pobierz - Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin

Wykorzystanie surowców odpadowych do
zwiększenia żyzności i produktywności gleb
słabych i zdegradowanych w uprawie
roślin energetycznych
dr inż. Danuta Martyniak
dr hab. Grzegorz Żurek, prof. ndzw.
Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin – Państwowy Instytut Badawczy,
Pracownia Traw Pozapaszowych i Roślin Energetycznych,
Studzieniec /Sierpc – 27.01. 2016
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Badania są wykonane w zadaniu 2.11 w ramach Programu Wieloletniego IHAR-PIB 2015-2020
• Wykorzystanie (odzysk) odpadów (osady ściekowe, odpady z
przetwórstwa rolno-spożywczego, biomasa zielona,….) poprzez
ich zagospodarowanie na gruntach zdegradowanych i glebach
o słabej wartości rolniczej,
• Redukcja składowania odpadów, zwłaszcza organicznych,
organicznych
które są źródłem emisji ogromnej ilości gazów (CO2 i CH4),
• Określenie i dobór odpowiednich gatunków roślin oraz
określenie ich produktywności z przeznaczeniem na cele
energetyczne (biogaz, spalanie).
Struktura gleb GO i TUZ Polski
w % według bonitacji
Klasy bonitacyjne (grupy klas)
Grunty orne
I-IIIb gleby dobre i bardzo dobre
IVa+IVb gleby średnie
V-VIz gleby bardzo słabe i słabe
Razem
Trwałe użytki zielone
I-III gleby bardzo dobre i dobre
%
28,6
39,1
32,3
100,0
15,0
IV gleby średnie
42,4
V-VIz gleby bardzo słabe i słabe
42,6
Razem
100,0
Powierzchnia gruntów o słabej wartości rolniczej
w Polsce, (wg. GUS, 2014).
Kategoria
nieużytki
grunty zdewastowane i wymagające
rekultywacji
odłogi i ugory
razem grunty niezagospodarowane
grunty klasy V - VI
łącznie
Powierzchnia
tys. ha
481,7
62,1
498,4
1042,2
871,0
1913,2
Zawartość materii organicznej w glebach użytków rolnych (%)
pomorskie
2,65
warmińsko-mazurskie
2,22
zachodniopomorskie
2,29
kujawsko-pomorskie
2,06
podlaskie
1,85
wielkopolskie
lubuskie
mazowieckie
2,11
1,94
1,99
łódzkie
2,12
lubelskie
dolnośląskie
3,04
2,33
1,83
śląskie
2,59
małopolskie
2,25
Polska – 2,20 %
2,02
świętokrzyskie
opolskie
podkarpackie
2,39
Klimatyczny bilans wody IV- I
(IUNG Doroszewski)
Spadek zawartości materii organicznej w glebie
wynika z:
•
uproszczeniem zmianowań,
•
zaniechaniem uprawy roślin wieloletnich (traw lub ich
mieszanek z roślinami motylkowatymi pozostawiających dużą ilość
biomasy w formie resztek roślinnych),
•
zaniechaniem uprawy międzyplonów z przeznaczeniem na zielony
nawóz,
•
brakiem stosowania obornika w gospodarstwach bezinwentarzowych,
•
zmianą stosunków wodnych gleb spowodowaną odwodnieniami
melioracyjnymi.
d
z
i
a
ł
o
d
p
a
d
ó
w
ODPADY są to substancje, produkty uboczne z przetworstwa
Ze względu na miejsce powstawania odpady możemy
podzielić na:
•
Odpady komunalne (bytowe), czyli takie które powstają w
gospodarstwach domowych.
•
Odpady przemysłowe, czyli nieużyteczne substancje powstające w
procesach produkcyjnych różnych gałęzi przemysłu.
•
Odpady organiczne (rolnicze)
rolnicze inaczej zwane biodopadami
i nieorganiczne (sztuczne) pozostałości powstałe w wyniku działalności
rolniczej.
We wszystkich grupach odpadów wyróżnia się dodatkowo odpady
niebezpieczne,
niebezpieczne czyli takie które ze względu na swoje właściwości stanowią
zagrożenie dla życia lub zdrowia ludzi albo dla środowiska.
Zagospodarowanie
wszelkich odpadów może odbywać się na drodze ich:
ponownego gospodarczego wykorzystania (recykling)
bądź spalenia
albo składowania w określonych warunkach terenu
Jedną z form utylizacji jest recykling, tzn. odzyskiwanie surowców z
materiałów odpadowych i wykorzystanie ich do produkcji (m.in. szklane
opakowania, makulatura, przedmioty z tworzyw sztucznych, metale,
odpady żywnościowe)
Spalanie – najbardziej radykalna metod unieszkodliwiania odpadów,
zarówno przemysłowych jak i komunalnych. Odbywa się w specjalnie
przeznaczonych piecach o rożnej pojemności.
