Technologie zbioru roślin energetycznych

Komentarze

Transkrypt

Technologie zbioru roślin energetycznych
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
AGROINŻYNIERIA GOSPODARCE
Ekspertyza
Technologie zbioru roślin
energetycznych
Prof. dr hab. inż. Aleksander Lisowski
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych
Warszawa 2011
Publikacja dostępna w serwisie: www.agengpol.pl
Spis treści
1.
Wstęp............................................................................................................................. 3
2.
Techniki zbioru roślin energetycznych ............................................................................ 4
3.
Maszyny do zbioru wierzby ............................................................................................ 9
4.
Zbiór traw i bylin ............................................................................................................17
5.
Modelowe technologie zbioru wierzby krzewiastej.........................................................20
6.
Koszty zbioru roślin energetycznych w świetle wyników badań .....................................23
7.
Podsumowanie..............................................................................................................26
8.
Literatura.......................................................................................................................27
2
1.
Wstęp
Rośliny energetyczne, bogate w związki celulozowe i ligninowe, mogą być
wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej lub ciepła oraz do wytwarzania paliw
zarówno stałych, ciekłych, jak i gazowych. Materiał roślinny można spalać w formie zrębków
lub sieczki bądź po przetworzeniu w postaci brykietów lub peletów. Uprawy wykorzystywane
na cele energetyczne pozwalają na zagospodarowanie nisko produktywnych bądź
zdegradowanych terenów rolniczych, co ma duże znaczenie w naszym kraju, gdzie stężenie
metali ciężkich w glebie na ponad 20% powierzchni użytkowanej rolniczo przekracza
dopuszczalne normy. W związku z tym dużą uwagę należy kierować na wszelkie działania
proekologiczne, w tym związane z uzasadnionymi ekonomicznie, nowymi technikami zbioru
tych roślin.
Zobowiązania Polski odnośnie redukcji zanieczyszczenia atmosfery gazami
cieplarnianymi mogą być wypełnione przez wykorzystanie odpowiedniej ilości biomasy w
energetyce. Będzie to możliwe przy znacznym zwiększeniu powierzchni wieloletnich plantacji
roślin energetycznych, ale z uwzględnieniem zachowania zrównoważonego rozwoju kraju i
bezpieczeństwa żywnościowego.
Technologie zbioru roślin przeznaczonych na cele energetyczne przechodziły przez
różne etapy ewolucyjnego rozwoju. W początkowym okresie do zbioru roślin energetycznych
wykorzystywano techniki stosowane w rolnictwie lub leśnictwie, w zależności od rodzaju
rośliny. Sukcesywnie z nabywanym doświadczeniem modyfikowano zespoły robocze lub
całe maszyny, a w dojrzałym etapie rozwoju tego segmentu rynku są oferowane
specjalistyczne maszyny z nowoczesnymi rozwiązaniami układów roboczych i jezdnych.
Obecna oferta rynkowa maszyn nie wyczerpuje dalszych możliwości rozwoju oraz
doskonalenia technik i technologii zbioru roślin energetycznych. Mimo że potencjalne
możliwości stosowania nowoczesnych technologii zbioru są duże, to w praktyce. Nie jest to
wyłącznie cecha naszego obszaru środkowo-europejskiego. Jeszcze gorsze warunki
występują w krajach skandynawskich, Wielkiej Brytanii lub Kanadzie (Spinelli 2001). w
dalszym ciągu wykorzystuje się bardzo zróżnicowane techniki koszenia i przetwarzania
biomasy. Dotyczy to zwłaszcza warunków polskich, gdzie uprawa roślin energetycznych jest
bardzo rozproszona, a powierzchnie pojedynczych plantacji są skrajnie zróżnicowane od
kilku arów do kilkuset hektarów, z największą plantacją 600 ha.
W zależności od przyjętej technologii zbioru stosuje się różne maszyny, wyposażone w
zespoły z zainstalowanymi mechanizmami, o specyficznych cechach funkcjonalnych,
dostosowanych do rodzaju rośliny i cyklu zbioru.
Dobór rodzaju roślin do uprawy na plantacjach energetycznych zależy od warunków
glebowo-klimatycznych i wyposażenia technicznego gospodarstwa oraz wymagań zakładów
energetycznych odnośnie jakości biomasy (Faber i in. 2009). Dla energetyki zawodowej
najbardziej przydatne jest drewno krzewów i drzew szybko rosnących, które po ścięciu łatwo
odrastają, do których zalicza się wierzbę krzewiastą, topolę, robinię akacjową i róże
wielokwiatową. Mniej przydatna jest biomasa bylin wieloletnich ślazowca pensylwańskiego i
słonecznika bulwiastego (topinambura) oraz traw wieloletnich, wśród których rozważane są
rośliny miskanta, prosa rózgowatego, palczatki Gerarda, spartiny preriowej, wydmurzycy
wydłużonej i mozgi trzcinowatej. Osobną grupę stanowi rdestowiec sachaliński, należący do
rodziny rdestowatych. Wymienione rośliny należą do grupy wieloletnich, co pozwala na
zmniejszenie kosztów ponoszonych na zakładanie i prowadzenie plantacji.
Z przedstawionej charakterystyki wybranych roślin można wskazać, że idealna roślina
energetyczna powinna się cechować wieloletnim charakterem wzrostu i rozwoju,
generatywnym sposobem rozmnażania, szybkim wzrostem na początku wegetacji oraz
dużym udziałem łodyg w suchej substancji części nadziemnej (ze względu na ich większą
wartość energetyczną niż liści), niskimi wymaganiami i tolerancją na suszę, szybkim
wysychaniem roślin w czasie zimy, wysoką produkcją biomasy, dobrymi parametrami
jakościowymi biomasy związanymi z jej spalaniem (Chołuj, Podlaski 2008). Jeżowski (2003)
we wcześniejszych rozważaniach wskazał na wydajne zużycie składników mineralnych oraz
odporność na choroby. Kowalczyk-Juśko (2009) w analizie przydatności wybranych rodzajów
3
roślin do energetycznego wykorzystania zaznacza, że przy zakładaniu plantacji należy
uwzględnić, poza wartością energetyczną, także skład chemiczny biomasy oraz zawartość
popiołu po jej spaleniu.
Duża różnorodność uprawianych rodzajów roślin energetycznych daje szansę rolnikom
wybrania odpowiedniej rośliny w zależności od posiadanych warunków glebowych i
klimatycznych. Uprawa na cele energetyczne roślin wieloletnich: drzew, krzewów, traw, bylin
wymaga nowego podejścia do ich zbioru. Zastosowanie różnych technik zbioru od leśnych
do rolniczych wymaga poznania właściwości mechanicznych materiałów zbieranych roślin w
całym zakresie wilgotności od fazy zbioru do momentu spalania. Ponieważ biomasa
pozyskana z plantacji roślin wieloletnich jest przetwarzana w procesach cięcia, zginania,
zgniatania, rozciągania i skręcania, którym często towarzyszy tarcie, przeto konieczna jest
znajomość jej właściwości fizycznych (Shaw i Tabil 2007, Yiljep i Mohammed 2005).
Molenda (2009) opracował ekspertyzę z zakresu właściwości mechanicznych sypkich
agromateriałów i proszków spożywczych oraz metod wyznaczania i prognozy kierunków
standaryzacji, która może być przydatna do oceny pociętego lub zmielonego materiału z
roślin energetycznych.
2.
Techniki zbioru roślin energetycznych
Analizując zagrożenia dla środowiska naturalnego związane ze stosowanymi
technologiami zbioru roślin na cele energetyczne pod kątem ograniczenia negatywnego
wpływu na środowisko naturalne można wydzielić zagrożenia techniczne związane ze
stosowaniem narzędzi i maszyn rolniczych oraz zagrożenia technologiczne związane ze
stosowanym określonego systemu zbioru.
Wybór elementów ścinających rośliny jest krytyczną decyzją w fazie projektowania
maszyn do zbioru roślin energetycznych. Odnosi się to zwłaszcza do krzewów i drzew.
Podczas ścinania pędów wierzby zespół roboczy ma za zadanie równoczesne ścięcie kilku
pędów o różnej średnicy. Wszystkie pędy, wyrastające z karpy, dążą do pionowego
ustawienia, również te, które są bocznymi odrostami. Ścięcie tych odrostów wymaga
większej energii niż pędów pionowych, ponieważ mają one większą poziomą powierzchnię
cięcia.
Zróżnicowanie przekrojów poprzecznych pędów między rzędami roślin oraz wzdłuż
rzędów również utrudnia zbiór. Mniejsze pędy są łatwiejsze do ścinania, ale istnieje
możliwość ich przewijania się przez poruszające się części mechanizmu ścinającego.
Wskazane byłoby zastosowanie elementu ściągającego pędy tuż nad płaszczyzną cięcia.
Aby zmniejszyć negatywny wpływ na odrastanie nowych pędów ich ścinanie powinno być
przeprowadzone, w pierwszym roku po posadzeniu, na wysokości około 5 cm nad
powierzchnią gleby (Szczukowski i in. 2006), a w kolejnych latach na wysokości 100150 mm. W efekcie uzyskuje się lepszą separację pędów, minimalizuje uszkodzenia karp,
zmniejsza propagację chorób i poprawia plonowanie (Stuart 1994, Wilkinson i in. 2007).
Mechanizmy ścinające, jakie są instalowane w maszynach do zbioru roślin
energetycznych można podzielić na bezpodporowe i podporowe. W zespołach ścinających
krzewy i drzewa mogą znaleźć zastosowanie piły tarczowe i łańcuchowe, tarcze nożowe,
noże listwowe i bijakowe oraz zęby frezów (w wirnikach młotkowych), które zalicza się do
zespołów bezpodporowych. Do ścinania bylin i traw wieloletnich, prócz pił tarczowych i
łańcuchowych, mogą być stosowane te same mechanizmy ścinające stosowane w czasie
zbioru zielonek. Ścinanie podporowe wykorzystuje się w zespołach listowych i rotacyjnych
nożach, które są najbardziej rozpowszechnione w przystawkach ciągnikowych sieczkarń
polowych do zbioru kukurydzy na kiszonkę.
Wybór technologii zbioru roślin energetycznych zależy od wielu czynników.
Całe łodygi mogą być wykorzystane na małym, niszowym rynku i w szkółkach, gdzie
materiał powinien być zawsze w doskonałej kondycji bez uszkodzeń kory. Całe rośliny mogą
być również zbierane dwuetapowo. Pozwala to na zastosowanie jednostek napędowych o
mniejszej mocy niż podczas zbioru jednoetapowego (Lechasseur i Savoie 2005, Savoie
4
2005). Jak sugerują Hilton i in. (2005) mniejsze maszyny powinny być bardziej użyteczne w
technologiach wykorzystujących naturalne suszenie.
Zbiór roślin w postaci rozdrobnionej jest zalecany na dużych plantacjach i tam gdzie jest
dobrze rozwinięty rynek zbytu, z możliwością wykorzystania biomasy do współspalania w
przemysłowym spalaniu węgla (Gera i in. 2002). Rozdrobniony materiał roślinny w zespole
roboczym sieczkarni polowej może stanowić surowiec do dalszej przeróbki w produkcji
brykietów lub peletów. Konieczne jest dodatkowe rozdrobnienie zrębków lub sieczki, jakie
uzyskuje się z sieczkarni (Bitra i in. 2008). Są one zbyt duże, aby można było wyprodukować
trwałe brykiety lub pelety.
Zbiór roślin energetycznych odbywa się późną jesienią lub zimą w czasie uśpionej
wegetacji bądź wczesną wiosną, przed rozpoczęciem nowej wegetacji. Niestety podczas
tego okresu w większości regionów utrzymują się złe warunki pogodowe i duża wilgotność
gleby czyni ją grząską. Śnieg pokrywający pola i zalęgający między kępami roślin lub
pozostający na łodygach i liściach traw jest również czynnikiem wpływającym na decyzje o
rozwiązaniach technicznych stosowanych w technologiach zbioru. W takich warunkach
konieczne jest zastosowanie gąsienicowych układów jezdnych lub szerokich opon. Zależnie
od zastosowanej technologii i mechanizmu tnącego, śnieg może być również zabierany
przez biomasę i trafiać do zespołu rozdrabiającego, a dalej ze zrębkami na skrzynię środka
transportowego (Pellerin i in. 1999, Boyd i in. 2000). Śnieg wymieszany ze zrębkami
zwiększa ich wilgotność co w konsekwencji prowadzi do szybszych procesów gnilnych
biomasy i jej strat (Boyd i in. 2000). Termin zbioru i jego cykliczność zależy w głównej mierze
od rodzaju rośliny i sposobu wykorzystania zebranego surowca. Nie jest to wyłącznie cecha
naszego obszaru środkowo-europejskiego. Jeszcze gorsze warunki występują w krajach
skandynawskich, Wielkiej Brytanii lub Kanadzie (Spinelli 2001).
Dobór technologii zbioru roślin energetycznych zależy od ich rodzaju. Krzewy i drzewa
szybo rosnące, do których zalicza się wierzbę krzewiastą (konopiankę), topolę i robinię
akacjową, można zbierać jedno- lub dwuetapowo w cyklach jednorocznych lub częściej w
wieloletnich (Lisowski 2006, Szczukowski i in. 2006, Faber i in. 2009). Krzewy takie jak róża
wielokwiatowa i robinia akacjowa oraz byliny (ślazowiec pensylwański, słonecznik bulwiasty)
i trawy wieloletnie (miskant, proso rózgowate, spartina preriowa, palczatka Gerarda, mozga
trzcinowata) można również zbierać jedno- lub dwuetapowo, ale wyłącznie w cyklu
jednorocznym (tab. 1).
Zbiór jednoetapowy polega na jednoczesnym ścinaniu roślin i rozdrabnianiu, najczęściej
przy zastosowaniu sieczkarni polowej, zarówno ciągnikowej, jak i samojezdnej. Logiczną
konsekwencją jest więc, że jest to równocześnie zbiór roślin w postaci zrębków (wierzba,
topola, krzewy) lub sieczki (trawy, byliny).
