 170 – 220 [%obj.] 550 – 680 Około 55 Źródło: Praca zbiorowa 2005. Tabela 7. Właściwości kiszonki trawy Podłoże Kiszonka trawy s.m. s.m.o. [%] [% s.m.] 25 – 50 70 – 95 N NH4 P2 O5 Uzysk biogazu 3 [% s.m.] 3,5 – 6,9 6,9 – 19,8 0,4 –0,8 Zawartość CH4 3 [m /t ś.m.] [m /t s.m.o] [%obj.] 170 – 200 54 – 55 550 – 620 Źródło: Praca zbiorowa 2005. Tabela 8. Produkcja biogazu i energii z niektórych surowców roślinnych Substrat roślinny Plon świeżej masy dt/ha Biogaz 3 m /ha Energia GJ/ha Kukurydza (całe rośliny) 300 –500 4050 – 6750 87 – 145 Lucerna 250 – 350 3960 – 4360 85 – 94 Żyto 300 – 400 1620 – 2025 35 – 43 Pszenżyto 2430 52 Buraki cukrowe (korzeń) 400 – 700 300 10260 220 Buraki cukrowe (liście) 300 – 500 3375 72 Słonecznik 300 – 500 2430 – 3240 52 – 70 Rzepak 200 – 350 1010 –1620 22 – 37 Źródło: Podkówka 2006. Tabela 9. Produkcja biogazu z biomasy upraw rolniczych i kalkulacja opłacalności Wyszczególnienie Kiszonka z kukury- CCM Ziarno pszenicy dzy Wydajność (dt/ha) 500 140 80 Sucha masa (%) 33 60 87 Substancja organiczna w suchej masie (%) 95 98 98 Wydajność biogazu (litrów/ kg suchej masy substancji organicznej) 600 664 700 Zawartość metanu w biogazie (%) 52,2 52,7 52,8 Wydajność biogazu (m /ha) 9405 5466 4720 Współczynnik sprawności w elektrowni cieplnej (%) 36 36 36 Wydajność energii elektrycznej (kWh/ha) 15 906 9333 8700 Cena sprzedaży energii elektrycznej (euro/kWh) 0,17 0,17 0,17 Wartość sprzedanej energii elektrycznej (euro/ha) 2704 1586 1479 3 Źródło: Podkówka 2006. 42 Józef Szlachta Tabela 10. Szacunkowe koszty uzyskania biomasy dla biogazowni Wyszczególnienie Jednostka miary Kiszonka CCM z kukurydzy Pszenica (ziarno) Plon dt/ha 500 140 80 Koszt biomasy euro/ha 835 840 800 Koszt zbioru, zakiszania, przechowywania euro/ha 245 307 52 Koszty silosu, magazynowania euro/ha 75 28 19 Koszty folii do przykrycia euro/ha 20 5,6 Straty podczas kiszenia, magazynowania % 10 10 3 Koszty wybierania kiszonki, ziarna euro/ha 36 10,08 6,3 Koszt biomasy loko biogazownia, bez kosztów transportu euro/ha 1211 1191 877 Koszty biogazowni 1 tony świeżej masy euro/t 24,24 85,16 109,71 Nominalna wartość energii elektrycznej euro/ha 2704 1582 1479 Dochód biogazowni euro/ha 1493 396 602 7,6 12,8 10,1 Koszty wytwarzania energii elektrycznej loko biogazownia ct./kWh Powstający odpad pofermentacyjny w biogazowni t/ha 38,2 7,2 2,1 Koszty rozprowadzania odpadu pofermentacyjnego euro/t 2 2 2 Koszty zagospodarowania odpadu pofermentacyjnego euro/ha 76,4 14,4 4,2 8,1 12,9 10,1 Koszty wytwarzania energii elektrcznej, łącznie z zagoct./kWh spodarowaniem odpadu pofermentacyjnego Źródło: Podkówka 2006. Tabela 11. Koszty zbioru i transportu odtwarzalnych surowców roślinnych przy różnych odległościach między biogazownią a polem Roślinny surowiec Odległość między Koszty zbioru i transportu odtwapolem a biogazowrzalnych surowców energetycznych nią km euro/ha euro/t Kiszonka z kukurydzy – 50 t CCM – 14 t Zboża – 10 t Źródło: Zawieja 2006. 2,5 3,85 191 5 4,59 229,5 10 6,16 308 20 9,97 498,5 2,5 11,46 160,44 5 12,02 168,28 10 13,25 185,5 20 16,27 227,79 2,5 10,35 103,5 5 11,02 110,2 10 12,25 122,5 20 15,62 156,2 Przydatność substratów pochodzenia rolniczego do pozyskiwania biogazu cy jest znacznie mniej kosztowne aniżeli wożenie kiszonki kukurydzy (Zawieja 2006). 5. Podsumowanie Rosnące zapotrzebowanie na energię ze źródeł alternatywnych, zwłaszcza na biogaz, spowodowało wzrost zainteresowania substratami do jego pozyskiwania. W coraz większym stopniu do produkcji biogazu wykorzystuje się surowce zarówno odpadowe, osady ściekowe, jak również te celowo wytwarzane w rolnictwie i przemyśle rolno-spożywczym. W wielu przypadkach zastosowanie jako wsadu mieszaniny złożonej z odpowiednio dobranych kosubstratów może zapewnić wzrost wydajności produkcji biogazu. Jest to możliwe dzięki poznaniu walorów energetycznych tych substratów, co pozwala na optymalizację warunków prowadzenia procesu fermentacji metanowej, wynikających z właściwości poszczególnych komponentów wsadu. Zmniejsza to koszty korygowania parametrów panujących w komorze fermentacyjnej, wynikających z cech materiału wsadowego przez dodawanie innego o odmiennych właściwościach. Streszczenie Analizowano przydatność odchodów zwierzęcych oraz wybranych substratów rolniczych do pozyskiwania biogazu rolniczego. W świetle danych literaturowych oraz badań własnych wykazano szczególnie przydatne rodzaje produktów i odpadów rolniczych do wykorzystania w biogazowniach rolniczych. 43 Summary There were analyzed the usefulness of animal manure and selected agricultural feedstock for biogas farm. In the light of literature data and own research showed particularly useful types of products and agricultural waste for use in agricultural biogas plants. Literatura [1] T. Fischer, A. Krieg, Projektowanie i budowa biogazowni, Krieg & Fischer Ingenieure GmbH, 2002, plik PDF. [2] T. Fischer, Biogas aus Gras Monofermentation von Energiepflanzen, Krieg & Fischer Ingenieure GmbH 2005, plik PDF. [3] W. Płatek, D. Szczepanik, Czy biogaz może odegrać poważniejszą rolę w wypełnieniu polskich zobowiązań produkcji zielonej energii?, Farma 29. 09. 