Kompostowanie
to kontrolowany tlenowy, biotermiczny proces, w którym odpady organiczne
zostają rozłożone na kompost, będące cennym nawozem organicznym.
Do produkcji kompostu nadają się wszystkie łatwo rozkładające się części
pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, osady ściekowew, odchody, trociny, kora
itp.
Metody zagospodarowania odpadów w krajach UE- 27 wg danych 2010
Metody zagospodarowania odpadów w Polsce
System gospodarki bioodpadami przede wszystkim, powinien opierać się na
zapobieganiu i minimalizacji ich wytwarzania, w dalszej kolejności
bioodpady powinny zostać powtórnie wykorzystane,
wykorzystane poddane recyklingowi
lub innym metodom odzysku np. odzysk energii, na samym zaś końcu
procesom unieszkodliwiania. Hierarchia postępowania z odpadami powinna
mieć zastosowania jako kolejność priorytetów w przepisach prawa i polityce
dotyczących zarówno zapobiegania powstawaniu bioodpadów jak i ich
gospodarowania.
Każdy odpad może być potencjalnym surowcem.
Segregacja
Na wysypiskach i nie segregowane odpady
BIODPADY są to odpady ulegające biodegradacji uznaje się wszelkie
odpady, które podlegają rozkładowi tlenowemu lub beztlenowemu
przy udziale mikroorganizmów.
Do odpadów organicznych ulegających
biodegradacji zalicza się
z przemysłu rolno-spożywczego (pochodzenia
roślinnego i zwierzęcego),
komunalne (bytowo-gospodarcze) łącznie z
frakcjami gromadzonymi selektywnie,
osady ściekowe ustabilizowane,
nawozy utworzone z biomasy profermentu
biogazowni
Gospodarcze wykorzystanie odpadów to
najskuteczniejsza metoda ich zagospodarowania.
Odpady po przeróbce mogą być wykorzystane m.in.
- w rolnictwie jako substancje do nawożenia
ubogich gleb
- i do rekultywacji gleb zdegradowanych……….
Produkcja roślinna na cele
energetyczne …
… tylko w oparciu o gleby słabej wartości
rolniczej
Prognoza zapotrzebowania gruntów (ha)
pod produkcję cele energetyczne do 2020 r.
Rzepak na estry (1,5 mln ton)
- 500 tys.
Zboża na bioetanol (2,4 mln ton) - 600 tys.
Surowce do produkcji biogazu
- 200-300 tys.
Biomasa stała
- 400-500 tys.
Razem
.
1,7 - 1,9 mln ha
Jakie gatunki ? …
TRAWY
• Miscanthus, Spartina, proso rózgowe; (C4)
• Stokłosa bezostna i uniolowta, mozga trzcinowata, kostrzewa
trzcinowa, inne gatunki łąkowe, perz wydłużony ,BAMAR’ – pierwsza
krajowa (druga europejska) odmiana trawy wieloletniej dedykowana
na cele energetyczne (C3)
INNE ROŚLINY
• sorgo, kukurydza, rożnik przerośnięty…
• Wierzba, topola….
WYKORZYSTANIE BIOMASY
BIOGAZ
Biomasa (wegetatywna):
zielonka, kiszonka
SPALANIA
oraz do produkcji pelet, brykietów
Biomasa generatywna lignocelulozowa (słoma)
Rożnik przerośnięty (Sylfia)
‘DANMAR’
• kępiasta bylina z rodziny astrowatych, wysoka do 3 m
• niewielkie wymagania pokarmowe,
• roślina pionierska przy rekultywacji terenów
zdegradowanych
• wysoki plon do 20 ton s. m. z 1 ha (podsuszonej do
40 ton z ha).
• wytwarza nasiona, żywotne.
Walory:
- dekoracyjne,
- surowiec cenny dla przemysłu farmaceutycznego
(saponiny w liściach, kłączach)
- roślina miododajna (550 kg miodu z ha)
- na biogaz (krotki okres ferment. 4 dni
wysoka wydajność metanu 61,5 % CH4)
Fot. D. Martyniak.
Sorgo zwyczajne (Sorghum bicolor) ‘MARMAR’
alternatywa na suszę
-roślina tropikalna, szlaku fotosyntezy C4,
- duże wymagania termiczne.
- małe wymagania glebowe (lekkie, piaszczyste).
- rośliny mogą osiągać około 3 m wysokości.
- biomasa świetna do zakiszania, w połączeniu z kukurydzą,
zbiór dojrzałość woskowa IX – X, plon zielonej masy do
100 t z 1 ha, suchej masy do 12-25 ton. Skoszone zawierają
70% wody, dlatego przed zakiszeniem wymagają
podsuszenia.