Zbiór dwuetapowy obejmuje dwie niezależne fazy, które są realizowane przez oddzielne
maszyny. W pierwszej fazie rośliny są ścinane, a w drugiej rozdrabniane. Wyróżnienie tych
faz wynika z racji formy surowca lub produktu, jaki chcemy otrzymać. Między tymi fazami
może występować kilka operacji, zależnie od rodzaju rośliny i formy ściętego materiału. W
przypadku roślin krótkiej rotacji w zbiorze dwuetapowym dominuje zbiór w postaci całych
roślin, a następnie po wysuszeniu materiału - jego rozdrabnianie w warunkach
stacjonarnych. Rośliny trawiaste i byliny, po ich ścięciu, są zbierane prasami lub
przyczepami zbierającymi. A zatem zbiór roślin trawiastych lub bylin można przeprowadzić
za pomocą maszyn powszechnie stosowanych do zbioru zielonek, siana lub słomy.
Wierzbę w polskich warunkach klimatycznych najlepiej zbierać od połowy listopada do
połowy marca, ale nie zawsze warunki pogodowe pozwalają na zakończenie zbioru w tym
okresie. W tym czasie wilgotność materiału roślinnego wynosi około 45-55%, w zależności
od odmiany, regionu i warunków pogodowych. W dobrych warunkach klimatycznych,
glebowych i przy dobrym nawożeniu niektóre odmiany jednorocznych roślin krótkiej rotacji
osiągają plon 20 ts.m.·ha-1. Zazwyczaj plon tych roślin zawiera się w przedziale 8-12 ts.m.·ha-1.
Zbiór wierzby w kolejnych latach może się odbywać różnymi technikami. Właściwe
odcięcie już dojrzałego pędu od karpy jest bardzo ważną czynnością, decydującą o jej
żywotności. Pędy powinny być ścinane na wysokość 50-100 mm nad powierzchnią gleby tak,
aby miały widoczne dwa a w ostateczności jeden uśpiony pąk. Odcięcie powinno być
5
wykonane typowo ostrym narzędziem takim jak nożyce oraz szybkoobrotowa piła. Praca
sekatorami nożycowymi jest jednak bardzo mało wydajna i ta technika zbioru może być
stosowana na szczególnie małych plantacjach zbieranych w cyklu jednorocznym (Dubas,
Tomczyk 2005). Przy bardzo rozłożystych pędach potrzebna jest niekiedy dodatkowa osoba,
poza operatorem, do ich nachylania i odbierania ściętych łodyg. Na podstawie wyników
badań Kwaśniewski i in. (2006, 2008) stwierdzili, że podczas ścinania piłą łańcuchową,
lepszą wydajność (0,024 ha·h-1) osiąga się przy zatrudnieniu dwóch pomocników, niż
jednego (0,016 ha·h-1). Osiągnięta w takich warunkach pracy wydajność była znacznie
mniejsza od zbioru zmechanizowanego (0,7 ha·h-1), ale autorzy badań wskazują, że czas
dysponowany do zbioru roślin jest dość długi. Należy jednak zwrócić uwagę na zagrożenia
związane z tą techniką zbioru i ze względów bezpieczeństwa nie może być ona zalecana.
Tabela 1. Technologie zbioru roślin energetycznych i maszyny robocze
Sposób zbioru
Cykl:
1–roczny
Jedno–
etapowo
Cykl:
2–5–letni
Drzewa krótkiej rotacji (topola,
wierzba) i krzewy (róża
wielokwiatowa, robinia akacjowa,
wierzba)
Wierzba, krzewy: sieczkarnie
ciągnikowe zawieszane,
przyczepiane lub samojezdne z
przystawką do zbioru kukurydzy,
najlepiej bezrzędową (Kemper,
Krone).
Wierzba: sieczkarnie ciągnikowe
przyczepiane lub samojezdne ze
specjalną przystawką.
Trawy (miskant, proso rózgowate,
spartina preriowa, mozga
trzcinowata, palczatka Gerarda) i
byliny (ślazowiec, słonecznik
bulwiasty)
Sieczkarnie ciągnikowe
zawieszane, przyczepiane lub
samojezdne z przystawką do
zbioru kukurydzy, rzędową lub
bezrzędową.
Przyczepy objętościowe
Przyczepy objętościowe ciągnikowe
ciągnikowe lub samochody
lub samochody ciężarowe
ciężarowe
Sekatory,
Wykaszarki spalinowe,
Kosiarki rotacyjne (z
Ścinanie; cykl Kosiarki ciągnikowe z piłą tarczową,
kondycjonerem), ciągnikowe lub
1–roczny
Maszyny specjalne ścinające i
samojezdne.
wiążące lub pryzmujące,
Maszyny ścinająco–prasujące.
Transport
Ścinanie; cykl Wierzba: jak dla cyklu 1-rocznego,
2–5–letni
plus pilarki spalinowe.
Topola: maszyny leśne; ścinacze
Ścinanie; cykl
grupujące (≤ Ø 150 mm),
5–30–letni
harwestery (> Ø 150 mm).
Dwu–
etapowo
Prasy zwijające, tłokowe
wielkogabarytowe,
Przyczepy zbierające.
Prasowanie /
zbiór
Załadunek i
rozładunek
Transport
Rozdrabnianie
Ręczny,
Ładowarki czołowe lub
chwytakowe,
Forwordery lub skidery
chwytakowe.
Przyczepy ciągnikowe lub
samochody,
Przyczepy leśne.
Przyczepy ciągnikowe lub
samochody,
Przyczepy samozaładowcze.
Rębaki do drewna,
Urządzenia zrębkujące.
Szarpacze do słomy,
Rozdrabniacze nożowe.
Źródło: Lisowski i in. 2010
6
Ładowarki czołowe lub
chwytakowe do bel.
Ponadto planując zbiór należy również uwzględnić możliwość wystąpienia niekorzystnych
warunków pogodowych, np. jesienne i wiosenne roztopy, zalegająca okrywa śnieżna itp.,
które mogą mieć wpływ na wydajność zbioru ręcznego. Rzeczywisty czas dyspozycyjny do
zbioru wierzby i innych roślin energetycznych może być znacznie krótszy niż teoretycznie
dysponowany od połowy października do połowy marca. Przy zwiększających się kosztach
pracy zbiór ręczny będzie wypierany przez zbiór mechaniczny. Zastosowanie kombajnów
zielonkowych lub specjalnych maszyn, pozwala na uzyskanie wydajności 3-4 ha dziennie
(Dreszer i in. 2003).
Spośród roślin energetycznych wierzba krzewiasta może być zbierana z zastosowaniem
najbardziej zróżnicowanych technologii (rys. 1). Wierzba jednoroczna może być zbierana z
wykorzystaniem standardowych maszyn, które stosuje się do zbioru kukurydzy. Jeśli zbiór
odbywa się w cyklach 1-, 2- lub 3-letnich to rośliny wierzby mogą być zbierane w postaci
całych pędów lub rozdrabniane sieczkarniami polowymi, wyposażonymi w specjalną
przystawkę.
Przy dłuższych cyklach rotacji zbioru pędy roślin są grubsze i charakteryzują się bardziej
jednorodną jakością drewna dzięki mniejszej zawartości młodej kory i cienkich części roślin.
Zbiór roślin o większej średnicy pędów wymaga jednak zastosowania maszyn bardziej
wytrzymałych i jednostek energetycznych o większej mocy. W przypadku zbioru całych roślin
potrzebne jest również zastosowanie środków transportowych z dłuższymi skrzyniami
ładunkowymi oraz zaplanowanie większych szerokości uwroci na plantacjach pól.
Drzewa krótkiej rotacji
Zbiór
jednoetapowy
Zbiór na zrębki
do 50 mm
Zbiór
dwuetapowy
Zbiór na kawałki
100–150 mm
Wentylacja
naturalna
Ścinanie i pozostawienie na polu
Luzem na Luzem w
W
W
pokosie pryzmach wiązkach belach
Wentylacja
wymuszona w
gospodarstwie
Wentylacja
wymuszona
pryzmy w
gospodarstwie
Transport
zrębków
do zakładu
Transport
zrębków
do zakładu
Transport
kawałków
do zakładu
Transport
kawałków
do zakładu
Suszenie
termiczne
Przechowywanie
Rozdrabnianie
lub mielenie
Rozdrabnianie
lub mielenie
Rozdrabnianie do zrębków
Konwersja
natychmiastowa
Konwersja
w ciągu 2
miesięcy
Konwersja
w ciągu 2–
5 miesięcy
Konwersja
po 6
miesiącach
Konwersja po 6 miesiącach
Załadunek i transport
łodyg luzem, wiązek lub bel
Wentylacja naturalna pryzmy
Rys. 1. Technologie zbioru drzew w krótkiej rotacji o średnicy pędów poniżej 100 mm
Źródło: Lisowski i in. 2010.
Według skandynawskich doświadczeń zbiór wierzby w cyklach 3-5-letnich jest najbardziej
uzasadniony ekonomicznie (Mola-Yudego, Pelkonen 2008), a topoli 5-7 lat, a nawet co 20-30
lat (Molas 2008). W trzecim roku pędy wierzby osiągają wysokość 6-8 m i średnicę do 80100 mm. Wierzba o średnicy powyżej 100 mm powinna być zbierana z wykorzystaniem
7
technik stosowanych w leśnictwie. W trzyletnim cyklu zbioru plon może być bardzo wysoki i
zawierać się w zakresie 60–120 t·ha-1 wilgotnego materiału (przy średniej wilgotności około
46%).
Pędy jednorocznej wierzby mogą być zbierane również w całości luzem lub wiązane w
wiązki bądź belowane z wykorzystaniem specjalnej prasy zwijającej wyposażonej w tarczowy
zespół ścinający i bijakowy zespół rozdrabniający (Lavoie i in. 2008) lub tylko w młotkowy
zespół ścinająco-rozdrabniający (Schroeder i in. 2008).
Ze zbiorem jednoetapowym związane są również wady, m.in. bardzo wysokie koszty
początkowe i wynikające z ceny zakupu wysokie koszty odpisów amortyzacyjnych,
konieczność zakładania i prowadzenia plantacji zgodnie z wymogami zbioru kombajnowego,
konieczność zakładania dużych, zblokowanych plantacji, które mogą zmniejszyć koszty
transportu kombajnu na duże odległości. Zrębkowanie wilgotnej masy wyklucza możliwość
jej naturalnego przechowywania, stąd tak pozyskana biomasa musi być niezwłocznie
spalona lub suszona, co znacznie podnosi cenę za jednostkę uzyskanej energii (Pasyniuk
2007). Stosowanie ciężkich maszyn stwarza zagrożenie znacznego ugniatania gleby, które
przyczynią się do niszczenia struktury i późniejszej erozji gleby. Należy temu przeciwdziałać
stosując gąsienicowe układy jezdne lub opony niskociśnieniowe bądź podwójne lub potrójne
osie w układach jezdnych, zwłaszcza w przyczepach i maszynach przyczepianych.
Dotychczasowe doświadczenia jak i specyfika polskiego rolnictwa wskazują, że powstają
i będą powstawać rozproszone plantacje o powierzchni od kilku do 20 ha. Oznacza to
konieczność wdrożenia maszyn, które będą dostępne dla właścicieli małych plantacji,
pozwolą na terminowe i jakościowo właściwe wykonywanie wszystkich zabiegów
agrotechnicznych a dość niski stopień ich wykorzystania nie wpłynie znacząco na koszty
produkcji biopaliwa stałego.
Wnioski wynikające z dotychczas przeprowadzonych badań są zróżnicowane i trudno
jest jednoznacznie wskazać i zalecić do stosowania określoną technologię zbioru. Podobnie,
jak w przypadku zbioru kukurydzy lub innych roślin zaleca się różne technologie w
zależności od wielkości uprawy, istniejących maszyn w gospodarstwie, prowadzenia innej
produkcji, dysponowanymi środkami transportowymi i innym zapleczem technicznym.
Ogólnie można stwierdzić, że technologia jednoetapowa jest zalecana na dużych
plantacjach, a dwuetapowa na małych. Doświadczenia krajów, w których uprawia się wierzbę
energetyczną (Australia, Brazylia, Dania, Finlandia, Irlandia, Kanada, Niemcy, Norwegia,
Szwecja, USA, Wielka Brytania, Włochy) są zróżnicowane a zalecenia w odniesieniu do
sposobu zbioru roślin energetycznych są wypadkową wielu czynników, które powinny być
uwzględnione również w polskich warunkach klimatycznych.
Do zbioru roślin trawiastych i bylin można zaproponować te same techniki jak dla roślin
zielonych nisko- i wysokołodygowych z pnia lub materiałów słomiastych z pokosów. (tab. 1).
Zespoły ścinające maszyn zbierających powinny być ustawione na najmniejszej możliwej
wysokości koszenia, aby uniknąć strat, ale nie za niskiej, aby nie zbierać kamieni lub ziemi,
zanieczyszczającej materiał słomiasty. Niektóre maszyny firm Claas i Deutz-Fahr są
specjalnie adaptowane do ścinania roślin i ich wiązania. Aby zwiększyć efekty ekonomiczne
ścinanie roślin, prasowanie i logistyka muszą być jednak wciąż udoskonalane. Straty
materiału podczas zbioru roślin mogą osiągnąć nawet 50-60% (mozga trzcinowata), ze
względu na małą gęstość właściwą, zwłaszcza wówczas gdy materiał jest rozdrobniony na
sieczkę. Z powodu małej gęstości nasypowej transport materiału z niektórych roślin jest
ekonomicznie uzasadniony, tylko na małą odległość, mniejszą niż 80 km, a przy mniejszej
ładowności środków transportowych nawet do 40 km. Słoma luzem ma bowiem gęstość
nasypową 20-50 kg⋅m-3, a pocięta 40-60 kg⋅m-3, w zależności od wilgotności i rodzaju rośliny.
Zbieranie materiału słomiastego za pomocą pras wysokiego stopnia zgniotu lub zwijających
pozwala na dwukrotne zwiększenie jego gęstości w belach w zakresie 80-140 kg⋅m-3. Bele
prostopadłościenne mają bardziej optymalny kształt niż okrągłe i ze względów
ekonomicznych bardziej nadają się do transportu na większe odległości. Najlepszym
rozwiązaniem byłoby zbieranie słomy i jednoczesne formowanie w brykiety, których gęstość
może wynosić 800-1400 kg⋅m-3. Byłaby to technika i technologia na miarę zbioru zbóż za
pomocą kombajnów samojezdnych.
8
3.
Maszyny do zbioru wierzby
Wśród maszyn do zbioru wierzby można wyróżnić dwa podstawowe rodzaje rozwiązań:
do ścinania biomasy wraz z jej rozdrabnianiem na zrębki oraz zbioru całych roślin (rys. 2).