2007. [4] W. Podkówka, Kiszonka z kukurydzy wartościowa pasza i cenny surowiec do produkcji biogazu, „Kukurydza”, nr 3 (29), 2006, s. 40. [5] W. Podkówka, Kukurydza jako substrat do produkcji biogazu, „Kukurydza”, nr 12, 2006, s. 26-29. [6] W. Podkówka, Biopaliwa dziś i jutro, „Przegląd Hodowlany”, nr 9, 2007, s. 21-25. [7] Praca zbiorowa, Biogaz. Produkcja. Wykorzystanie, Institut für Energetik und Umwelt gGmbH, Bundesforschnugsanstalt für Landwirtschaft, Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V., opracowanie jest zgodne z treścią Poradnika otrzymywania i wykorzystywania biogazu, opublikowanego przez Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe e.V., INTERREG IIIC, 2005. [8] M. Steppa, Biogazownie rolnicze, Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa, IBMER, Warszawa 1992. [9] J. Szlachta, Możliwości produkcji biogazu z produktów pochodzenia rolniczego, Referat na Międzynarodowej Konferencji w IBMER, Warszawa 2008. [10] R. Zawieja, Kukurydza jako koferment do produkcji biogazu, „Kukurydza”, nr 3 (29), 2006, s. 36-37. Agnieszka Czop* Zgazowanie biomasy Wprowadzenie Rosnące ceny konwencjonalnych surowców energetycznych: węgla, ropy naftowej, gazu ziemnego, ich ograniczone zasoby oraz regulacje prawne, które wymuszają korzystanie z OZE (Polska zobowiązała się wytwarzać 7,5% energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych w ogólnym bilansie energetycznym do 2010 r.) zmuszają do poszukiwania alternatywnych źródeł energii. Wykorzystanie biomasy jest szansą zarówno dla polskiej energetyki, jak i dla rolnictwa, poprzez wzrost mechanizacji oraz stworzenie nowych miejsc pracy. Wykorzystanie biomasy do celów energetycznych niesie ze sobą szereg korzyści: ochrona środowiska naturalnego, uniezależnienie od zewnętrznych nośników energii, ich dywersyfikacja oraz wzrost bezpieczeństwa energetycznego państwa. Inwestowanie w odnawialne źródła energii wpływa na aktywizację lokalnej przedsiębiorczości, poprawę koniunktury gospodarczej, daje możliwość wykorzystania do produkcji ziemi odłogowanej, zdewastowanej lub zdegradowanej oraz możliwość uzyskania wsparcia ze środków Unii Europejskiej. Biomasa jest powszechnie uważana za jeden z największych zasobów energii odnawialnej w Polsce. Jest również jedynym zasobem energii odnawialnej, który może być źródłem paliw i produktów opartych na węglu. Biomasa może być produkowana i użytkowana bez dużych inwestycji technologicznych. Energia w niej zawarta stanowi najmniej kapitałochłonne źródło energii odnawialnej. Obecnie w praktyce stosuje się takie technologie energetycznego wykorzystania biomasy, jak współspalanie węgla z biomasą, bezpośrednie * spalanie biomasy oraz jej zgazowanie. Najbardziej zaawansowanym technologicznie jest układ bazujący na procesie zgazowania biomasy [2]. Otrzymywanie gazu na drodze zgazowania paliw, także biomasy, jest znane od dawna. Obecnie proces ten nabiera coraz większego znaczenia ze względu na dążenie do zastępowania paliw kopalnych paliwami pochodzenia roślinnego, które zapewniają (dzięki recyklingowi CO2 ) zmniejszenie emisji CO2 do atmosfery oraz innych substancji, które mają szkodliwy wpływ na środowisko naturalne. [1]. Zgazowanie biomasy jest technologią bardziej przyjazną dla środowiska niż bezpośrednie spalanie, m.in. ze względu na minimalizację powstawania tlenków i migracje metali ciężkich do spalin oraz wyższą sprawność systemów kogeneracyjnych [6]. Podsumowując, podstawowymi zaletami procesu zgazowania biomasy w porównaniu do innych metod energetycznego jej wykorzystania są [2]: — obniżenie emisji substancji szkodliwych do atmosfery, — możliwość wielokierunkowego zastosowania wytwarzanego gazu (produkcja energii elektrycznej, ciepła lub np. metanolu), — możliwość zwiększenia sprawności wytwarzania energii elektrycznej — możliwość stosowania biomasy w formie surowej, nieprzetworzonej, np. o dużej zawartości wilgoci. 1. Charakterystyka biomasy na tle paliw kopalnych Typowa biomasa ma wartość opałową w zakresie 12-20 MJ/kg w przeliczeniu na suchą masę mgr inż. A. Czop, spec. ds. ochrony środowiska w energetyce, eGmina, Infrastruktura, Energetyka Sp. z o.o. 46 Agnieszka Czop (jest to ponad dwukrotnie mniej niż wynosi wartość opałowa benzyny). Poniższy rysunek przedstawia wartość opałową niektórych paliw. Tabela 1. Porównanie wartości opałowej niektórych paliw [3] Paliwo Wd MJ/kg (suchy) Węgiel kamienny 32,4 Drewno (trociny) 18,7 Słoma (sieczka) 17,3 Porównując właściwości węgla stosowanego w energetyce i biomasy można zauważyć, że podstawowy skład pierwiastkowy jest taki sam (patrz: Tab.2). Różnice występują natomiast w udziałach poszczególnych pierwiastków i związków chemicznych. Biomasa zawiera średnio około czterokrotnie więcej tlenu, dwukrotnie mniej pierwiastka węgla oraz mniej siarki i azotu. Poniższa tabela przedstawia porównanie biomasy z węglem. Niekorzystną cechą biomasy jest jej wysoka i zmienna (w zależności od rodzaju biomasy i okresu jej sezonowania) zawartość wilgoci, jak również niższa wartość opałowa (zwłaszcza w stanie roboczym). Biomasa ma również niższą gęstość nasypową, co skutkuje droższym transportem oraz wymaganiami dotyczącymi większej powierzchni składowisk. Porównując emisję zanieczyszczeń w przypadku spalania drewna i innych paliw wynika, iż ilość popiołu w drewnie jest około 50 razy mniejsza