Pierwsza w Polsce forma hodowlana wytwarzająca
nasiona, żywotne !!!!!. z przeznaczeniem na biogaz.
biogaz
Fot. D. Martyniak.
Fot. D. Martyniak
Stokłosa uniolowata (obiedkowata)
Bromus unioloides
• gatunek południowo-amerykański, nowo
wprowadzony do uprawy (w latach 70. XX)
• odznacza się dobry przezimowaniem
• wieloletni (co najmniej 3 lata użytkowania)
• nadaje się na gleby mineralne, suche
(nie znosi gleb mokrych)
• wykazuje się b. dobrą żywotnością
i dużą energią odrastania ciągu całego
okresu wegetacji
• po skoszeniu dobrze odrasta, zwłaszcza
latem oraz wyrównaną krzywą plonowania
• formy o wysokim plonie biomasy
wegetatywnej do produkcji biogazu
Kostrzewa trzcinowa
(Festuca arundinacea)
• trawa wieloletnia, o bardzo silnie rozwiniętym
systemie korzeniowym (do 1,5 m)
• długi okres wegetacji, szybko odrasta po
skoszeniu
• gatunek odporny na wszelkie stresy np. termiczne
(mrozy), susze
• mało wymagająca w stosunku do siedliska (rośnie
zarówno na glebach kwaśnych, zasadowych, nawet
toleruje zasolenie)
• Zawiera duża ilość związków strukturalnych
(lignina, celuloza)
• Wykorzystywana biomasa do spalania i produkcji
biogazu
Perzu wydłużony ‘Bamar’
•
•
•
•
•
•
•
•
•
wysoka ok. 2 m, zbitokępowa,
powa bez rozłogowa
nie inwazyjna!
bogaty system korzeniowy, nie wysusza gleb, wręcz
odwrotnie wzbogaca w masę organiczną ubogie gleby
wieloletnia (6-8 lat)
wytrzymała na suszę i mrozy (nawet do -20 oC)
b. wcześnie rusza wiosną
znosi gleby suche, piaszczyste, kl. IV–VI ,
skażone, zasolone i alkaliczne)
przeciwerozyjna i rekultywacyjna (silny, głęboki
system korzeniowy)
w miarę odporna na wyleganie i choroby
doskonale rozmnażanie za pomocą nasion
Fot. D. Martyniak
Fot. D. Martyniak
Szacunkowe koszty założenia, użytkowania i likwidacji
1 ha plantacji perzu kępowego na tle innych gatunków roślin
energetycznych
Wyszczególnienie
Nakłady (w zł)
Perz
kępowy
Wierzba
Miskant
Przygotowanie pola
Materiał (nasiona, sadzonki)
2000
700
2000
6000
2000
16 000
Razem koszt
2700
7200
18 000
rębarki,
rozdrabniacze,
kombajn (duży
areał)
kosiarka,
prasa
wysokiego
zgniotu
Zbiór
Wymagany
sprzęt, maszyny
kosiarka,
prasa
Likwidacji plantacji
narzędzia, maszyny
pług
karczownik
rozdrabniacz karp
(rototiler)
chemicznie,
rozdrabniac
z, pług,
Przywrócenie właściwości gleb
czasokres
1 rok
4-5 ???
2-3 ??
Biogaz
Fot. D. Martyniak
Biomasa perzu „Bamar’ w końcu
kwietnia
Fot. D. Martyniak
t/ha
200
180
59
160
140
50
120
41
74
100
80
69
47
60
40
20
43
66
40
0
Odpad organiczny 50
t/ha
I rok zbioru
Osad ustabilizowany
58 t/ha
II rok zbioru
Nawożenie NPK
(60:80:100)
III rok zbioru
Dynamika przyrostu plonów biomasy zielonej (ton z ha) w
kolejnych latach uprawy, zależnie od sposobu nawożenia.
Parametry energetyczne kiszonki wybranych gatunków
traw energetycznych na biogaz.
Gatunek
odmiana /genotyp
SM
%
SMO
% s.m.
Biogaz
M3/t
s.m.o.
Metan (CH4 )
%
Kiszonka
Życica trwała 4n
14,6
86,0
612
54,8
Stokłosa uniolowata
19,1
81,0
485
51,0
Stokłosa bezostna
17,0
83,0
520
51,0
Perz wydłużony ‘Bamar’
18,6
84,6
519
53,5
SM – sucha masa,
SMO sucha masa organiczna
Uzysk biogazu
Nl/kg s.m.o. z kiszonki po 4 tyg.
u wybranych gatunków roślin.