Jednoetapowy zbiór może być przeprowadzony za pomocą zmodyfikowanych maszyn, które
pierwotnie były stosowane do zbioru innych roślin, np. do zbioru kukurydzy lub trzciny
cukrowej. Modyfikacja dotyczy głównie przystawki ścinającej rośliny.
Zbiór całych pędów w cyklach jednorocznych wykonujemy z użyciem takich maszyn jak:
żniwiarki, wiązałki oraz specjalnie do tego celu skonstruowane maszyny zagregatowane z
ciągnikiem.
a
b
c
d
e
f
g
h
i
Rys. 2. Maszyny do zbioru wierzby:
a – kombajn Claas Jaguar z przystawką HS2, b – kombajn New Holland z przystawką firmy CRL,
c – samojezdna sieczkarnia Big X firmy Krone z przystawką Woodcut 1500 firmy HTM,
d – zawieszana sieczkarnia Bender 6WG z piłą łańcuchową firmy Salix Maskiner,
e – prototyp wiązałki Bundler firmy Salix Maskiner, f – prototyp maszyny ścinająco-prasującej New Holland,
g – prototyp przyczepianej kosiarki KWE-7 firmy Metaltech Sp. z o.o. (projekt PIMR),
h, i – prototyp sieczkarni półzawieszanej firmy SIPMA SA (koncepcja autorska,
realizacja w ramach projektu PBZ-MNiSW-1/3/2006)
Źródło: Opracowanie na postawie: (Spinelli 1999, Lechasseur i Savoie 2005, Lavoie i in. 2007,
Pasyniuk 2007, Lisowski i in. 2010)
9
W latach 90. XX wieku, gdy rozpoczęto uprawę roślin krótkiej rotacji na skalę
komercyjną, nie było odpowiednich maszyn do ich zbioru. Po pierwszych próbach
zastosowania ówczesnych maszyn, które były przeznaczone do zbioru innych roślin
rozpoczęto prace nad modyfikacjami maszyn lub prototypami, które spełnią wymagania
użytkowników. Pionierami były firmy skandynawskie oraz z Danii, Holandii, Wielkiej Brytanii,
Włoch, Niemiec, Australii i Kanady (tab. 2).
W 1993 roku szwedzka firma Salix Maskiner AB, będąca częścią Salixphere wykonała
dwa prototypy maszyn. Jedną z nich była maszyna przyczepiana do ciągnika Bundler
(rys. 2e), wyposażona w piłę łańcuchową i urządzenie wiążące. Na czas operacji odcinania
wiązki piłą tarczową agregat ciągnik-maszyna musiała się zatrzymać, co zmniejszało
wydajność zbioru. Drugą maszyną była sieczkarnia Bender 1 zawieszana na TUZ ciągnika,
wyposażonego w układ rewersyjny (rys. 2d).
Tabela 2. Charakterystyka maszyn do zbioru roślin energetycznych
Model
Kraj
pochodzenia
Rodzaj
Funkcja
Moc,
kW
Masa,
kg
Fröbbesta
Szwecja
przyczepiana, kosiarka
ścinanie i zbiór
70
3000
Nicholson
Irlandia
przyczepiana, kosiarka
ścinanie i wiązanie
65
3000
Dansalix
Dania
przyczepiana, kosiarka
ścinanie i zbiór
65
2000
Berni
Włochy
przyczepiana, kosiarka
ścinanie i zbiór
80
2000
Hvidsted
Dania
samojezdna, kosiarka
ścinanie i zbiór
80
6000
120
1250
179
12500
230
9400
301
11700
ścinanie i
zrębkowanie
samojezdna, kombajn do
ścinanie i
Austoft
Szwecja
trzciny cukrowej
zrębkowanie
Claas
samojezdna, kombajn
ścinanie i
Niemcy
Jaguar
zielonkowy
zrębkowanie
Wielka
samojezdna, kombajn
ścinanie i
JD/Kemper
Brytania
zielonkowy
zrębkowanie
Źródło: Gumeniuk 2006, Lechasseur i Savoie 2005, Lisowski i in. 2010, Spinelli 1999.
Bender
Szwecja
zawieszana, sieczkarnia
Maszyna przechodziła kolejne modyfikacje i obecnie jest dostępna wersja Bender 6WG.
Charakterystyczną cechą maszyn oferowanych przez tę firmę jest mechanizm ścinający
pędy w postaci piły łańcuchowej, prowadzonej na czterech rolkach. Zastosowanie piły
łańcuchowej pozwala na zmniejszenie masy maszyny i uproszczenie układu napędowego.
Pozytywną cechą stosowania piły łańcuchowej jest również to, że podczas zbioru wierzby w
warunkach zimowych, przy zalegającym śniegu, ilość jego wtrąceń do zbieranej biomasy, w
porównaniu do innych mechanizmów ścinających, jest minimalna. Mimo kolejnych
modyfikacji i udoskonaleń maszyna nie znajduje szerszego uznania wśród użytkowników.
Krytyczne uwagi o maszynie Bender przedstawiono z doświadczeń amerykańskich
(Abrahamson i in. 2008).
Początkowo samodzielnie firma Nordnic Biomass z Danii, a następnie we współpracy z
firmą Border Biofuels Ltd. z Wielkiej Brytanii wyprodukowała kilka generacji maszyn do
zbioru wierzby w formie całych łodyg. Początkowo były to proste maszyny przyczepiane do
ciągnika. Do drugiej i trzeciej generacji zakwalifikowano samojezdne maszyny, odpowiednio
HE ALL – ROUNDER i Mantis. Najnowszą maszyną czwartej generacji, oferowaną przez
Nordic Biomass, jest przyczepiana, model Stemster TR z 2006 roku. Zarówno samojezdna
maszyna Mantis, jak i przyczepiana Stemster TR charakteryzują się większą wydajnością od
podobnej pod względem technicznym i funkcjonalnym Empire 2000, zaprojektowanej przez
Segerslätt’a.
10
W skali międzynarodowej najbardziej rozpowszechniły się polowe sieczkarnie
samojezdne z przystawkami do zbioru wierzby. Na początku dekady lat 90. XX wieku
niemiecka firma Claas zaoferowała pierwszą przystawkę HS1 z dwiema piłami tarczowymi
do swojego kombajnu zielonkowego Claas Jaguar 695. W zależności od modelu sieczkarni
moc silnika może wynosić od 254 do 333 kW. Najnowsza przystawka HS2 z 2006 roku
współpracuje z kombajnem Claas Jaguar 900 (rys 1a). W 1998 roku firma Coppice
Resources Ltd. (CRL) z Wielkiej Brytanii, we współpracy z firmą Claas, opracowała nieco
inną przystawkę (rys. 2b). Najnowsze wersje przystawek CRL są dostosowane do sieczkarń
samojezdnych firm Claas, Case New Holland, John Deere, Krone i są bardziej
rozpowszechnione niż HS2, zwłaszcza na rynkach Ameryki Północnej. W ostatnim czasie
firmy globalne oferują oryginalne rozwiązania konstrukcyjne przystawek ścinających,
dostosowanych do własnych sieczkarń samojezdnych.
Przystawka HS2 jest wyposażona w dwie piły tarczowe z zębami tnącymi z węglików
spiekanych. Materiał jest rozdrabniany przez standardowy, bębnowy zespół tnący sieczkarni
Jaguar na zrębki o wymaganej długości do 60 mm. Długość cięcia jest modyfikowana
poprzez zmniejszenie liczby noży w bębnie. Przy maksymalnej liczbie noży długość cięcia
wynosi od 4 do 17 mm, a po zmniejszeniu od 8 do 32 mm. Maksymalna średnica łodygi
wierzby, która może być ścinana i rozdrabniana wynosi 70 mm. W zależności od warunków
pracy, rodzaju pola i średnicy łodyg maksymalna wydajność maszyny wynosi 70 t·h-1.
Przystawką HS2 można zbierać jednocześnie dwa bliźniacze rzędy roślin między którymi
powinna być zachowana odległość 0,75 m, a między kolejnymi parami rzędów – 1,5 m. To
właśnie te wymagania czasami uniemożliwiają bezpośrednie zastosowanie kombajnu Jaguar
z przystawką HS2 do zbioru wierzby, której plantację założono bez uwzględnienia
ograniczeń wynikających z konstrukcji maszyny przewidzianej do późniejszego zbioru roślin.
Prace nad przystosowaniem sieczkarń lub kosiarek do zbioru wierzby prowadzą również
inne firmy.
Firma New Holland do sieczkarni samojezdnej model FR9000 oferuje przystawkę 130 FB
SCR Woody Crop Header do zbioru zielonek i roślin energetycznych. Poszczególne modele
serii FR9000 mogą dysponować silnikami o mocy od 312 do 606 kW. Dwurzędowa
przystawka do zbioru drzewiastych roślin energetycznych o wysokości 5–6 m i ich średnicy
pnia 70–80 mm jest wyposażona w dwie piły tarczowe napędzane hydraulicznie.
Rozwiązania techniczne bębna rozdrabniającego pozwalają na uzyskanie zrębków o
wymiarach 10-45 mm. Przy prędkości roboczej 6–7 km⋅h-1 wydajność zbioru wynosi 2 ha⋅h-1.
W 2006 roku firma Krone do swojej kosiarki Krone BIG X V8 zaoferowała przystawkę
Woodcut 750, wyposażoną w dwie piły tarczowe o średnicy 750 mm każda, a w 2007 roku
Woodcut 1500 (rys. 2c) z jedną piłą tarczową o średnicy 1500 mm, pozwalającą na ścianie
drzew (wierzba, topola, robinia akacjowa) o średnicy do 150 mm. Średnica cięcia tarczy ma
duże znaczenie jeśli chcemy zbierać z plantacji topolę lub robinię akacjową, gdzie średnica
tych drzew w części odziomkowej przekracza niekiedy 100 mm (Kraszkiewicz 2010).
Przystawki opracowano w kooperacji z firmami Huttmann GmbH i HTM Häckseltechnik, które
specjalizują się w projektowaniu i produkcji maszyn do zbioru i przetwarzania roślin
energetycznych. Sieczkarnie BigX są wyposażone w silniki o mocy od 375 do 750 kW, co
umożliwia dobór maszyny do różnych warunków polowych i uzyskanie dużych osiągów
sieczkarni. W standardowej wersji bęben o szerokości 800 mm i średnicy 600 mm jest
wyposażony w 20 noży ułożonych w kształt litery V, z możliwością ich zwiększenia do 28 lub
40. Piła tarczowa jest podzielona na segmenty i w przypadku uszkodzenia zębów wymienia
się tylko element uszkodzony a nie całą tarczę, co zmniejsza koszty eksploatacji maszyny.
Prędkość robocza sieczkarni wynosi 6-8 km⋅h-1, a wydajność uzależniona jest od plonu
biomasy i osiąga 250 m3⋅h-1.
Inną maszyną stosowaną do zbioru wierzby jest Austoft 7700 (Australia), która w
podstawowej wersji jest projektowana do zbioru trzciny cukrowej. Jej modyfikacja polegała
na zastosowaniu pił tarczowych o średnicy 600 mm, zamiast tarcz nożowych z 5 nożykami
oraz usunięciu zespołu ścinającego zielone wierzchołki trzciny cukrowej i przeprojektowaniu
kanału wyrzutowego, który w oryginalnym rozwiązaniu jest wyposażony w dmuchawę do
usuwania liści trzciny cukrowej. Jest to maszyna samojezdna o masie około 12,5 t,
11
wyposażona w gąsienicowy układ jezdny, co zmniejsza ugniatanie gleby (Austoft A7700 ma
kołowy układ jezdny). Wydajność zbioru wierzby z wykorzystaniem kombajnu Austoft 7700
jest podobna jak Claas Jaguar (Pellerin i in. 1999). W innych badaniach Spinelli i Kofman
(1996) stwierdzili pewne problemy z blokowaniem ściętego materiału, nierównomierną
wysokość ścinania, uszkodzenia karp i słabą jakość zrębków, która odnosiła się głównie do
dużej nierównomierności rozkładu wymiarów cząstek.
Dwuetapowy zbiór z możliwością naturalnego dosuszania można przeprowadzić z
zastosowaniem specjalnej maszyny ścinająco-prasującej, która ścina, rozdrabnia i zwija
materiał w bele w kształcie walca (Lavoie i in. 2007). Zmodyfikowana prasa (rys. 2f) może
być również dostępna w technologii zbioru znacznie tańszej niż rozdrabnianie za pomocą
sieczkarni zbierającej, dlatego może być bardziej dostępna na małych farmach lub przy
wspólnym użytkowaniu w mniejszej skali. Maszyna może być stosowana do zbioru krzewów
jednorocznych lub bylin i traw wieloletnich (Felker i in. 1999). W 2007 roku w maszynie
ścinająco-prasującej wprowadzono kolejną modyfikację, która polegała na zdemontowaniu
czterech pił tarczowych i zainstalowaniu nowego zespołu ścinającego z wirnikiem bijakowym
(Schroeder i in. 2008). Z dotychczasowych doświadczeń wynika, że w przypadku zbioru
wierzby krzewiastej zespołem młotkowym (wirnik ze sztywno zamocowanymi zębami)
szybkość odrostów może być mniejsza (Stuart 1994). Prace badawczo-rozwojowe nad
prototypem maszyny ścinająco-prasującej doprowadziły do opracowania i wykonania
nowego modelu Biobaler WB-55. Maszyna waży 6070 kg i do jej napędu jest potrzebny
ciągnik o mocy silnika co najmniej 133 kW, z czteroma wyjściami zaworów przyłączeniowych
hydrauliki zewnętrznej, a prędkość kątowa wału odbioru mocy ciągnika powinna wynosić
105 s-1. Maszyna opcjonalnie może być wyposażona w dwie piły tarczowe o średnicy
750 mm każda. Maszyna jest wyposażona w wirnik młotkowy o szerokości roboczej 2,2 m –
ze sztywnie zainstalowanymi elementami roboczymi, który można również nazwać frezem
walcowym, chociaż najlepiej jego funkcje oddaje angielska nazwa – mulching header.