niż w węglu, a zawartość siarki i azotu kilkukrotnie mniejsza niż w węglu, gazie ziemnym i oleju opałowym. Jednocześnie dużo wyższa zawartość związków alkalicznych w biomasie (zwłaszcza potasu, wapnia i fosforu), a w przypadku słomy i in- nych roślin jednorocznych, a także liści i kory drzew, również wysoka zawartość chloru, może prowadzić do wzmożonej korozji oraz narastania agresywnych osadów w kotle podczas jej bezpośredniego spalania. W skład substancji nieorganicznych biomasy wchodzą głównie związki krzemu, wapnia, magnezu, fosforu, sodu i potasu, przede wszystkim SiO2 , CaO, MgO, Na2 O, K2 O, podczas gdy w węglu są to: SiO2 , Al2 O3 i Fe2 O3 . Na korzyść biomasy (zwłaszcza drzewnej) przemawia natomiast znacznie niższa, w porównaniu z węglem, zawartość popiołu i siarki. Kolejna tabela przedstawia właściwości poszczególnych rodzajów biomasy. Biorąc pod uwagę wartość opałową i zawartość popiołu, drewno oraz trociny z drewna charakteryzują się najlepszymi wartościami tych parametrów. 2. Charakterystyka procesów zgazowania Wartość opałowa oraz skład gazu ze zgazowania biomasy zależą głównie od rodzaju czynnika zgazowującego. Generalnie zgazowanie biomasy może być przeprowadzone przy użyciu powietrza bądź pary wodnej, z ewentualnym dodatkowym podawaniem tlenu. Różnice między otrzymanymi ze zgazowania (w warstwie fluidalnej) produktami ilustrują poniższe tabele. Zgazowanie powietrzem prowadzi do wytwarzania gazu o stosunkowo niskiej wartości opałowej (4–7 MJ/Nm2 ) [2], z uwagi na dużą zawartość balastu w postaci azotu. Jednak niskie nakłady inwestycyjne i niewielkie koszty eksploatacji powodują, że zgazowanie powietrzne jest obecnie najczęściej stosowaną technologią. Wykorzystanie innych czynników zgazowujących (np. powietrza wzbogaconego w tlen, pary wodnej, tlenu technicznego, dwutlenku węgla) wymaga instalowania dodatkowych urządzeń (w których wytwarzany jest czynnik zgazowujący), co znacząco podnosi nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacji. Dlatego też rozwiązania tego typu stosowane są w układach największych mocy. Jako czynnik zgazowujący stosuje się rów- 47 Zgazowanie biomasy Tabela 2. Porównanie biomasy z węglem [9] Składniki i parametry Jednostka Słoma żółta Słoma szara Drewno Węgiel kamienny Wilgotność % wag 15 15 30 12 Popiół % wag 4 3 1 12 Węgiel % wag 42 43 35 75 Tlen % wag 37 38 43 7,3 Wodór % wag 5 5,2 4 3,5 Chlor % wag 0,75 0,2 0,1 0,08 Azot % wag 0,35 0,41 0,1 1 Siarka % wag 0,16 0,13 0,1 0,8 Części lotne % wag 70 73 55 25 Rzeczywista wartość opałowa MJ/kg 14,4 15 10,5 25 Teoretyczna wartość opałowa MJ/kg 18,2 18,7 13 32 Tabela 3. Charakterystyka paliw Rodzaj paliwa Skład chemiczny % wagowy s.m. Wilgotność (sucha masa) C węgiel olej opałowy gaz ziemny H >68 4,5 86 12 O2 N2 S popiół % Emisja kg/GJ MJ/kg CO2 NOx SO2 pyły 0,3 – 0,4 0,5 – 1 0,05 11 1 0,5 – 1,2 <15 2 – 10 25 100 1 — 0,3 – 1 — — 41 77 — — — 48,7 52 — — — 69,5 23,5 — <7 0,065 – 0,15 0,15 – 0,5 — słoma 46 5 45 0,2 0,1 3,7 10 – 20 17 — 0,07 0,07 0,02 drewno 50 6 43 0,1 — 0,9 10 – 20 19 — — — 0,02 Według BAPE S.A., Racjonalizacja przetwarzania i użytkowania energii. nież tlen, który można otrzymać z powietrza metodami: kriogenicznego (generatory tlenu) i nie-kriogenicznego (PSA) rozdziału. Zaletą zgazowania tlenem jest wzrost udziału wodoru w gazie syntezowym, nawet czterokrotnie w stosunku do procesu zgazowania powietrzem. Przy zastosowaniu powietrza zmniejsza się ilość pozyskanego wodoru na rzecz azotu, który jest głównym składnikiem powietrza (i który stanowi balast). Otrzymywany w wyniku zgazowania biomasy gaz zawiera z reguły szereg składników, które trzeba usunąć. Do uciążliwych substancji zalicza się: (po kondensacji) pary smoły i substancji mineralnych, pył (w tym ścierne SiO2 i F2 O5 ), szkodliwe i korozyjne związki siarki (H2 S, CS2 ) oraz związki azotu (NH3 ,HCN, NOx ). Gaz poddawany jest oczyszczaniu mechanicznemu (np. cyklon, filtr), fizycznemu (np. kolumna natryskowa) i chemicznemu (np. katalityczne wybiórcze utlenianie czy katalityczna konwersja smoły). W procesie zgazowania biomasy (wysoko lub nisko temperaturowego) powstaje surowy gaz syntezowy, który składa się głównie z CO, H2 , N2 , CO2 , CH4 , Cx Hy . Surowy gaz ze zgazowania biomasy jest produktem, który może być bezpośrednio użyty do produkcji energii cieplnej, a po oczyszczeniu wykorzystany również w silnikach 48 Agnieszka Czop Tabela 4. Właściwości różnych rodzajów biomasy[3] Biomasa Wartość opałowa [MJ/kg] Zawartość wilgoci [%wag.] Części lotne [%wag.] Zawartość popiołu [%wag.] Słoma 16,1 – 17,3 15 70 – 73 4,3 – 6,5 Miskant olbrzymi (pelety) 17,6 8,7 – 10,1 73,8 – 77,3 2,5 – 2,9 Drewno (pelety) 18,6 8,3 – 8,6 74,7 – 75,1 0,18 – 0,24 Trociny z drewna 18,8 10,4 70,4 1,3 Drzewo oliwne 15,7 15 78,1 3,0 Winorośl 15,1 15 76,6 2,7 Tabela 5. Skład gazu ze zgazowania biomasy w zależności od czynnika zgazowującego [1] powietrze Para wodna z tlenem Czynnik zgazowujący 3 Wartość opałowa MJ/m 4–6 12 – 14 H2 % 11 – 16 35 – 40 CO % 13 – 18 25 – 30 CO2 % 12 – 16 20 – 25 CH4 % 3–6 9 – 11 N2 % 45 – 60 <1 Tabela 6. Wartości opałowe gazu ze zgazowania biomasy dla różnych czynników zgazowujących [2] Proces Czynnik zgazowujący Kaloryczność wytworzonego gazu, MJ/Nm2 Bezpośrednie zgazowanie Powietrze 4–7 Zgazowanie w czystym tlenie Tlen 10 – 12 Pośrednie zgazowanie Para wodna 15 - 20 IC i turbinach. Proces jego spalania zalicza się do tzw. „czystego spalania”, ze względu na fakt, że zanieczyszczenia usunięto wcześniej. Gaz ten może być transportowany rurociągami. Poddając go surowym procesom (np. kraking termiczny, reforming i separacja) otrzymuje się gaz syntezowy, którego głównymi składnikami są CO i H2 . Gaz ten może być użyty do produkcji związków chemicznych i paliw motoryzacyjnych, istnieje również możliwość mieszania paliw syntetycznych z paliwami klasycznymi w celu uzyskania optymalnych efektów spalania i ochrony środowiska. 