Maszyną można zbierać różne rośliny, ale jej zasadniczym zastosowaniem jest ścinanie
drzew lub krzewów o średnicy łodygi do 100 mm i wysokości do 8 m. Szerokość formowanej
beli wynosi 1,2 m i średnica przy stałej komorze prasującej wynosi również 1,2 m. Komora
prasująca jest wyposażona w walce zagęszczające i przenośniki łańcuchowe do rolowania
materiału rozdrobnionego. Owijanie beli odbywa się w taki sam sposób jak w typowych
prasach zwijających, najczęściej z wykorzystaniem siatki. Proces owijania jest realizowany
na postoju, co wpływa na zmniejszenie wydajności operacyjnej zbioru. Ponieważ wirnik
młotkowy frezuje łodygę, to uwzględniając jej włóknistą budowę, podczas ścinania dochodzi
do rozrywania i rozszarpywania karpy, zwłaszcza w obszarze kory. Pozostawiona karpa w
takim stanie będzie ulegać szybkim procesom gnilnym i dlatego maszyna z tego typu
zespołem ścinającym nie może być zalecana na plantacje uprawowe. Nadaje się ona
natomiast do ścinania nieużytków lub dziko rosnących krzewów i drzew, gdyż jest specjalnie
zaprojektowana do zbioru biomasy roślinnej i leśnej rosnącej w trudnych warunkach
terenowych.
Pozostałe modele maszyn, specjalnie projektowanych do zbioru wierzby lub modyfikacje
wykonane często przez samych użytkowników albo kończyły funkcjonowanie na próbach
prototypu albo są wykorzystywane w ograniczonym zakresie, bez ich upowszechnienia.
Podobne działania można zaobserwować na polskim rynku maszyn do zbioru wierzby.
Występuje zatem charakterystyczna, początkowa faza rozwoju tych maszyn. Poza wcześniej
wymienionymi narzędziami ręcznymi, do zbioru wierzby są stosowane maszyny adaptowane,
przystosowane przez użytkowników, konstrukcje własne, a także są dostępne maszyny
proste wykonane przez małe firmy. Takie maszyny są tanie, cechują się bardzo prostą
konstrukcją, ale nie spełniają nawet najmniejszych wymagań bezpieczeństwa i z tego
względu nie mogą być polecane. Wręcz przeciwnie, nie powinny znaleźć się w ofercie
rynkowej.
Do profesjonalnie wykonanych prototypów maszyn do zbioru wierzby można obecnie
zaliczyć trzy modele. W 2008 roku pracownicy PIMR w Poznaniu opracowali i skonstruowali
maszynę do koszenia i automatycznego wiązania wikliny plecionkarskiej oraz kosiarkę
przyczepianą KWE-7 (rys. 2g), pracującą na tej samej zasadzie jak model Stemster TR firmy
12
Nordic Biomass. W 2009 roku, na podstawie koncepcji pracowników Katedry Maszyn
Rolniczych i Leśnych SGGW w Warszawie, firma SIPMA SA opracowała dokumentację
techniczną i wykonała prototyp sieczkarni półzawieszanej (rys. 2h, i).
Kosiarka wierzby energetycznej KWE-7, wykonana przez Zakład Mechaniczny
„Metaltech” Sp. z o.o. w Mirosławcu, jest przeznaczona do ścinania całych pędów wierzby
energetycznej i układania odciętych łodyg na skrzyni maszyny. Do ścinania pędów roślin na
wysokości około 0,15 m nad podłożem są stosowane dwie piły tarczowe. Odcięte łodygi są
zabierane dwoma przenośnikami ustawionymi w kształcie litery V, które pełnią również rolę
rozdzielaczy. Zgromadzone w środkowym obszarze rozdzielacza łodygi są transportowane
kolejną parą przenośników zabierakowych na skrzynię ładunkową, wyposażoną w specjalny
układ przenośników łańcuchowych. Przenośniki łańcuchowe, przesuwające się prostopadle
do kierunku ruchu maszyny, zagęszczają ścięte łodygi w obszarze lewego boku skrzyni. Po
napełnieniu skrzyni, jej zawartość może być rozładowana w dowolnym miejscu pola lub na
podstawioną przyczepę. Następuje to po odchyleniu lewej ściany skrzyni siłownikami
hydraulicznymi oraz uruchomieniu przenośnika łańcuchowego z zabierakami w kształcie
trójkątów. Maszyna o masie 8430 kg ma wytrzymałą konstrukcję, wspartą na układzie
tandem. Zespoły robocze maszyny są sterowane przez autonomiczny układu hydrauliczny.
Funkcjonowanie mechanizmów i zespołów roboczych jest kontrolowane przez układ
elektroniczny, a sterowanie odbywa się z kabiny operatora ciągnika o mocy silnika co
najmniej 105 kW. Maksymalna średnica zbieranych pędów wierzby może wynosić 70 mm, a
wysokość 7 m. Długość skrzyni wynosi 4,5 m, pojemność 18 m3, a ładowność około 7 t.
Sieczkarnia ciągnikowa (rys. 2h, i), wykonana w ramach projektu badawczego
zamawianego PBZ-MNiSW-1/3/2006 została zaprojektowana po przeprowadzeniu
szczegółowej analizy maszyn specjalnie skonstruowanych do zbioru roślin energetycznych
lub maszyn zmodyfikowanych, których pierwotnym przeznaczeniem był zbiór roślin
wysokołodygowych. Wnioski z tej analizy oraz założenia przyjęte przez autorów
(Nowakowski i in. 2008) stanowiły podstawę do zaprojektowania własnej konstrukcji
maszyny, na którą złożono zastrzeżenie patentowe P 385 536 (Lisowski i in. 2008). Do
położenia transportowego maszyna jest składana za ciągnik, aby zmniejszyć szerokość i
spełnić wymagania przepisów ruchu drogowego. W tym położeniu maszyna jest zawieszana
na TUZ ciągnika (rys. 2i). W położeniu roboczym część maszyny spoczywa na zewnętrznym
kole jezdnym, a drugie z kół jest podniesione, aby uniknąć przesztywnienia układu.
Na części ramy zamocowanej do ciągnika umieszczono zbiornik z olejem hydraulicznym,
przekładnię kątową przekazującą napęd z WOM ciągnika na bęben z nożami i na pompę
hydrauliczną zasilającą przez rozdzielacz elektrohydrauliczny silniki i siłowniki hydrauliczne.
W drugiej części ramy, wspartej na kołach, znajduje się bębnowy zespół tnący. Pocięte
łodygi są kierowane przez kanał wyrzutowy do skrzyni środka transportowego. Kierunek
wyrzutu materiału ustala się przez obrót kanału wyrzutowego za pomocą silnika
hydraulicznego, a jego zasięg - przez odpowiednie pochylenie kierownicy zainstalowanej na
końcu kanału.
Podawany do cięcia materiał jest zagęszczany i utrzymywany podczas cięcia przez
zębate walce wciągająco-zgniatające. Siłę docisku reguluje się przez zmianę napięcia
wstępnego sprężyn. Do korpusu zespołu walców są przegubowo zawieszone wymienne
przystawki ścinające. Przystawki są odciążane sprężynami śrubowymi o regulowanym
napięciu wstępnym. Wysokość ścinania roślin jest regulowana bezstopniowo dwoma
symetrycznie rozmieszczonymi pod zespołem, siłownikami nurnikowymi.
Przystawkę ścinającą z zespołami zabierającym i podnosząco-podającym
zaprojektowano w dwóch wersjach (rys. 3). W jednym z rozwiązań w zespole podającym
zastosowano obrotowe zabieraki palcowe (rys. 3a), a w drugim - pionowe walce ślimakowe
(rys. 3b). W obu przypadkach do napędu pił tarczowych i walców z zabierakami palcowymi
lub zwojami ślimaków zastosowano silniki hydrauliczne. Wały pił tarczowych są napędzane
szybkoobrotowymi silnikami hydraulicznymi o maksymalnej prędkości obrotowej około
4000 obr.·min-1, co przy średnicy tarczy 0,5 m (opcjonalnie średnica pił może wynosić
650 mm) pozwala na uzyskanie prędkości obwodowej cięcia 100 m·s-1. Taka wartość
prędkości wynika z konieczności uzyskania gładkiej powierzchni cięcia oraz zmniejsza
13
ryzyko rozerwania łyka pod korą, co mogłoby przyczyniać się do procesów gnilnych karp.
Dlatego w maszynach do zbioru wierzby krzewiastej stosowane są prędkości obwodowe pił
tarczowych 63-118 m·s-1 (Lechasseur i Savoie 2005, Lisowski 2009). Walce z elementami
zabierakowymi są napędzane wolnoobrotowymi silnikami hydraulicznymi przez przekładnie
zębate zmniejszające prędkość obrotową do 38 obr.·min-1. Przy średnicy zewnętrznej
zabieraków 0,5 m, końcówki palców osiągają prędkość obwodową 1 m·s-1. Stosunek
prędkości obwodowych zabierania materiału do ścinania roślin jest bardzo duży i wynosi
1:100. Takie parametry prędkości obwodowych można uzyskać przy nominalnych
prędkościach obrotowych silników hydraulicznych. Ponieważ prędkość jazdy agregatu
ciągnik-maszyna może być zmieniana w zależności od warunków polowych, przeto
zastosowanie silnika hydraulicznego, sterowanego rozdzielaczem elektrohydraulicznym,
pozwala na dobranie optymalnej prędkości obrotowej tak, aby prędkość obwodowa była co
najmniej większa od prędkości ruchu ciągnika. Nadwyżka tej prędkości w zakresie 10-30%,
określana współczynnikiem kinematycznym, zapewnia prawidłowe zabieranie ściętych
pędów roślin.
Zastosowanie elementu nachylającego, sterowanego hydraulicznie, pozwala na ścinanie
roślin przez piły tarczowe w chwili, gdy są one zgięte. Nagromadzona energia w nachylonej
łodydze jest wykorzystana po jej ścięciu do skierowania części odziomkowej pędu do
kolejnego zespołu walców wciągająco-zagęszczających.
Pozostałe zespoły robocze maszyny są podobne do tych, jakie spotyka się w
sieczkarniach do zbioru roślin nisko- i wysokołodygowych na kiszonkę.
Zgodnie z założeniami maszyna jest wyposażona w zespół bezrzędowy, z możliwością
regulacji rozstawu rozdzielaczy tak, aby możliwe było ścinanie pojedynczych rzędów o
spotykanej w Polsce szerokości międzyrzędzi 0,7-0,8 m (Nowakowski i in. 2008) lub rzędów
bliźniaczych o rozstawie 0,75 m. Prędkość ruchu agregatu ciągnik-maszyna jest uzależniona
od warunków polowych, ale maksymalna nie przekracza zalecanej 8 km·h-1 (Lechasseur,
Savoie 2005). Wysokość cięcia roślin 100 mm nad powierzchnią gruntu odpowiada
zakresowi spotykanemu w dotychczasowych rozwiązaniach (50-100 mm, Szczukowski i in.
2006). Maszyna bazowa jest wyposażona w bębnowy zespół rozdrabniający, pozwalający na
cięcie łodyg o średnicy do 70 mm na zrębki o wymiarze 20-60 mm (wg normy PN-91/D95009).
b
a
Rys. 3. Przystawki ścinające:
a) z zabierakami palcami,
b) z walcami spiralnymi
Źródło: Lisowski i in. 2010.
14
Wstępne badania maszyny pozwoliły na wyznaczenie całkowitej mocy pobieranej z WOM
ciągnika przez maszynę na biegu jałowym, która wynosiła około 19 kW. Największe
zapotrzebowanie na moc mają piły tarczowe (10 kW) i pompa hydrauliczna (4,5 kW), co
stanowi 3/4 całkowitej mocy biegu jałowego. Pobór mocy przez każdy z pozostałych
zespołów (rozdzielacze aktywne, zabieraki palcowe, zespół walców, bęben rozdrabniający)
wynosił od 1,0 do 1,5 kW.
Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów wyznaczono moc silników ciągników,
które mogą być zastosowane do współpracy z sieczkarniami polowymi do zbioru roślin
energetycznych. Przy natężeniu strumienia materiału roślinnego 2,5 kg·s-1 sieczkarnia
polowa z piłami tarczowymi wymaga zastosowania ciągnika z silnikiem o mocy co najmniej
127 kW podczas zbioru ślazowca pensylwańskiego o wilgotności 21%, 116 kW – miskanta
olbrzymiego (33%), 107 kW – słonecznika bulwiastego (topinamburu, 16%), 101 kW –
spartiny preriowej (37%), 98 kW – wierzby wiciowej (47%), 94 kW – rdestowca
pensylwańskiego (66%),90 kW – róży wielokwiatowej (41%).
Podczas zbioru wierzby stosuje się dość małe prędkości jazdy, które wpływają na
wydajność oraz z uwagi na dyspozycyjny czas w sezonie docelowo decydują o
możliwościach doboru maszyn i technologii do powierzchni plantacji. Na podstawie
uzyskanych wyników badań Spinelli (2001) oszacował prędkości jazdy stosowane podczas
zbioru wierzby o gęstości łanu 3,9 kg·m–1. Kombajn Claas z przystawką CRL pracował ze
średnią prędkością 1,16 m·s–1, a z przystawką HS1 – 1,51 m·s–1, przy dość znacznym
rozrzucie 0,83-2,22 m·s–1. Kombajny Austoft i Bender MkIII pracowały przy podobnych
prędkościami jazdy, odpowiednio 1,02 i 1,03 m·s–1.
Na podstawie przeprowadzonej analizy rozwiązań technicznych maszyn i technologii
zestawiono parametry robocze i wskazano minimalną powierzchnię do zbioru wierzby
energetycznej w cyklu 3-5 letnim lub innych roślin krótkiej rotacji o podobnych wymiarach
(tab. 3).
W tabeli 4 zestawiono parametry techniczne maszyn do zbioru roślin wierzby wraz z
ich rozdrabnianiem, a w tabeli 5 parametry techniczne do zbioru całych pędów wierzby.
Tabela 3. Minimalna powierzchnia wykorzystania maszyn i narzędzi do zbioru drzew w
krótkiej rotacji, np. wierzby wiciowej
Maszyny i urządzenia do uprawy, zbioru i obróbki
roślin energetycznych
Wykaszarki spalinowe, pilarki łańcuchowe
Parametry
robocze (liczba
rzędów,
wydajność)
-
2–3
1
0,1–0,15 ha·h
25–40
1
1–rzędowe
40–50
3
2–rzędowe
90
5
–1
250
70
–1
350
100
90
35
120
50
–1
Kosiarki z piłą tarczową
Minimalna
Moc
powierzchnia
ciągnika /
silnika,
wykorzystania w
–1
kW
roku, ha·a
Sieczkarnie do kukurydzy, ciągnikowe
0,35–0,60 ha·h
Sieczkarnie samojezdne z przystawkami do wierzby
0,45–0,75 ha·h
Maszyny ciągnikowe do zbioru wierzby
Przyczepy objętościowe do transportu zrębków
5
Źródło: Opracowanie własne na podstawie Muzalewskiego (2008).
15
Tabela 4. Dane techniczne maszyn do zbioru wierzby w postaci zrębków
1-rzędowa
2-rzędowa
HS-2
Woodcut 750 Mähhacker
7700 Bezrzędowa
Mähhacker
Claas KG HTM GmbH Uni Göttingen
Schmidt
mbH
Austoft SIPMA SA
Soltau
ATB Potsdam Gehölzmähh
Harsewinkel
äcksler
mała seria
prototyp
prototyp
prototyp
seryjny
prototyp
Typ przystawki
Producent
Rozwój
Masa, kg
Baza maszyny
Moc, kW
Masa bazy, kg
1300
ClaasHäcksler
Jaguar
245
2000
KroneHäcksler BIG
X
360
1200
2300
-
2230
ciągnik
ciągnik
samojez
dna
ciągnik
80
133
176-250
118
10800
13500
4000
12500
5000
2
2
1
2
2
2
650
560
560
500
500/650
105
105
Liczba pił
Średnica piły, mm
500
Prędkość
kątowa
-1
piły, s
Rozstaw rzędów, m 0,75 + ≥1,5
Średnica łodygi,
<70
mm
Średni wymiar
5-40
zrębków (x50), mm
Wydajność -1
≤35
efektywna, t·h
Wydajność
-1
0,4-2,2
efektywna, ha·h
Cena, €
100 000
400
0,75 + ≥1,5
≥0,9
-
<70
<120
<120
0,75 +
≥1,4
<70
5-30
50-100
50-100
20-60
20-60
≤35
≤15
-
≤35
0,4-2,2
0,2-1,0
-
-
30 000
-
10-25
0,250,62
175 000
0,75
<70
0,2-0,4
-
Źródło: Lisowski i in. 2010.
Tabela 5. Dane techniczne i eksploatacyjne maszyn do zbioru całych pędów wierzby
KosiarkoSeegerslätt
KWE-7
TJ 720
Empire 2000 wiązałka
Zakłady
Zakład
Sten
Bo Franzen,
Tommy
Mechaniczny Mechaniczne Timberjack
Seegerslätt,
Producent
Kolsa/
Ericsson,
Wikoma w „METALTECH /Finlandia
Szwecja Heby/Szwecja Billeberga/
Zbąszyniu/
” Sp. z o.o./
Szwecja
Polska
Polska
Masa, kg
3100
7300
9800
1450
8430
340
harvester
Baza maszyny
ciągnik
samojezdna samojezdna
ciągnik
ciągnik
grupujący
Moc, kW
80
74
140
35
105
61
Ładowność, kg
7000
nożycowoLiczba pił
2
2
2
2
palcowy
Średnica piły, mm
650
600
750
1,2
m
–
szer.
Rozstaw rzędów, m 0,75 + ≥1,5 0,75 + ≥1,25 0,75 + ≥1,25
0,75-1,0
rob.
Średnica łodygi, mm
<80
<80
<80
<70
<200
-1
Plon, t·ha
44,2
59,9
46
-1
Prędkość, km·h
2,8
2,5
8,9
3-5
Wydajność -1
20
31,5
26
3-4
efektywna, t·h
Wydajność
-1
0,45
0,35
0,77
0,5
0,3
0,07-0,1
efektywna, ha·h
Fröbbesta
92
Typ
-1
Koszt zbioru, €·t
7
Cena, €
50 000
Źródło: Lisowski i in. 2010.
ESM 901
10
21 000
134 000
16
-
100 000
27 000
4.
Zbiór traw i bylin
Trawy i byliny można zbierać tymi samymi technikami co rośliny zielone, z
wykorzystaniem standardowych maszyn (rys. 4).
Zbiór roślin może być przeprowadzony kosiarkami rotacyjnymi lub sieczkarniami
polowymi (ciągnikowymi lub samojezdnymi). Sieczkarnie polowe, zwłaszcza te z zespołami
bezrzędowymi Kemper lub Krone są stosowane obecnie najczęściej. Rośliny te można
również zbierać co roku kombajnami do zbioru kukurydzy. Ścięte rośliny kosiarkami
rotacyjnymi, dolnonapędowymi, po zgrabieniu w wały mogą być zbierane prasami
zwijającymi lub tłokowymi wielkogabarytowymi. Zespoły ścinające maszyn zbierających
powinny być ustawione na najmniejszej możliwej wysokości koszenia, aby uniknąć strat.
Niektóre maszyny firm Claas i Deutz–Fahr są specjalnie adaptowane do ścinania roślin i ich
wiązania.
Aby zwiększyć efekty ekonomiczne ścinanie roślin, prasowanie i logistyka muszą być
jednak wciąż udoskonalane. Straty materiału podczas zbioru roślin mogą osiągnąć 50–60%
(mozga trzcinowata), ze względu na małą gęstość właściwą, zwłaszcza wówczas, gdy
materiał jest rozdrobniony na sieczkę. Z powodu małej gęstości właściwej transport materiału
z niektórych roślin jest ekonomicznie uzasadniony tylko na małą odległość, mniejszą niż 4080 km, w zależności od rodzaju środka transportowego. Bele prostopadłościenne mają
bardziej optymalny kształt niż okrągłe i bardziej nadają się do transportu na większe
odległości.
Trawy lub byliny
Koszenie kosiarką
rotacyjną
Zbiór sieczkarnią
polową
Przetrząsanie
Zgrabianie
Prasowanie
Załadunek i transport bel
Transport sieczki
Składowanie bel
Składowanie w silosie i
fermentacja anaerobowa
Odwadnianie
Załadunek i transport
Rozdrabnianie słomy
Dodatkowe suszenie
Przetwarzanie
Rys. 4. Technologie zbioru traw (proso rózgowate, spartina preriowa, mozga trzcinowata, palczatka
Gerarda) lub bylin (ślazowiec pensylwański, słonecznik bulwiasty)
Źródło: Lisowski i in. 2010.
Uwzględniając wymagania odbiorów ze strony energetyki lokalnej i zawodowej do zbioru
roślin trawiastych o małej zawartości wilgoci, np. miskanta zaproponowano innowacyjne
rozwiązania polegające na ścinaniu roślin z pnia i od razu prasowaniu materiału za pomocą
prasy wielkogabarytowej. Rośliny mogą być ścinane zawieszoną na przednim TUZ ciągnika
kosiarką z zespołem Kemper, układne na pokosie między kołami kół ciągnika i podbierane
zespołem prasy wielkogabarytowej (rys. 5a). Jeszcze lepszym rozwiązaniem jest ścinanie
roślin zawieszaną na przednim TUZ ciągnika sieczkarnią z zespołem Kemper i skierowanie
sieczki nad ciągnikiem do zasobnika zmodyfikowanej prasy wielkogabarytowej (rys. 5b).
17
Rys. 5. Ścinanie roślin miskanta z jednoczesnym prasowaniem:
a – ścinanie roślin kosiarką Kemper na pokos i jego
podbieranie prasą wielkogabarytową firmy
Krone,
b – ścinanie i rozdrabnianie roślin sieczkarnią z zespołem
Kemper i prasowanie sieczki zmodyfikowaną prasą
wielkogabarytową firmy Claas
Źródło: Lisowski i in. 2010.
Na podstawie dotychczasowych doświadczeń opracowano technologie zbioru roślin
miskanta, z wykorzystaniem głównych maszyn do ich ścinania i zbioru ściętego materiału
(rys. 6).
Miskant
Koszenie kosiarką
rotacyjną
Koszenie kosiarką
i prasowanie
Koszenie sieczkarnią
i prasowanie
Zbiór sieczkarnią
polową
Suszenie na polu
Zbiór sieczkarnią
polową
Zbiór prasą
zwijającą lub
wielkogabarytową
Transport sieczki
Załadunek i transport
bel
Załadunek i transport
bel
Transport sieczki
Składowanie sieczki
Składowanie bel
Składowanie bel
Składowanie (z wentylacją
wymuszoną)
Zagęszczanie
stacjonarne
Załadunek i transport
bel do zakładu
Załadunek i transport
bel do zakładu
Rozdrabnianie
stacjonarne
Załadunek i transport
bel do zakładu
Załadunek i transport
sieczki do zakładu
Przetwarzanie
Rys. 6. Technologie zbioru miskanta
(mogą być zastosowane do zbioru innych roślin trawiastych)
Źródło: Lisowski i in. 2010.
Wszystkie techniki zbioru miskanta mogą być stosowane wiosną, przy mniejszej
wilgotności, około 20%, ale jesienią nie zaleca się stosowania zbioru bezpośredniego i
jednoczesnego prasowania, ze względu na wilgotność materiału dochodzącą do 50-60%
(Kristensen 2003). Jesienią można zbierać rośliny dwufazowo, z wykorzystaniem kosiarek,
najlepiej wyposażonych w zgniatacz pokosu, gdyż zniszczona struktura twardych łodyg
miskanta łatwiej poddaje się deformacjom podczas późniejszego zbioru podbieraczem prasy
18
lub sieczkarni. Wydajność koszenia miskanta jest mniejsza niż trawy lub innych roślin
niskołodygowych, a prędkość robocza nie przekracza 9 km·h-1. Zastosowanie sieczkarni
samojezdnej lub przyczepianej do bezpośredniego zbioru pozwala na zwiększenie
wydajności zbioru, z uwagi na mniejszą liczbę operacji, ale o wydajności decyduje również
wilgotność i stopień rozdrobnienia (tab. 6). Przy drobniejszej sieczce uzyskuje się mniejszą
wydajność i zwiększają się nakłady energetyczne na zbiór, dlatego stopień rozdrobnienia
powinien być podporządkowany docelowym wymaganiom surowca. Wilgotniejszy materiał
poddaje się łatwiej deformacjom i osiągana wydajność podczas zbioru w okresie jesiennym
jest większa niż wiosną, ale taki materiał wymaga dodatkowego suszenia lub, co najmniej
wymuszonego przewietrzania zimnym powietrzem, co zwiększa koszty całkowite produkcji
surowca.
Tabela 6. Zbiór miskanta sieczkarniami dokładnego cięcia
Kverneland
Claas Jaguar
Parametry
Ten-X z
690 z
1)
2)
podbieraczem podbieraczem
Czas zbioru
wiosna (zbiór opóźniony)
Kverneland Ten-X
1)
z podbieraczem
Wilgotność roślin, %
15,0
12,2
51,2
50,7
56,0
-1
10,5
14,9
31,2
23,3
16,3
14
12
14
34
4
9,7
12,1
20,2
29,8
21,9
Wydajność, ts.m.·h
8,2
1)
Sieczkarnia przyczepiana
2)
Sieczkarnia samojezdna.
Źródło: Kristensen 2003.
10,6
9,9
14,7
9,6
Plon, t·ha
Długość cięcia, mm
-1
Wydajność, t·h
-1
Claas Jaguar
820 z zespołem
2
do kukurydzy
zima (grudzień)
Jedną z korzyści zbioru miskanta za pomocą sieczkarń dokładnego cięcia jest uzyskanie
materiału gotowego do dalszego przetwarzania, ale z uwagi na małą jego gęstość
(80 kgs.m.·m-3) transport sieczki powinien się odbywać na krótkich dystansach. Jeśli
przewiduje się transportować surowy materiał na duże odległości (powyżej 80 km), to do
zbioru lepiej zastosować prasy wielkogabarytowe, które mogą być wykorzystane jako
samodzielne maszyny lub w połączeniu z sieczkarniami. Przy średniej masie beli około
600 kg gęstość materiału zawiera się w zakresie 140-170 kg·m-3. Zbiór miskanta za pomocą
prasy wielkogabarytowej pozwala również na osiągnięcie nieco większych (tab. 7)
wydajności niż sieczkarnią.
Podobnie, jak dla drzew i krzewów krótkiej rotacji, zestawiono parametry robocze maszyn
i wyznaczono minimalne powierzchnie do zbioru traw i bylin (tab. 8).
Z przeprowadzonej analizy stanu wiedzy o technologiach i maszynach
wykorzystywanych do zbioru roślin energetycznych wynika, że są stosowane różne
rozwiązania i zapoczątkowany w latach 90. XX wieku boom uprawy roślin energetycznych w
krajach skandynawskich, objął również Polskę. Ponadto, mimo wielu opracowań i analiz
ciągle nierozstrzygnięte są wątpliwości dotyczące ekonomicznej opłacalności uprawy roślin
energetycznych i brak jest wskazań optymalnych warunków ich uprawy, zbioru oraz
przetwarzania biomasy. Najczęściej przytaczane są wyniki przykładowych eksperymentów
naturalnych, a brak jest zwłaszcza opracowań modelowych. Jako przykład podejścia
modelowego do analizy zbioru roślin energetycznych można podać doświadczenia
Sokhansanj i Fenton (2006). Do obliczenia kosztów zbioru i transportu biomasy zastosowali
oni model matematyczny IBSAL – Integrated Biomass Supply Analysis and Logistics
opracowany przez Sokhansanj (2006). Model IBSAL zawiera różne algorytmy obejmujące
zbiór, przetwarzanie, mielenie, przechowywanie i transport. Dane wejściowe modelu
zawierają: informacje o lokalnej pogodzie, średnim plonie netto biomasy, terminie zbioru,
stratach suchej substancji, wilgotności roślin, czasie zbioru, parametrach eksploatacyjnych
wyposażenia, jednostkowych kosztach użytkowania maszyn odniesionych do czasu pracy.
19
Tabela 7. Zbiór miskanta wiosną za pomocą różnych pras wielkogabarytowych
Parametry
Hesston 4800
New Holland 4990
Wilgotność roślin, %
-1
Plon, t·ha
Masa beli, kg
Zapotrzebowanie na
moc na WOM, kW
-1
Wydajność, t·h
-1
Wydajność, ts.m.·h
Źródło: Kristensen 2003.