3. Podstawowe źródła biomasy do zgazowania Jednym z najpopularniejszych rodzajów biomasy, stosowanych w procesie zgazowania, jest drewno, ze względu na stosunkowo wysoką wartość opałową. Dlaczego właśnie drewno? Jest to paliwo odnawialne, przy którego spalaniu do atmosfery nie jest emitowany dwutlenek węgla ani związki siarki. Zawiera mało popiołu, co upraszcza instalację i ułatwia jej obsługę (czyszczenie) oraz jest paliwem szeroko dostępnym. Istotny jest też fakt, że drewno występuje w kraju, nie ma potrzeby jego importowania, a więc cena jest niezbyt wrażliwa na zmiany gospodarcze i polityczne na świecie, czego nie można powiedzieć o ropie naftowej. Drewno nie jest obciążone podatkami, w odróżnieniu od innych paliw oraz nie powo- Zgazowanie biomasy 49 Rysunek 1. Skład gazu z gazyfikacji parowej [12] Rysunek 2. Skład gazu z gazyfikacji powietrznej [12] duje strat związanych z jego przechowywaniem. Poniższe wykresy obrazują różnice występujące w składzie gazu ze zgazowania drewna parą wodną oraz powietrzem. Zgazowanie drewna parą wodną przyczynia się do powstania znacznych ilości wodoru, zamiast azotu, będącego balastem, co ma miejsce w przypadku zgazowania drewna powietrzem. Według różnych źródeł jeden litr benzyny odpowiada 2,5 – 4 kg drewna zgazowanego w generatorze. Załóżmy, że za 85 zł można kupić 1 m przestrzenny drewna, co daje około 400 kg. W najgorszym przypadku więc odpowiednik 100 l benzyny. To daje 85 gr za litr benzyny, ponad 5 razy mniej niż cena tego paliwa na stacjach benzynowych [7]. Kolejnych popularnym rodzajem biomasy jest słoma. Słoma przeznaczona na cele energetyczne wchodzi w skład grupy paliw odnawialnych. Jej wartość opałowa jest znaczna i wynosi około 18,7 MJ/kg suchej masy (węgiel kamienny – 32 MJ/kg). Przy spalaniu słomy nie wytwarza się więcej CO2 aniżeli zboże pobiera go z atmosfery w okresie swej wegetacji. Słoma zawiera tylko śladowe ilości siarki organicznej, zaledwie 0,13-0,16% wag. (węgiel kamienny – 1,5% wag.), natomiast tlenków azotu 0,35 – 0,41% wag., czyli 1/3 tego, co zawiera węgiel kamienny (1,0% wag.). Popiół pochodzący ze spalania słomy zawiera duże ilości tlenków wapnia i potasu, dlatego może być wykorzystywany jako roślinny nawóz mineral- ny (potasowo-wapienny). Wykorzystanie słomy do celów energetycznych przyczynia się do redukcji palenia jej na polach, dzięki czemu można uniknąć wielu pożarów i degradacji środowiska naturalnego. Produkcja słomy w Polsce wynosi ok. 30 mln t rocznie. Z tego do wykorzystania energetycznego służyć może 30 – 50%, w tym cała słoma rzepakowa. Przyjmując tę wielkość, potencjał energetyczny słomy wynosi rocznie ok. 100 – 200 PJ, co może zastąpić 5 – 10 mln t węgla, a wynikająca stąd redukcja CO2 wynosić będzie 12 – 25 mln t CO2 [10]. Problemy związane ze zgazowaniem słomy to: podawanie słomy – zatykanie i blokowanie instalacji składowania i podawania słomy, niejednorodność warstwy paliwa w gazogeneratorze – tworzenie się zwartych wilgotnych skupisk słomy, które są mniej lub bardziej przepuszczalne dla gazu oraz wydmuchiwanie cząstek nieopalonej pozostałości koksowej słomy z reaktora. Za wykorzystaniem drewna czy słomy przemawia nie tylko aspekt ekologiczny, ale i ekonomiczny. Zaletą ogrzewania gospodarstw przy użyciu biomasy są niskie koszty eksploatacyjne, a wadą wysokie nakłady inwestycyjne. Koszt zakupu jednostki mocy zainstalowanej (bez adaptacji kotłowni) szacuje się na 130 – 150 zł/kW. Proces zgazowania biomasy napotyka również na pewne ograniczenia technologiczne. Istotne jest zapewnienie ciągłości dostaw paliwa (biomasy) do reaktora zgazowującego. Biomasa, w sto- 50 Agnieszka Czop Rysunek 3. Zgazowanie biomasy w kierunku produkcji energii i paliw [3] sunku do innych paliw, charakteryzuje się zmiennym składem i niską wartością opałową przypadającą na jednostkę objętości, co zwiększa masę oraz objętość biomasy transportowanej do odbiorcy. W zapewnieniu stałych dostaw wsadu o jednolitym składzie, wilgotności i sortymencie w długim okresie występują trudności. Istnieje również konieczność stworzenia rozbudowanej infrastruktury systemu pozyskiwania, dostaw i przygotowania paliwa, gdyż układy te nie mogą powstać w dowolnym miejscu. Ze względu na różną postać geometryczną wsadu (od wiórów do całego drzewa) konieczne jest specjalne projektowanie układów zasilania. Najczęstszymi usterkami układów zasilania są: zawisanie wsadu i blokowanie przepływu, kondensacja substancji smolistych na śluzach i zaworach, zbyt duża podaż wsadu, uszkodzenia podajników śrubowych i taśmociągów. Czasami konieczne jest również