22,3
13,2
630
14,1
10,7
560
Hesston 4800 z
rozdrabniaczem F200 Ferri
13,3
10,0
590
20,6
-
53,7
16,8
13,1
15,9
13,7
14,7
12,7
Tabela 8. Minimalna powierzchnia wykorzystania maszyn do zbioru traw lub bylin
Maszyny i urządzenia do uprawy, zbioru i obróbki
roślin energetycznych
Parametry
robocze (liczba
rzędów,
wydajność)
Kosiarki rotacyjne ze spulchniaczem pokosu
Prasy zwijające
Prasy tłokowe wielkogabarytowe
1–rzędowe
2–rzędowe
Sieczkarnie do kukurydzy, ciągnikowe
Sieczkarnie samojezdne
Przyczepy objętościowe
Źródło: Opracowanie własne na podstawie Muzalewskiego (2008).
Moc
ciągnika /
silnika,
kW
45–50
40–50
75–90
40–50
90
150
250
300
Minimalna
powierzchnia
wykorzystania
N
–1
W R , ha·a
2
20
40
5
10
50
90
100
5
Strużyk w monografii pod redakcją Lisowskiego (2010) opisał własny model
matematyczny i przedstawił kompleksowe wyniki symulacyjne i analizy, które pozwalają na
dobór najkorzystniejszej technologii zbioru roślin energetycznych.
5.
Modelowe technologie zbioru wierzby krzewiastej
Przy doborze maszyn występujących w technologii produkcji roślinnej należy kierować
się określonymi wymaganiami, które uwzględniają między innymi kwestie dotyczące
ugniatania gleby, oporów maszyn oraz występujących poślizgów. Urzeczywistnienie
przedstawionych wymagań spowoduje, że na wykonanie określonej pracy zużyjemy mniej
paliwa, a do atmosfery przedostanie się mniej spalin. Wybór technologii poza
uwzględnieniem jedno- jak i dwuetapowego zbioru jest też często uwarunkowany
posiadanym w gospodarstwie parkiem maszynowym, w celu ograniczenia nakładów
inwestycyjnych. Wynika również z innych wymagań stawianych maszynom do zbioru roślin
jedno-, dwu- i trzyletnich. Zaproponowano model symulacyjny uwzględniający zarówno
obecnie stosowane, jak i nowoczesne technologie zbioru wierzby krzewiastej, a mianowicie
(rys. 6):
- zbiór roślin rozdrobnionych sieczkarnią ciągnikową, technologia Z1,
- zbiór roślin rozdrobnionych sieczkarnią samojezdną, technologia Z1a,
- zbiór roślin maszyną ścinająco-prasującą, technologia Z2,
- zbiór całych pędów maszyną ścinającą, technologia Z3,
- zbiór całych pędów maszyną ścinająco-pryzmującą, technologia Z3a,
- zbiór w wiązkach (pakietach), maszyną ścinająco-pakietującą, technologia Z4.
20
Technologie zbioru
roślin energetycznych
Rośliny:
- jednoroczne
- dwuletnie
- trzyletnie
zbiór jednoetapowy
zbiór
zbiór
dwuetapowy
dwuetapowy
ścięcie i pozostawienie na polu:
- luzem
- luzem w pryzmach
- w wiązkach
- w belach
ścięcie i rozdrobnienie
na zrębki
Zbiór
ciągnik + sieczkarnia
przyczepiana
sieczkarnia
samojezdna
ciągnik + maszyna
ścinająca
ciągnik + maszyna
ścinająco-pryzmująca
ciągnik + maszyna
ścinająco-wiążąca
ciągnik + maszyna
ścinająco-prasująca
załadunek ręczny
urządzenie własne
środka transportu
ciągnik + ładowacz
chwytakowy
urządzenie własne
środka transportu
ciągnik + przyczepa
ciągnik + przyczepa
ciągnik + przyczepa
samozaładowcza
ciągnik + przyczepa
ciągnik + wózek
samozaładowczy
przenośnik
pneumatyczny
rozładunek ręczny
urządzenie własne
środka transportu
ciągnik + ładowacz
chwytakowy
urządzenie własne
środka transportu
Załadunek
Transport
Rozładunek
Przechowywanie
pryzma
pryzma + wentylacja naturalna
ciągnik + ładowacz
chwytakowy
podawanie
ręczne
Przygotowanie
produktu
ciągnik + ładowacz
chwytakowy
wentylacja
wymuszona
ciągnik +
rozdrabniacz
rozdrabniacz
stacjonarny
Rys. 6. Schemat technologii zbioru wierzby krzewiastej na cele energetyczne
Źródło: Opracowanie Strużyka (Lisowski i in. 2010).
W każdej z tych technologii zbioru, uznanych jako podstawowe, występują warianty, w
których uwzględniono różne rozwiązania odbioru, transportu i rozdrabniania roślin. W celu
ułatwienia porównania metod przyjęto, że w każdej technologii produktem końcowym jest
materiał rozdrobniony (zrębki).
W technologii Z1 do zbioru i bezpośredniego rozdrabniania roślin przewidziano
sieczkarnię przyczepianą, a załadunek sieczki odbywa się na jadącą z boku przyczepę.
Zrębki są składowana na pryzmie w gospodarstwie i dosuszane wentylacją wymuszoną. W
wariancie Z1a do zbioru zastosowano sieczkarnię samojezdną.
W technologii Z2 maszyną wiodącą jest maszyna ścinająco–prasującą, która ścina
rośliny, wstępnie rozdrabnia materiał i formuje bele cylindryczne. Transport bel do
gospodarstwa odbywa się za pomocą wózka samozaładowczego, który pobiera bele z pola
urządzeniem dźwignicowym. Po przywiezieniu do miejsca składowania bele są ustawiane w
pryzmie przez hydrauliczne wychylenie platformy wózka. Bele są przechowywane dla
naturalnego wysychania materiału roślinnego. Po wyschnięciu bele są podawane
ładowaczem chwytakowym do stacjonarnego rozdrabniacza i rozdrabniane na zrębki.
W technologii Z3 maszyną wiodącą jest ciągnikowa maszyna ścinająca całe pędy. W
podstawowym wariancie Z3 pędy są zbierane ręcznie luzem i transportowane z pola do
21
gospodarstwa przyczepami uniwersalnymi, gdzie są rozładowywane również ręcznie i
składowane w pryzmie. Po wyschnięciu materiału w warunkach naturalnych pędy są
podawane ręcznie do zasobnika maszyny i zrębkowane w rozdrabniaczu napędzanym od
WOM ciągnika. W wariancie Z3a maszyna ścinająca zbiera pędy w swojej przestrzeni
ładunkowej a po jej napełnieniu, pędy są układane w pryzmach na polu. Transport pędów
wykonywany jest przyczepą leśną z własnym chwytakowym żurawiem załadowczym. Po
przewiezieniu do gospodarstwa to samo urządzenie służy do rozładunku i układania pryzmy.
Po dosuszeniu pędy są podawane żurawiem do rozdrabniacza ciągnikowego. Do operacji
załadunku wykorzystano ten sam żuraw, który stanowi wyposażenie przyczepy leśnej,
bowiem istnieje możliwość jego zdemontowania i zawieszenia na TUZ ciągnika.
W technologii Z4 maszyna wiodąca ścina całe pędy roślin, obwiązuje i w wiązkach
(pakietach) pozostawia na polu. Następnie są one pobierane ładowaczem chwytakowym i
układane na przyczepie, która transportuje je do gospodarstwa. Po przewiezieniu kolejny
ładowacz chwytakowy rozładowuje przyczepę i układa pryzmę. Po wyschnięciu wiązki są
podawane ładowaczem chwytakowym i rozdrabniane w rozdrabniaczu stacjonarnym.
Opracowano algorytm matematyczny pozwalający na przeprowadzenie symulacji
nakładów ponoszonych w technologiach zbioru wierzby. Do obliczeń przyjęto następujące
założenia wstępne: powierzchnia plantacji 10 ha, plon roślin jednorocznych 25 t·ha-1,
wilgotność roślin podczas zbioru 53%, odległość transportowa 1,0 km, czas zmiany roboczej
8 h, czas dyspozycyjny zbioru 30 dni. Założenia wstępne mogą być zmieniane zależnie od
plantacji.
Założono również, iż w rozpatrywanych technologiach maszyny zbierające (podstawowe)
będą rozpatrywane jako pojedyncze zestawy z ciągnikiem. Zależnie do parametrów plantacji
będą do nich dobierane zestawy maszyn towarzyszących, które zapewnią proces potokowy
zbioru. Następnie przyjęto pozostałe zestawy maszyn zastosowane w technologiach zbioru.
Parametry robocze, ceny maszyn i ciągników zostały opisane zależnościami. Prowadzone
obliczenia pozwoliły na uzyskanie wydajności agregatów. Do określenia wskaźników
kryterialnych wykorzystano opracowania metodyczne (Muzalewski 2006, Muzalewski,
Olszewski 2000), jak również materiały informacyjne (Gromadzki 2009).
Jednostkowe koszty wytwarzania biomasy na cele energetyczne może charakteryzować
wiele czynników, między innymi zużycie paliwa i pracochłonność. Zużycie paliwa odniesione
do 1 t suchej substancji, pozyskiwanej w omawianych technologiach jest zróżnicowane.
Najmniejsze zużycie paliwa stwierdzono w technologii Z2, a największe w Z1, które wynosiło
odpowiednio 3,9 i 8,4 kg·t-1s.m.. Zużycie paliwa w innych technologiach jest o 9,4-48,4%
mniejsze od zużycia paliwa w technologii Z1. Zużycie paliwa ciągnika w agregacie do zbioru
w odniesieniu do zużycia w całej technologii wynosiło 25,4–43,9%. Rozdrabnianie roślin po
zbiorze powoduje wzrost zużycia paliwa w o 18,6–33,6%. Dosuszanie rozdrobnionych roślin
w technologiach Z1 i Z1a zwiększa zużycie paliwa o 35,4–44,3%.
Pracochłonność w poszczególnych technologiach wykazuje podobny trend jak
paliwochłonność. Najmniejsze nakłady robocizny 0,72 rbh·ts.m.–1 występują w technologii Z2
ze względu na mniejszą liczbę operacji w technologii. Największe zaś w technologii Z3
(5,5 rbh·ts.m.–1) ze względu na operacje wykonywane ręcznie, które powodują obniżenie
wydajności. Pracochłonność w innych technologiach jest o 68,4–84,3% mniejsza.
Pracochłonność zbioru roślin w odniesieniu do całkowitej pracochłonności technologii
stanowiła 10,8–20,9% i jest zależna od wydajności maszyn do zbioru. We wszystkich
technologiach transport stanowi 20,2–37,5%, a przeładunek 9,8–46,2% nakładów pracy.
Duża pracochłonność w technologii Z3 wynika z małej wydajności ręcznych prac
przeładunkowych. Rozdrabnianie pędów po wysuszeniu powoduje zwiększenie
pracochłonności o 13,1–25,3%, a dosuszanie zrębków w technologiach Z1 i Z1a wzrost o
około 55%.
Najmniejszymi jednostkowymi kosztami charakteryzuje się technologia Z1a (98 zł·ts.m.–1
czyli 5,3 zł·GJ–1), a największymi Z3 (224 zł·ts.m.–1 – 12,1 zł·GJ–1). Koszty w pozostałych
technologiach są o 24,1–49,6% (6,1–9,2 zł·GJ–1) mniejsze od ponoszonych w technologii Z3.
Wysokie koszty zbioru (57,4 i 54,7%) w technologiach Z2 i Z3a wynikają z zastosowania
drogich maszyn do zbyt małej powierzchni plantacji. W technologii Z3 zbiór stanowi 13,5%
22
kosztów całkowitych, natomiast operacje transportu i przeładunku aż 38,6 i 23,6% co wynika
z małej wydajności prac ręcznych. Rozdrabnianie pędów po wysuszeniu zwiększa koszty o
12,9–24,4%, a dosuszanie sieczki w technologiach Z1 i Z1a o 25,4–29,8%.
Celowe jest więc właściwe dobranie technologii zbioru uwzględniającej wielkość plantacji,
zasoby ludzkie oraz materialne, obejmujące już dysponowany zestaw maszyn w
gospodarstwie, a także sposób dalszego przetwarzania pozyskanej biomasy.
6.
Koszty zbioru roślin energetycznych w świetle wyników badań
W dostępnej literaturze wyników badań dotyczących kosztów zbioru roślin
energetycznych jest niewiele. Są to dane rozproszone i fragmentaryczne. Dane te mogą być
jednak przydatne do porównania i oceny proponowanych rozwiązań technologicznych.
Dubas (2003) obliczył, że koszty zbioru, zrębkowania i transportu wewnętrznego wierzby
wynoszą 1400 zł·ha-1, ale nie podał rodzaju maszyn w tej technologii.
Pasyniuk (2007) zakładając plon wierzby wiciowej 30 t·ha-1, o wilgotności 50%, obliczył
koszty zbioru dla trzech technologii. Stosując kombajn Claas o wydajności 0,4 ha·h-1, przy
zatrudnieniu 2 pracowników i pracochłonności 10 rbh koszt zbioru wynosił 800 zł·ha-1.
Zastosowanie podcinacza o wydajności 0,3 ha·h-1 i rębarki przewoźnej o wydajności
0,1 ha·h-1, przy zatrudnieniu 3 pracowników i pracochłonności 32 rbh koszty zmniejszyły się
do 320 zł·ha-1. Zbiór ręczny z wydajnością 0,05 ha·h-1 i rozdrabnianie z wykorzystaniem
rębarki przewoźnej o wydajności 0,1 ha·h-1, przy zatrudnieniu 5 pracowników i
pracochłonności 200 rbh zwiększył koszty do 1800 zł·ha-1.
Z badań przeprowadzonych przez Pasyniuka (2008) wynika, że podczas zbioru wierzby 2
i 3 letniej z plantacji o powierzchni powyżej 5 ha, efektywne wykorzystanie czasu pracy
kombajnu Bender nie przekraczało 62% czasu nominalnego. Wpływało to na ostateczne
wysokie koszty jednostkowe zbioru. Na małe wykorzystanie czasu pracy miały wpływ
przerwy, których udział wynosił 6%, a wynikały one z przyczyn logistycznych. Zaliczono do
nich oczekiwanie na dostarczenie paliwa, materiałów eksploatacyjnych i części wymiennych.
Duży udział w stratach czasu pracy miały naprawy bieżące (8%). Znaczące utrudnienia
sprawiało niedostosowanie systemu nasadzeń do zbioru mechanicznego, co w konsekwencji
wymuszało dodatkowe przejazdy kombajnu (15%), a także brak synchronizacji ruchu
środków transportowych, które skutkowały przestojami kombajnu (10%). Z tego powodu,
przy nominalnej wydajności kombajnu 2,4 ha·h-1 osiągnięto wydajność operacyjną 0,4 ha·h-1.
Ostatecznie koszty zbioru, w stosunku do nominalnych, możliwych do osiągnięcia zwiększyły
się dwukrotnie. Całkowity koszt jednostkowy zbioru kombajnem wierzby na zrębki wynosił
900 zł·ha-1. Koszt kombajnowego zbioru wierzby zwiększa i tak wysoką cenę „zielonej
energii”. Przy średnim zbiorze wierzby w cyklu trzyletnim 40 t·ha-1 surowego materiału, koszt
zbioru powiększył koszt produkcji zrębów o ponad 20 zł·t-1, przy rynkowej cenie zrębów
surowych 100 zł·t-1. Pasyniuk (2008) stwierdził jednak, że zbiór kombajnowy jest bardzo
konkurencyjny wobec zbioru ręcznego dwuetapowego, którego koszt przekracza
6000 zł·ha 1.
Szczukowski i in. (2006) zwrócili uwagę, że wartość energetyczna oraz skład chemiczny
drewna wierzby zmienia się w zależności od cyklu zbioru i przy obliczaniu kosztów
należałoby ten fakt wziąć pod uwagę. Przy jednorocznym, dwu- i trzyletnim cyklu zbioru
wartość kaloryczna drewna wynosiła odpowiednio 18,56, 19,25 i 19,56 MJ·kgs.m.-1, zawartości
wody oraz popiołu wyraźnie się zmniejszały i wynosiły odpowiednio 53,15, 50,14 i 45,98%
oraz 1,89, 1,37 i 1,28%. Zmieniała się również zawartość składników wpływających na
dalszy proces przetwarzania surowca. Wraz z cyklem okresu zbioru w największym stopniu
zwiększała się zawartość celulozy, która wynosiła odpowiednio 45,58, 48,02 i 55,94% s.m.
Zawartość ligniny i hemicelulozy była dość stabilna i wynosiła odpowiednio 13,24 i 13,63%
s.m. W obu przypadkach odnotowano zmniejszenie zawartości tych składników w pędach
dwuletnich. Zwiększenie zawartości celulozy w pędach starszych oznacza, że materiał taki
podczas mechanicznego zagęszczania, np. podczas produkcji peletu, będzie wymagał
zwiększenia energii, gdyż temperatura rozkładu celulozy wynosi 240-350 oC. Temperatura
rozkładu hemicelulozy jest najmniejsza (200-260 oC), a ligniny największa (280-500 oC).
23
Efektywność energetyczna uprawy wierzby zależy również od cyklu zbioru
(Szczukowski i in. 2006). W cyklu jednorocznym, dwu- i trzyletnim, przy zwiększających się
plonach suchej substancji, odpowiednio do 14,8, 32,1 i 64,4 ts.m.·ha-1 nakłady energetyczne
na uprawę roślin wierzby były proporcjonalne i wynosiły 12,2, 18,4 i 30,1 GJ·ha-1, a
energochłonność produkcji zrębków zmniejszała się, odpowiednio do 0,83, 0,57 i
0,47 GJ·ts.m.-1, co przy wartości energetycznej plonu, wynoszącym 275, 618 i 1262 GJ·ha-1
pozwoliło na zwiększenie efektywności energetycznej, odpowiednio do 22,5, 33,6 i 41,9.
Efektywność energetyczną określono jako stosunek wartości energetycznej plonu do
nakładów energetycznych poniesionych na uprawę roślin. Zbiór wierzby w trzyletnich cyklach
rotacji charakteryzował się najmniejszą energochłonnością produkcji jednostki suchej
substancji zrębków oraz największym wskaźnikiem efektywności energetycznej. Porównując
efektywność energetyczną innych roślin można stwierdzić, że uprawa wierzby na cele
energetyczne jest korzystna. Przykładowo efektywność energetyczna uprawy rzepaku
ozimego w doświadczeniach polowych wynosiła 3,5-6, pszenicy ozimej 3,6-4,9, jęczmienia
jarego 3,5, a buraka cukrowego 3,6.
Szczukowski i in. (2006) stwierdzili, że zwrot kosztów inwestycji w uprawie wierzby na
cele energetyczne nie jest możliwy po pierwszym roku, gdyż koszt samych sadzonek wynosił
4800 zł·ha-1, który stanowił 69% kosztów całkowitych założenia plantacji. W analizie kosztów
autorzy założyli, że plantacja będzie użytkowana przez 24 lata, co pozwoliło na obciążenie
jej rocznymi kosztami w wysokości 290 zł·ha-1. Opłacalność produkcji końcowego surowca w
postaci zrębków zależała również od cyklu zbioru roślin. W cyklu jednorocznym, dwu- i
trzyletnim zbioru, przy zwiększających się plonach, odpowiednio do 29, 56 i 91 t·ha-1, koszt
produkcji zwiększał się również i wynosił odpowiednio 1355, 1974 i 3011 zł·ha-1. W
konsekwencji koszt produkcji świeżych zrębków zmniejszał się i wynosił odpowiednio 47, 35 i
33 zł·t-1. Przyjmując cenę świeżych zrębków 80 zł·t-1, autorzy obliczyli zysk w przeliczeniu na
jednostkę masy, powierzchni i rok. Zwiększał się on wraz z cyklem zbioru i wynosił
odpowiednio 33, 45 i 47 zł·t-1 oraz 965, 2506 i 4269 zł·ha-1, a w przeliczeniu na jeden rok był
nieco mniejszy i wynosił 965, 1253 i 1423 zł·ha-1. Z tego wynika, że opłacalność produkcji
zrębków jest największa przy zbiorze roślin wierzby w cyklu trzyletnim. Autorzy podkreślili, że
jednoroczne pędy wierzby wiciowej mogą być zbierane sieczkarnią przyczepianą połączoną
z ciągnikiem, a zbiór roślin w cyklu dwu- i trzyletnim wymaga zastosowania
specjalistycznego sprzętu, np. kombajnu Claas Jaguar. Nie podano dla jakiego zestawu
maszyn przeprowadzono przykładowe obliczenia. Autorzy dla kontrastu podali, że zysk z
uprawy jęczmienia jarego przy plonie 50 dt·ha-1 w badaniach IUNG wynosił 605 zł·ha-1.
Koszt ręcznego zbioru i stacjonarnego zrębkowania wierzby o wilgotności 60,81% i
wartości kalorycznej 5,82 MJ·kg-1 o wartości 155,75 zł·t-1 są zdecydowanie za wysokie.
Według szwedzkich doświadczeń (Nordh 2005) koszty zbioru kombajnem z
bezpośrednim rozdrabnianiem zmieniały się w zakresie 1890-3100 zł·ha-1, w zależności od
średniej wydajności rzeczywistej, odpowiednio 0,5 i 0,3 ha·h-1, którą osiągano na plantacjach
o powierzchni, odpowiednio 300 i 100 ha. W przeliczeniu na jednostkę uzyskiwanej energii z
wierzby o plonie 48 ts.m.·ha-1 koszty te zawierają się w zakresie 8,8-14,4 zł·(MWh)-1. Przy
zbiorze dwufazowym, zalecanym na mniejszych powierzchniach, koszty bezpośredniego
zbioru wynosiły 400-650 zł·ha-1. Uwzględniając jednak konieczność załadunku i
rozdrabniania, całkowite koszty zwiększyły się do 18,0-18,8 zł·(MWh)-1.
Szczukowski i in. (2006) wskazali, że pędy wierzby zbierane zimą w zależności od cyklu
zbioru i warunków pogodowych mają wilgotność 46-53%. Składowanie zrębków wymaga
zapewnienia warunków, w których będą ograniczone straty suchej substancji i rozwój
patogenów. Surowiec krótko przechowywany może być składowany na wyrównanej,
utwardzonej powierzchni. Zrębki świeże, składowane w naturalnych warunkach w pryzmie
wysychają nierównomiernie i chłoną wodę z opadów atmosferycznych, co przyczynia się do
wydłużenia czasu do osiągnięcia wymaganej wilgotności końcowej przed dalszą obróbką
surowca. Konsekwencją wydłużonego czasu przechowywania jest zwiększenie start suchej
substancji, wzrost temperatury wewnątrz pryzmy i rozwój niepożądanych patogenów. Z tego
powodu przy dłuższym przechowywaniu zaleca się składowanie surowca pod wiatą. Z badań
wynika, że przechowywanie zrębków wierzby w takich warunkach przez 4 do 6 miesięcy
24
pozwoliło na zmniejszenie jej wilgotności z 45 do 30%. W literaturze wskazuje się również,
że lepszym sposobem przechowywania byłoby zastosowanie wymuszonego przepływu
powietrza atmosferycznego przez pryzmę zrębków, ale taka technologia zwiększa koszty,
przyczyniając się do zmniejszenia zysków.
Mniejsze problemy przechowywania stwarzają całe pędy wierzby. Mogą być one
przechowywane aż do jesieni kolejnego roku w stogach, w naturalnych warunkach, na
otwartym, utwardzonym podłożu. W ciągu takiego okresu ich wilgotność może się
zmniejszyć z 50 do 20%. Pędy wierzby zebrane maszynami formującymi wiązki mogą być
przechowywane w podobnych warunkach, jak pędy luzem, lecz w tym przypadku lepiej takie
wiązki zestawić w stożki. Przepływ powietrza i działanie słońca pozwala na zmniejszenie
wilgotności materiału z 50 (w grudniu) do 16% (w maju). Wiązki mogą być również układane
przemiennie (w sztaplach) w warstwach poziomych i przechowywane w
prostopadłościennych stogach nawet przez okres dwóch lat. Sterty mogą być lokalizowane u
plantatorów, a surowiec sukcesywnie dowożony w ciągu roku do odbiorcy. W zależności od
ustalonych warunków dostawy może się to odbywać w formie całych pędów lub zrębków.
W pracach Sokhansanj (2006) oraz Sokhansanj i Fenton (2006) przedstawiono wyniki
analizy różnych sposoby zbioru prosa rózgowatego, w których wykorzystano prasę
wielkogabarytową do formowania bel prostopadłościennych o wymiarach 1,2x1,2x2,4 m,
zbieracz pokosów, sieczkarnię do rozdrabniania materiału suchego lub wilgotnego.
Najbardziej efektywnym sposobem zbioru, ze względów ekonomicznych, było zastosowanie
zbieracza pokosów. Koszty zbioru wynosiły 19 $·t-1. Nieco większy koszty poniesiono
podczas zbioru prasą wielkogabarytową (23 $·t-1). Mniejsze koszty przy zastosowaniu
zbieracza pokosów wynikają ze zmniejszenia liczby operacji i dużej pojemności skrzyni
ładunkowej 45,3 m3. Koszty rozdrabniania, a następnie stogowania i zakiszania biomasy
wynosiły 35 $·t-1, ale autorzy wskazują, iż ta technika zbioru ma duży potencjał w przyszłości.
Koszty te wynikały głównie z wysokiej ceny sieczkarni 83,37 $·h-1 oraz nakładów
inwestycyjnych na zbudowanie silosu przejazdowego lub maszyny silosującej, tworzącej
rękaw z folii.
Nakłady energetyczne na zbiór prosa rózgowatego zmieniały się od 0,319 GJ·ts.m.-1 dla
operacji ze zbieraczem pokosów do 0,590 GJ·ts.m.-1 dla technologii rozdrabniania materiału
suchego. Nakłady energetyczne zależą od mocy silników zainstalowanych w urządzeniach
technicznych, a zastosowana sieczkarnia polowa była wyposażona w silnik o mocy powyżej
200 kW. Uwzględniając wartość opałową prosa rózgowatego 16 GJ·ts.m.-1, nakłady
energetyczne na zbiór zawierają się od 2% dla zbieracza pokosów do poniżej 4% dla
sieczkarni polowej. Nakłady energetyczne na zakiszanie biomasy były nieco mniejsze niż na
rozdrabnianie materiału suchego. Podobne wnioski sformułowali Conrado i in. (2005), którzy
stwierdzili, że zbiór prosa rózgowatego za pomocą zbieracza pokosów jest najbardziej
efektywny pod względem ekonomicznym. Koszty zbioru słomy łodyg kukurydzy po zbiorze
na ziarno były podobne do kosztów zbioru prosa rózgowatego. Niewielkie różnice (1-2 $·t-1)
mogły być związane z gęstością objętościową zbieranego materiału roślinnego lub z
kosztami rozdrabniania łodyg kukurydzy, w porównaniu z kosztami koszenia prosa
rózgowatego.
Model IBSAL (Sokhansanj i Fenton 2006) zastosowano również do obliczenia kosztów
transportu biomasy ze stogów formowanych przy farmie lub na polu do biorafinerii. Koszty
obejmowały załadunek, transport, rozładunek, stogowanie i mielenie w biorafinerii. Koszty
transportu samochodami ciężarowymi zależały od całkowitej odległości oraz od tego, czy
była to stała odległość, czy łączona z kilku odcinków, od minimum do maksimum. Dla stałej
odległości, o maksymalnej wartości 100 km, koszty transportu wynosiły około 25 $·t-1, a dla
łączonej, w zakresie 20-100 km 19 $·t-1. Koszty transportu kolejowego zależały głównie od
ilości ładunku i zmniejszały się wraz z odległością transportową.
Całkowite koszty dostarczania biomasy zależą od wielu czynników, ale najważniejszymi
są gęstość objętościowa biomasy, jej wilgotność i odległość transportowa. Zagęszczanie
biomasy jest łatwe i bezpieczne, zwłaszcza przy wykorzystaniu istniejącego sprzętu,
wykorzystywanego do obróbki ziarna. Koszty dostarczania granulowanej biomasy mogą
zmieniać się w zakresie 46-73 $·t-1. Koszty te nie zawierają wynagrodzenia, które można
25
oszacować o wartości 10 $·t-1. Całkowite nakłady energetyczne technologii zbioru i
przetwarzania biomasy na pelety zawierają się w granicach 1,0-1,5 GJ·t-1. Oznacza to, że
poniesione nakłady energii wynoszą 6-10% energii zawartej w biomasie, którą szacuje się o
wartości 16 GJ·t-1.
Sokhansanj i Fenton (2006) sformułowali następujące spostrzeżenia, których
zastosowanie może prowadzić do zmniejszenia kosztów:
– zmniejszenie liczby operacji podczas zbioru przez ich łączenie,
– zwiększenie gęstości objętościowej biomasy,
– nakłady związane ze zmniejszeniem wilgotności,
– granulacja / peletyzacja jest technologią dostępną, ale jest kosztowną,
– transport samochodowy dominuje w transporcie biomasy, ale na duże odległości
można rozważyć transport koleją i innymi środkami.