suszenie biomasy oraz dodatkowe rozdrabnianie lub brykietowanie wsadu przed podaniem do reaktora. Problemem w układach zgazowania biomasy są substancje smoliste, których temperatura kondensacji jest wyższa niż 150°C. Najkorzystniejsze warunki do powstawania dużych ilości substancji smolistych występują w reaktorach ze złożem przeciwprądowym (średnia zawartość substancji smolistych w tym typie reaktora to 50 g/m3 , ale zdarzają się takie, gdzie udział ten mieści się w przedziale 2 – 10 mg/m3 ). Reaktory fluidalne mogą produkować gaz o zawartości substancji smolistych około 10 g/m3 , natomiast reaktory ze złożem stałym, dolnociągowe nawet na poziomie 1 g/m3 , tymczasem dopuszczalna zawartość substancji smolistych w gazie, w przypadku jego zastosowania do zasilania silnika spalinowego, powinna być poniżej 50 mg/m3 [11]. Niektórzy producenci silników obniżają tę granicę nawet do 30 mg/m3 . W przypadku turbin gazowych substancje smoliste nie stanowią większego zagrożenia dopóki są utrzymywane w fazie gazowej. 4. Podsumowanie Zwiększenie wykorzystania biomasy jest szansą dla Polski na wywiązanie się z międzynarodowych porozumień. Są to między innymi: Wspólna Deklaracja Europejskich regionów na rzecz Efektywności Energetycznej oraz Odnawialnych Źródeł Energii (grudzień 2006 r.) i wprowadzona 51 Zgazowanie biomasy Rysunek 4. Zgazowanie drewna parą wodną [3] (w temperaturze 850°C, pod ciśnieniem atmosferycznym i dla stosunku pary wodnej do biomasy 1,4) Rysunek 5. Zgazowanie drewna powietrzem [3] (pod ciśnieniem 1 bar i w temperaturze 860°C) przez Komisję Europejską korekta polityki energetycznej, zalecająca zwiększenie wykorzystania OZE do 20% w 2020 r. (marzec 2007), a także tzw. Pakiet Klimatyczny, zawierający program „3x20”, który zakłada, że do 2020 r. nastąpi redukcja emisji gazów cieplarnianych o 20%, zwiększenie efektywności wykorzystania energii, także o 20% oraz zwiększenie wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych do 20%. Porozumienia te stanowią dla Polski wyzwanie, a żeby mu sprostać konieczne jest wspieranie wszelkich możliwości zbliżających nas do realizacji założonych celów. Niezbędne jest wsparcie wszystkich możliwych do wykorzystania źródeł odnawialnych. Biorąc pod uwagę polskie warunki oraz potencjał rolnictwa, produkcja ciepła z biomasy przedstawia się obiecująco, wykorzystując ją możemy zbliżyć się do unijnych wymogów. properties of biomass were compared relating to mine fuels as well as technological problems resulting from the process of gassifying biomass were presented. Streszczenie W niniejszej pracy przedstawiono charakterystykę wykorzystania biomasy w procesie zgazowania. Porównano właściwości energetyczne biomasy na tle paliw kopalnianych oraz przedstawiono problemy technologiczne wynikające, z procesu zgazowania biomasy. Summary At this work a characterization of the biomass use in the process of gassifying was presented. Energy Literatura [1] Brunon J. Grochal, Technologiczne i ekonomiczne aspekty zgazowania biomasy. [2] Tomasz Chmielniak, Zdzisław Żuromski, Zgazowanie biomasy w układach małej mocy na przykładzie gazogeneratora firmy ZAMER. [3] Witold Warowny, Zgazowanie biomasy. Technologia. [4] Poleko, Poznań, 22 listopada 2007 [5] Tadeusz Dziok, Daniel Jędrysik, Przemysłowe instalacje do zgazowania biomasy. [6] Grzegorz Barzyk, Zgazowanie, Barzyk Consulting. [7] http://gaz-drzewny.zlotemysli.pl/. [8] http://www.drewnozamiastbenzyny.pl/jakiedrewno/. [9] Marek Ściążko, Jarosław Zuwała, Marek Pronobis, Energetyka i Ekologia. [10] Lokalne źródła energii – słoma, KAPE/SCORE – 11/97 PAPE Bydgoszcz; www.kape.gov.pl. [11] Jacek Kalina, Janusz Skorek, Uwarunkowania technologiczne budowy układów energetycznych zintegrowanych z termicznym zgazowaniem biomasy, Zakład Termodynamiki i Energetyki Gazowej, Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska. [12] Liliana Bonder, Marek Mirosz, Przegląd technologii zgazowania biopaliw stałych, Instal, 10(15), 2007. Tamara Jadczyszyn* Zagospodarowanie pozostałości po produkcji biogazu w myśl przepisów prawa polskiego „Polityka energetyczna Polski do 2030 r.” zakłada wzrost udziału odnawialnych źródeł energii do poziomu 15% finalnego zużycia energii w roku 2020 oraz dalszy wzrost wskaźnika w latach następnych. Przewiduje się, iż do 2020 r. w każdej gminie powinna powstać średnio jedna biogazownia rolnicza (1). Biogaz wytwarzany jest w procesie beztlenowej (metanowej) fermentacji różnego rodzaju materiałów organicznych. Wsadem do produkcji biogazu mogą być: surowce roślinne, odchody zwierząt oraz różnego rodzaju odpady organiczne: słabej jakości ziarno zbóż, odpady poubojowe, przeterminowane produkty spożywcze, osady ściekowe i inne. Podstawą funkcjonowania biogazowi rolniczych są jednak nawozy naturalne (przede wszystkim gnojowica) oraz kiszonka kukurydzy. Pozostałości po fermentacji metanowej posiadają dużą wartość nawozową, ale w świetle obowiązującego prawa są odpadami, a ich zagospodarowanie stwarza wiele problemów. 1. Wartość nawozowa pozostałości pofermentacyjnych Pozostałości pofermentacyjne nie różnią się istotnie od materiału wyjściowego pod względem zawartości składników mineralnych. Są natomiast wolne od odoru charakterystycznego dla niektórych materiałów, jak gnojowica czy osad ściekowy. W procesie fermentacji, przebiegającym w temperaturze 30 – 550 C dokonuje się także częściowa higienizacja materiałów. Zawartość składników mineralnych w pul* pie pofermentacyjnej jest zróżnicowana i zależy od rodzaju użytych do fermentacji materiałów. Na przykład, odpad po fermentacji mieszaniny gnojowicy i kiszonki z kukurydzy zawiera około 0,6% azotu (N), 0,7% fosforu (P2 O5 ) i 0,4% potasu (K2 O). Są to ilości znaczące z punktu widzenia nawozowej wartości tego odpadu i uzasadniające jego wykorzystanie w rolnictwie. Przyjmując ceny składników mineralnych w nawozach obowiązujące w 2008 r. (około 3 zł/kg N, 3 zł/kg P2 O5 i 2,7 zł/kg K2 O) i uwzględniając skład chemiczny pulpy po fermentacji gnojowicy i kiszonki można obliczyć, że wartość 1 t tego odpadu wynosi około 50 zł. Wykorzystanie pozostałości pofermentacyjnych do nawożenia pozwoliłoby obniżyć znacznie koszty produkcji rolniczej, zwłaszcza w warunkach wysokich cen nawozów mineralnych. 2. Nawożenie w świetle przepisów prawnych Stosowanie nawozów i innych substancji użyźniających w rolnictwie oraz obrót nimi reguluje ustawa o nawozach i nawożeniu z dnia 10 lipca 2007 r. [10] oraz rozporządzenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z dnia 18 czerwca 2008 r. [4]. Ustawa definiuje nawozy jako produkty przeznaczone do dostarczania roślinom składników pokarmowych lub zwiększania żyzności gleb, natomiast środki poprawiające właściwości gleby jako substancje dodawane do gleby w celu poprawy jej właściwości. Nawozy dzieli się na: — mineralne – wyprodukowane w drodze prze- dr T. Jadczyszyn, Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa Państwowy Instytut Badawczy w Puławach. 54 mian chemicznych, fizycznych lub przerobu surowców, — organiczne – wyprodukowane z substancji organicznej lub mieszanin substancji organicznych, — organiczno-mineralne – mieszaniny nawozów mineralnych i organicznych — naturalne – pochodzące od zwierząt gospodarskich bez dodatków innych substancji, przeznaczone do rolniczego wykorzystania; zalicza się do nich obornik, gnojowicę i gnojówkę. Do produkcji biogazu stosuje się mieszaniny materiałów, dlatego jeśli nawet dominuje wśród nich gnojowica lub obornik, to pozostałości pofermentacyjne nie mogą być zakwalifikowane do nawozów naturalnych. Pozostałości pofermentacyjne mogłyby być zaliczone do kategorii środków poprawiających właściwości gleby lub nawozów organicznych. Tego rodzaju produkty można wprowadzać do obrotu wyłącznie na podstawie zezwolenia Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi [4]. Zgodnie z ustawą o nawozach i nawożeniu wprowadzenie do obrotu jest to oferowanie w celu zbycia, sprzedaż oraz inna odpłatna lub nieodpłatna forma zbycia nawozu lub środka poprawiającego właściwości gleby. W myśl tej definicji właściciel biogazowi chcąc przekazać rolnikom pozostałości pofermentacyjne do rolniczego wykorzystania (nawet nieodpłatnie) musi uzyskać zezwolenie na wprowadzenie do obrotu. W tym celu powinien złożyć w Ministerstwie Rolnictwa odpowiedni wniosek wraz z dokumentacją, na którą składają się: — wyniki badań właściwości fizykochemicznych i chemicznych próbki produktu pobranej przez certyfikowanego próbkobiorcę, — opinia o spełnianiu wymagań jakościowych i wymagań w zakresie dopuszczalnej zawartości zanieczyszczeń opracowana przez Instytut Uprawy nawożenia i Gleboznawstwa – Państwowy instytut Badawczy w Puławach na podstawie wyników analiz i deklaracji producenta, — opinia o przydatności do stosowania w rolnictwie opracowana przez IUNG–PIB w Puławach wraz z instrukcją stosowania i przechowywania produktu, — wyniki badań sanitarnych i właściwa opinia Tamara Jadczyszyn Państwowego Instytutu Weterynaryjnego – PIB w Puławach — opinia o spełnianiu wymagań weterynaryjnych opracowana przez PIW–PIB w Puławach. W przypadku pozostałości po fermentacji materiałów innych niż nawozy naturalne i kiszonka, będących odpadami wymagane są oprócz wymienionych wyżej: — opinia Państwowego Instytutu Weterynaryjnego – PIB w Puławach o braku szkodliwego wpływu produktu na zdrowie zwierząt, — opinia Instytutu Medycyny Wsi o braku szkodliwego wpływu produktu na zdrowie ludzi — opinia Instytutu Ochrony Środowiska o braku szkodliwego wpływu na środowisko. Barierą dla wprowadzania pozostałości pofermentacyjnych do obrotu tą drogą jest konieczność uzyskiwania stałego i powtarzalnego składu chemicznego produktu, co w przypadku biogazowni może okazać się trudne. Ponadto sama procedura jest dosyć kłopotliwa, a uzyskanie odpowiednich opinii trwa zazwyczaj kilka miesięcy i wymaga określonych nakładów finansowych. 3. Zagospodarowanie pozostałości pofermentacyjnych w świetle przepisów o odpadach W katalogu odpadów (Rozporządzenie Ministra Środowiska z 27 września 2001 r.) [5] wyróżniono dwa rodzaje odpadów pofermentacyjnych: 1. ciecze z beztlenowego rozkładu gnojowicy, odpadów roślinnych i roślin 2. przefermentowane odpady z beztlenowego rozkładu gnojowicy, odpadów roślinnych i zwierzęcych. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 14 listopada 2007 r. [7] zezwala na odzysk wymienionych odpadów metodą R10, która oznacza rozprowadzanie na powierzchni ziemi w celu nawożenia lub ulepszania gleby. Jednocześnie Rozporządzenie określa warunki odzysku. Odpady muszą spełniać wymagania dla osadów ściekowych (zawartość metali ciężkich, obecność jaj pasożytów jelitowych). Materiał zwierzęcy po fermentacji (gnojowica, Zagospodarowanie pozostałości po produkcji biogazu w myśl przepisów prawa polskiego obornik) musi spełniać wymagania sanitarne dla produktów ubocznych pochodzenia zwierzęcego, zawarte w przepisach Parlamentu Europejskiego i Rady [9]. Odpady są stosowane na glebach, na których nie są przekroczone dopuszczalne stężenia substancji wymienionych w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z 9 września 2002 r. w sprawie standardów jakości gleby [6]. Stosowanie odpadów nie może doprowadzić do przekroczenia w glebie dopuszczalnych stężeń Cr, Pb, Cd, Hg, Ni, Zn i Cu. W celu określenia dawki odpadów wytwórca prowadzi badania w certyfikowanych laboratoriach. Posiadacz odpadu zmuszony jest do wykonywania kosztownych analiz chemicznych i mikrobiologicznych odpadów oraz badania gleb na zawartość metali ciężkich. Koszt analizy jednej próbki gleby pod kątem zawartości metali ciężkich wynosi około 300 zł. Jedna próbka reprezentuje powierzchnię nie większą niż 5 ha. Zagospodarowanie odpadu ze średniej biogazowni, przetwarzającej w ciągu roku gnojowicę od 500 DJP, wymaga powierzchni co najmniej 250 ha, z której minimalna ilość próbek do zbadania wynosi 50. Koszt ich analizy to około 15 000 zł. Bezpośrednie zagospodarowanie pulpy pofermentacyjnej jako odpadu metodą odzysku R10 komplikuje dodatkowo fakt, iż nie została ona umieszczona na liście odpadów, które posiadacz może przekazywać osobom fizycznym lub jednostkom organizacyjnym niebędącym przedsiębiorstwami (rozporządzenie Ministra Środowiska z 21 kwietnia 2006 r.) [8]. Wynika stąd, że odzysk może być prowadzony wyłącznie na gruntach własnych. Przepisy dotyczące metody odzysku R10 nie uwzględniają pozostałości z biogazowni przetwarzających niejadalne produkty zwierzęce (mączki mięsno-kostne). Pozostałości tego rodzaju objęte są przepisami weterynaryjnymi. Na podstawie Rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady [9], pozostałości po produkcji biogazu z niejadalnych produktów zwierzęcych kategorii 2 i 3 mogą być wprowadzane do obrotu i stosowane jako nawozy organiczne lub polepszacze gleby. Pozostałości po fermentacji materiałów kategorii 2 innych niż obornik, treść przewodu pokarmowego, produkty na bazie mleka, siary i jaj 55 muszą być poddane sterylizacji oraz trwałemu oznakowaniu. Państwa członkowskie mogą przyjąć lub utrzymać przepisy krajowe, określające dodatkowe warunki lub ograniczające zastosowanie nawozów organicznych i polepszaczy gleby, pod warunkiem że takie przepisy są uzasadnione ochroną zdrowia ludzi i zwierząt. W Polsce obowiązują nadal rozporządzenia Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z 7 grudnia 2004 r. [2] i z 4 września 2007 r. [3], dotyczące stosowania polepszaczy i obrotu nimi. Wynika z nich, że polepszacze powstałe w wyniku fermentacji metanowej niejadalnych produktów zwierzęcych mogą być stosowane w ilości 5 t na 1 ha, nie częściej niż raz na 2 lata. Brak jest natomiast przepisów regulujących wykorzystanie czy utylizację odpadów z biogazowi, dla których substratem są osady ściekowe lub inne odpady. 4. Przewidywane zmiany przepisów Ministerstwo Gospodarki we współpracy z Ministerstwem Rolnictwa i Rozwoju Wsi przygotowało program Innowacyjna Energetyka – Rolnictwo Energetyczne. Jego celem jest stworzenie optymalnych warunków do rozwoju biogazowi rolniczych, między innymi poprzez dokonanie zmian w obowiązujących przepisach prawnych. Przewiduje się wprowadzenie zmian w ustawie o odpadach oraz rozporządzeniach wykonawczych do ustawy, których celem jest: — ograniczenie do niezbędnego minimum przepisów regulujących procesy odzysku pozostałości po fermentacji gnojowicy oraz gnojowicy łącznie z komunalnymi osadami ściekowymi, — ograniczenie do niezbędnego minimum warunków, jakie muszą spełniać ciecze i osady po fermentacji gnojowicy, odpadów roślinnych i zwierzęcych do stosowania jako nawóz na polach, — uwzględnienie odpadów po produkcji biogazu w rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 21 kwietnia 2006 r. w sprawie listy odpadów, które ich posiadacz może przekazywać osobom fizycznym lub jednostkom organizacyj- 56 nym niebędącym przedsiębiorcami oraz dopuszczalnych metod ich odzysku. Zakłada się także wprowadzenie zmian w ustawie o nawozach i nawożeniu w zakresie: — ograniczenia obowiązku zatwierdzania przez Okręgowe Stacje Chemiczno-Rolnicze planów nawożenia, w których wykorzystane będą pozostałości pofermentacyjne pochodzące z biogazowi rolniczych, — wprowadzenia nowej kategorii „produkty pofermentacyjne”, którym to pojęciem określa się płynne lub stałe substancje organiczne powstające w procesie produkcji biogazu rolniczego przy wykorzystaniu nawozów naturalnych, biomasy roślinnej pochodzącej z rolnictwa lub biomasy leśnej, przeznaczone do rolniczego wykorzystania. Produkty pofermentacyjne z biogazowni rolniczych można będzie zbywać do bezpośredniego rolniczego wykorzystania wyłącznie na podstawie umowy zawartej w formie pisemnej pod rygorem nieważności. Umowa przechowywana jest przez okres 4 lat. 5. Podsumowanie