Koszty zbioru roślin energetycznych są bardzo zróżnicowane i trudno jest je
bezpośrednio ze sobą porównywać, z uwagi na odmienne warunki polowe, klimatyczne, a
także doświadczenie zespołów wykonujących badania i pomiary.
Ceny maszyn, paliwa, robocizny i ich relacje mogą w znaczący sposób wpływać na
końcowy wyniki kosztów oraz prowadzić do odmiennych wniosków.
7.
Podsumowanie
Technologie bezpośredniego zbioru wierzby na zrębki, przy zastosowaniu obecnych
maszyn na odpowiednio dużych plantacjach, są tańsze niż techniki dwuetapowe w postaci
całych łodyg (Styles i in. 2008). Technologie zbioru całych łodyg są natomiast bardziej
elastyczne, ze względu na mniejsze ograniczenia warunków zbioru i mogą przynieść
korzyści (Kofman 2005), które wynikają z mniejszych kosztów, możliwości naturalnego
suszenia, pozwalając na pozyskanie lepszego paliwa (Harders 2002). W Wielkiej Brytanii
rośliny przechowywane w takich warunkach w ciągu siedmiu miesięcy zmniejszyły
wilgotność z 53-55% do 19% (Hilton 2000). Do wad tego sposobu zbioru wierzby można
zaliczyć również większą liczbę przejazdów środków transportowych, konieczność
zastosowania specjalnych przyczep do transportu długich łodyg (do 8 m) i ładowaczy do ich
załadunku, przeznaczenie większych szerokości na uwrocia i powierzchni na
przechowywanie dużych objętości surowca. W sumie w tej technologii zbioru jest więcej
operacji do wykonania i jest ona bardziej pracochłonna niż technologia zbioru
jednoetapowego.
Na podstawie dotychczasowych wyników badań (Lechasseur, Savoie 2005) można
stwierdzić, że zastosowanie maszyn do zbioru całych pędów wierzby pozwala na znaczne
zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa w przeliczeniu na tonę świeżych roślin.
Stwierdzono, że podczas pracy maszyn Empire 2000, Frobbesta i Hyd-Mech zbierających
wierzbę w całości jednostkowe zużycie paliwa wynosiło 0,50-1,00 l·t-1, a maszyn Claas
Jaguar 695, Bender i Austoft 7700, które jednocześnie ścinają i rozdrabniają łodygi – 0,951,20 l·t-1. Mniejsze wartości tego wskaźnika dla maszyn zbierających całe pędy roślin
wynikają z faktu, iż podczas tego zabiegu rośliny są tylko ścinane i transportowane w całości
do przestrzeni ładunkowej maszyny lub przyczepy. Dopiero po okresie przechowywania
następuje rozdrabnianie łodyg na zrębki. Dlatego bezpośrednie porównanie
zapotrzebowania na moc lub innych wskaźników energetycznych maszyn zbierających
wykonujących różne funkcje jest uproszczeniem. Brak jest również jednoznacznych kryteriów
wartościowania - miar ekonomicznych, którymi można byłoby mierzyć korzyści ekologiczne,
związane ze stosowaniem określonych technik zbioru.
Ekspertyzę opracowano na podstawie pracy naukowej finansowanej ze środków
Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w latach 2007-2010 jako projekt badawczy
zamawiany PBZ-MNiSW-1/3/2006
26
8.
Literatura
Abrahamson L.P., Volk T.A., Priepke E., Posselius J., Aneshansley D.J., Smart L.B. 2008:
Development of a willow biomass crop harvesting system in New York. Minneapolis,
ss. 21.
Bitra V.S., Womac A.R., Chevanan N., Sokhansanj S. 2008: Comminution properties of
biomass in hammer mill and its particle size characterization. Published by the
American Society of Agricultural and Biological Engineers, St. Joseph, Michigan,
http://www.asabe.org/, ,ss. 28.
Boyd J., Christersson L., Dinkelback L. 2000: Energy from willows. SAC,
http://www1.sac.ac.uk/envsci/external/willowpower/willow_s.pdf, ss. 36.
Chołuj D., Podlaski S. 2008: Kompleksowa ocena biologicznej przydatności 7 gatunków
roślin wykorzystywanych w uprawach energetycznych. [W:] Energia odnawialna, red.
Gradzik P., MODR, Płońsk: 61-76.
Conrado R., Linden K., Martin R., Pinge A. 2005: Switchgrass feedstock logistics systems.
ENGS 190/290 Final Report, Winter 2005, Report number – 27, Thayer School of
Engineering at Darthmouth College, 8000 Cummings Hall, Hanover, NH 03755-8000
Dreszer K., Michałek R., Roszkowski A. 2003: Energia odnawialna – możliwości jej
pozyskiwania i wykorzystania w rolnictwie. Wydawnictwo PTIR, Kraków-LublinWarszawa, ss. 256.
Dubas J. 2003: Wierzba. [W:] Rośliny energetyczne, red. Kościk B. Wydawnictwo AR w
Lublinie: 56-78.
Dubas J.W., Tomczyk A. 2005: Zakładanie, pielęgnacja i ochrona plantacji wierzb
energetycznych. Wydawnictwo SGGW, Warszawa: 29-30.
Faber A., Kuś J. (red.), Matyka M. 2009: Uprawa roślin na potrzeby energetyki. W&B
Wiesław Krzewiński, ss. 30.
Felker P., Mclauchlan R., Conkey A., Brown S. 1999: Case study: development of a swath
harvester for small diameter (< 10 cm) woody vegetation. Biomass and Bioenergy 17:
1-17.
Gera D., Mathur M.P., Freeman M.C., Robinson A. 2002: Effect of large aspect ratio of
biomass particles on carbon burnout in a utility boiler. Energy & Fuels 16: 1523-1532.
Gromadzki J. 2009. Katalog cennik ciągników i maszyn rolniczych. PIMR, Poznań., ss. 160.
Harders G. 2002: Harvest, loading and transporting of willow chips from agricultural land – a
system analysis. JTI Institut för Jordbruks – och miljö teknik. Raport JTI, ss. 294.
Hilton B. Arbre 2000: Harvesting experience and future requirements,
http://test.netgates.co.uk/nre/pdf/BarbaraHiltonPaper.doc ,
Hilton B., Garstang J., Groves S., King J., Metcalfe P., Pepper T., Mcrae I. 2005: ARBRE
Monitoring The Fuel Supply Chain., DTI, UK
http://www.dti.gov.uk/renewables/publications _pdfs/bu1006260000.pdf.
Jeżowski S. 2003: Rośliny energetyczne – produktywność oraz aspekt ekonomiczny,
środowiskowy i socjalny ich wykorzystania jako ekopaliwa. Postępy Nauk Rolniczych
3: 61-73.
Kofman P.D. 2005: Establishment and harvesting of willow SRF in Denmark.
http://www.coford.ie/iopen24/pub/pub/Seminar/2005/Kofman.pdf .
Kowalczyk–Juśko A. 2009: Przydatność wybranych gatunków roślin do energetycznego
wykorzystania. [W:] Biomasa jako źródło energii, red. Jackowska I., Wydawnictwo
Wieś Jutra, Warszawa, 39-50.
Kraszkiewicz A. 2010: Mechaniczny zbiór dendromasy roślin energetycznych uprawianych w
krótkiej rotacji. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna 5: 5-7.
Kristensen E.F. 2003: Harvesting and handling of miscanthus – Danish experience 2003.
Proc. 1st meeting of IEA-Bioenergy Task 30, Denmark, September 22-25, 2001. [W:]
Jørgensen U., Verwijst T. (red.), DIAS report – Plant Production 86: 41-46
www.shortrotationcrops.org .
Kwaśniewski D., Mudryk K., Wróbel M. 2006: Zbiór wierzby energetycznej z użyciem piły
łańcuchowej. Inżynieria Rolnicza 13: 271-277.
27
Kwaśniewski D., Mudryk K., Wróbel M. 2008: Ocena zbioru wierzby energetycznej z użyciem
kosy spalinowej. Inżynieria Rolnicza 10: 159-165.
Lavoie F., D’Amours L., Savoie P. 2007: Development and field performance of a willow
cutter–shredder–baler. VDI BERICHTE, VOL 2001: 311-316.
Lavoie F., Savoie P., D’Amours L., Joannis H. 2008: Development and field performance of a
willow cutter–shredder–baler. Applied Engineering in Agriculture 24(2): 165-172.
Lechasseur G., Savoie P. 2005: Cutting, bundling and chipping short rotation willow. The
Canadian society for engineering in agricultural, food, and biological systems. Paper
05-080, ss. 12.
Lisowski A. (red.), Chlebowski J., Klonowski J., Nowakowski T., Strużyk A., Sypuła M. 2010.
Technologie zbioru roślin energetycznych. Wydawnictwo SGGW, ss. 146.
Lisowski A. 2006: Ścinanie i rozdrabnianie wierzby energetycznej. Technika Rolnicza
Ogrodnicza Leśna 4: 8-11.
Lisowski A. 2009. Sieczkarnia do zbioru roślin energetycznych. Agrotechnika, 11, 38-39.
Lisowski A., Sar Ł., Świątek K., Kostyra K. 2008: Separator sitowy do analizy rozkładu
długości sieczki. Technika Rolnicza, Ogrodnicza, Leśna 2: 17-19
Molas R. 2008: Topola czy ślazowiec – rośliny energetyczne. www.instalator.pl , ss. 4.
Mola–Yudego B., Pelkonen P. 2008: The effects of policy incentives in the adoption of willow
short rotation coppice for bioenergy in Sweden. Energy Police 36(8): 3062-3068.
Molenda M. 2009. Właściwości mechaniczne sypkich agromateriałów i proszków
spożywczych. Metody wyznaczania i prognoza kierunków standaryzacji. Ekspertyza,
16 ss. Publikacja dostępna w serwisie: www.agengpol.pl
Muzalewski A. 2006: Koszty eksploatacji maszyn. Wskaźniki eksploatacyjno–ekonomiczne
maszyn i ciągników stosowanych w gospodarstwach indywidualnych. Wydawnictwo
IBMER, Warszawa, ss. 32.
Muzalewski A. 2008: Zasady doboru maszyn rolniczych.
www.arimr.gov.pl/pliki/70/0/0/Zas_dob_masz_rol_300309.pdf , ss. 92.
Muzalewski A., Olszewski T. 2000. Ekonomiczno-organizacyjne aspekty zespołowego
użytkowania maszyn rolniczych. Warszawa. IBMER, ss. 94.
Nordh N.E. 2005: Long Term Changes in Stand Structure and Biomass Production in Short
Rotation Willow Coppice. Praca doktorska. Swedish University of Agricultural
Science. www.diss-epsilon.slu.se/archive/00001001/01/2005120.pdf, ss. 26.
Nowakowski T., Lisowski A., Strużyk A., Dołżycki A., Smaga M. 2008: Koncepcja maszyny
do zbioru wierzby krzewiastej. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna 3: 2-4.
Pasyniuk P. 2007: Problemy mechanizacji uprawy i zbioru wierzby krzewiastej Salix
viminalis, Problemy Inżynierii Rolniczej 1 (55): 145-154.
Pasyniuk P. 2008: Problemy organizacyjne zbioru wierzby krzewiastej na cele energetyczne.
Międzynarodowa Konferencja Naukowo–Techniczna „Rola infrastruktury i techniki w
zrównoważonym rolnictwie”. Kielce, 13-14 marca 2008, poster, ss. 6.
Pellerin R.A., Aneshansley D.J., Phelps A., Abrahamson L.P. 1999: Evaluation of tree
harvesters and delivery systems for short rotation willow crop. ASAE/CSAE–SCGR,
Paper 995055.
Savoie P. 2005. Cutting, bundling and chipping short rotation willow. CSAE/SCGR Meeting,
Winnipeg, Manitoba, 25-29 June, no. 05-080, ss. 11.
Schroeder B., Savoie P., Lavoie F., D’Amours L., Kort J. 2008. Woody Biomass Harvest from
Willow Rings. Short Rotation International Crops Conference Bloomington,
Minnesota, August 18-22, 2008.
Shaw M.D., Tabil L.G. 2007: Compression, relaxation, and adhesion properties of select
biomass grinds. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Manuscript
PM 07 006, Vol. IX, ss. 16.
Sokhansanj S. 2006: Overview of the Integrated Biomass Supply Analysis and Logistic
(IBSAL). A special publication Oak Ridge National Laboratory, ORNL/TM, ss. 38.
Sokhansanj S., Fenton J. 2006: Cost benefit of biomass supply and pre–processing.
BIOCAP, Kanada, ss. 32.
Spinelli R. 1999: A review of short–rotation forestry harvesting in Europe,
28
http://www.woodycrops.org/paducah/spinelli.html .
Spinelli R. 2001: Report on the CRL Mk II SRC harvester,
www.treepower.org/harvesting/crl.pdf ,ss. 7.
Spinelli R., Kofman P. 1996: A Review of Short–Rotation Forestry Harvesting in Europe, First
Conference of the Short Rotation Woody Crops Operations Working Group, Paducah,
KY, September 23–25.
Stuart W.B. 1994: Mechanization of short rotation, intensive culture wood crops,
http://www.woodycrops.orga/mechconf/stuart.html , ss. 131.
Styles D., Thorne F., Jones M.B. 2008: Energy crops in Ireland: An economic comparison of
willow and Miscanthus production with conventional farming systems. Biomass and
Bioenergy 32(5): 407-421.
Szczukowski S., Tworkowski J., Stolarski M. 2006: Wierzba energetyczna. Wydawnictwo
Plantpress, Kraków, ss. 46.
Wilkinson J.M., Evans E.J., Bilsborrow P.E., Wright C., Hewison W.O., Pilbeam D.J. 2007:
Yield of willow cultivars at different planting densities in a commercial short rotation
coppice in the north of England. Biomass and Bioenergy 31(7): 469-474.
Yiljep Y., Mohammed U. 2005: Effect of knife velocity on cutting energy and efficiency during
impact cutting of sorghum stalk. Agricultural Engineering International: the CIGR
Ejournal. Manuscript PM 05 004, Vol. VII.
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
AGROINŻYNIERIA GOSPODARCE
29

Podobne dokumenty