Pozostałości pofermentacyjne są wartościowym źródłem składników pokarmowych dla roślin uprawnych, a ze względów sanitarnych ich stosowanie w rolnictwie jest mniej ryzykowne niż stosowanie nawozów naturalnych, osadów ściekowych czy tak zwanych polepszaczy gleby, czyli mączek mięsno-kostnych. Pozostałości z biogazowni rolniczych będą w przyszłości stosowane na takich zasadach jak nawozy naturalne. Pozostałości z innych biogazowni, o stabilnym składzie chemicznym, mogą być wprowadzane do obrotu na podstawie zezwolenia Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi jako nawozy organiczne lub środki poprawiające właściwości gleby. Pozostałości o niestabilnym składzie chemicznym mogą być poddawane odzyskowi na podstawie przepisów o odpadach. Opracowano w ramach programu IGRE nr POIG.01.03.01-00-132/08. Tamara Jadczyszyn Streszczenie Pozostałości po fermentacji biomasy roślinnej i nawozów naturalnych posiadają dużą wartość nawozową. Ich wykorzystanie w rolnictwie pozwala ograniczyć zużycie nawozów mineralnych i w ten sposób obniżyć koszty produkcji. W Polsce pozostałości pofermentacyjne są odpadem, który może być stosowany do poprawy właściwości gleby na podstawie przepisów o odzysku odpadów. Warunki odzysku wymagają badania każdej partii odpadu oraz gleby każdorazowo przed zastosowaniem, co generuje znaczne koszty. Aby zbywać pozostałości pofermentacyjne jako nawozy lub środki poprawiające właściwości gleby, wytwórca musi uzyskać zezwolenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi na wprowadzenie takiego produktu do obrotu. Warunkiem uzyskania zezwolenia są pozytywne wyniki analiz chemicznych i mikrobiologicznych oraz zaakceptowany przez odpowiednie jednostki naukowe projekt instrukcji stosowania. W świetle projektowanych zmian przepisów o nawozach i nawożeniu, pozostałości pofermentacyjne z biogazowni rolniczych będą traktowane tak jak nawozy naturalne. Zbyt będzie się odbywać na podstawie umowy pisemnej pomiędzy wytwórcą i odbiorcą pofermentu. Summary The properties of residues from anaerobic digestion of biomass and animal manure are quite good for fertilization purpose. Their utilization in agriculture would reduce consumption of mineral fertilizer and decrease the costs. However in Poland the residues are classified as waste materials. As such they can be used for improving soil properties on the basis of regulations dealing with waste utilization. The regulations require that each part of waste and the soil is analyzed each time before application, what generates substantial costs. In order to dispose the residues as fertilizers the producer must get special permission from Ministry of Agriculture. The permission can be given on the basis of positive results of chemical and microbial analysis and instruction for application approved by proper scientific institutions. The regulations dealing with fertilizers and fertilization are going to be changed in such a way that the digestates would be treated like animal manures. These would be delivered on the basis of agreement between the producers and farmers. Zagospodarowanie pozostałości po produkcji biogazu w myśl przepisów prawa polskiego Literatura [1] Program Innowacyjna Energetyka – Rolnictwo Energetyczne (projekt z dnia 09.07.2009): http://www.mg.gov.pl [2] Rozporządzenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z dnia 7 grudnia 2004 r. w sprawie wymagań weterynaryjnych dla dodatków do wzbogacania gleby (Dz.U. z 2004 r., nr 269, poz. 2676 z późn zm.), [3] Rozporządzenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z dnia 4 września 2007 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie wymagań weterynaryjnych dla dodatków do wzbogacania gleby (Dz.U. z 2007 r., nr 175, poz. 1231), [4] Rozporządzenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z dnia 18 czerwca 2008 r. w sprawie wykonania niektórych przepisów ustawy o nawozach i nawożeniu. (Dz.U. z 2008 r., nr 119, poz. 765 z późn. zm.), [5] Rozporządzenie Ministra Środowiska z 27 września 2001 r. w sprawie katalogu odpadów (Dz.U. z 2001 r., nr 112, poz. 1206), [6] Rozporządzenie Ministra Środowiska z 9 września [7] [8] [9] [10] [11] 57 2002 r. w sprawie standardów jakości gleby i jakości ziemi ( Dz.U. z 2002 r., nr 165, poz. 1359), Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 14 listopada 2007 r. w sprawie procesu odzysku R10 (Dz.U. z 2007 r., nr 228, poz. 1685), Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 21 kwietnia 2006 r. w sprawie listy rodzajów odpadów, które posiadacz odpadów może przekazywać osobom fizycznym lub jednostkom organizacyjnym niebędącym przedsiębiorcami, oraz dopuszczalnych metod ich odzysku (Dz.U. z 2006 r., nr 75, poz. 527), Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 1069/2009 z dnia 21 października 2009 r. określające przepisy sanitarne dotyczące produktów ubocznych pochodzenia zwierzęcego, nieprzeznaczonych do spożycia przez ludzi, i uchylające rozporządzenie (WE) nr 1774/2002 (rozporządzenie o produktach ubocznych pochodzenia zwierzęcego) (Dz.U. UE L/300/1), Ustawa z dnia 10 lipca 2007 r. o nawozach i nawożeniu (Dz.U. z 2007 r., nr 147, poz.1033), Ustawa o odpadach z dnia 27 kwietnia 2001 r. (Dz.U. z 2007 r., nr 39, poz. 251 z późn. zm.).