Badania przeprowadzona na w ITP., oddział w Poznaniu
Gatunek / substrat
Perz wydłużony ‘Bamar’
Życica trwała
Stokłosa uniolowata
Stokłosa bezostna
Kostrzewa trzcinowa
Sylfia
Uzysk biogazu
Nl /kg.s.m.o
Efektywny czas
fermentacji powyżej 80%
(liczna dni)
518
612
485
518
511
433
9
6
10
7
13
4
kostrzewa trzcin. 'W'
sylfia
sorgo
stokłosa bez.
kukurydza cukrowa
Metan
perz kępowy
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Wydajność metanu (CH4) i biogazu w m3 z ha
wybranych roślin energetycznych. (Radzików).
Biogaz m3
14000
m3 /ha
Optymalne fazy fenologiczne
pozyskiwania biomasy z gatunków
Substrat – kiszonka
/ stadium rozwoju roślin
Trawy
- faza kwitnienia (prawa polowa)
- wszystkich pokosów (ruń łąkowa)
Uzysk biogazu
m3/ z ha
4500- 5500
4000 - 4835
Kukurydza
- dojrzałość woskowa - wysoki udział ziarna
- dojrzałość woskowa – średni udział ziarna
- faza dojrzałości mlecznej
8000
6098
5677
Sylfia ‘Danmar’
- faza po kwitnieniu
7500
Sorgo ‘Marmar’
- faza mleczna ziarna
6700
Uzysk biogazu i % udział metanu
u wybranych gatunkach traw
życica
trwała
stokłosa
uniol.
stokłosa
bezostna
perz
wydłużony*
611
485
518
518
550
54,8
50,2
50,4
53,0
57,5
Biogaz
m3 z 1 t. s.m.o.
- rozdrobiona
- zmikronizowana
Metan (CH4) w %
- rozdrobniona
- zmikronizowana
*Czas retencji materiału (fermentacja) 90% objętości metanu jest
wytwarzane w ciągu 12-14 dni procesu.!!!
„Zielona taśma”
(opracowanie własne)
Miesiące w roku:
Rodzaj uprawy
1
2
Żyto i mieszanki zbożowe
trawy w uprawie polowej
mieszanki traw z
motylkowatymi
trawy z łąk wielokośnych
sylfia
sorgo
kukurydza
topinambur, ślazowiec
okopowe (burak, ziemniak), kapusta past.
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Wykorzystanie biomasy roślinnej i substratów
w Niemczech (ok.8 tys. biogazowni) = 70% światowego potencjału
-
biomasa roślinna w 45%
gnojowica 24%
odpady pochodzące z przerobu roślinnego na żywność 15%
Najbardziej popularne są kiszonki wytworzone z:
•
•
•
•
całych roślin kukurydzy (96%)
ziarna zbóż (nadwyżki i słabej jakości) 50%
traw 40% i innych roślin (buraki, słonecznik, ziemniaki) 1%
oraz gnojowica w mieszaninie z kiszonkami.
• Należy unikać monokultur !!!!!! (Niemcy – kukurydza)
Wykorzystanie biomasa generatywnej (słoma) o
dużej zawartości lignoceleulozy do:
spalanie,
produkcji pelet, brykietów
Stan plantacji perzu wydłużonego,
Radzików, 2013 III r. zbioru
Fot. D. Martyniak
Martyniak
Fot.Fot.
D. D.
Martyniak
Zbiór biomasy (słomy) perzu energetycznego ‘Bamar’
Radzików, 2013r. I dekada września
Wartość ipałow a
MJ/tonę
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
19
MJ/kg
15,5
13
11
9
7
w ilgotność, % suchej m asy
10
20
30
40
50
60
Wartośc opałowa biomasy roślin energetycznych od wilgotności
Fot. D. Martyniak
Sucha biomasa słoma przerobiona na brykiet i pelet.
Parametry użytkowe wybranych gatunków traw
do produkcji bioenergii
Spalanie bezpośrednie
Gatunek
Sposób
mnożenia
Szacunkowe
plony
Wartość
kaloryczna
Zawartość
[t s.m. / ha]
[MJ/kg]
popiołu [%]
Kostrzewa trzcinowa
nasiona
8 - 15
17,0
7,0
Mozga trzcinowata
nasiona
10 - 14
17,7
6,3
Perz wydłużony
nasiona
10 - 15
18,6
3,1
kultury in vitro
5 - 20
16,8
1,6
15 - 25 (44)
18,2
2,0
Spartina preriowa
Miskantus olbrzymi
podział kęp,
kultury in vitro
Proso rózgowate
nasiona
8 - 20
19,0
1,7
Palczatka Gerarda
nasiona
8 - 15
17,9
1,8
19000
35
18500
30
18000
25
17500
20
17000
15
16500
10
16000
5
0
15500
Perz wydł. 35
Perz
Perz wydł. 33
-9c
wydł.Bamar
-1f
Rajgras
wyn.23
kcal/kg
Stokłosa
uniol.
Mozga trzcin.
Brykiet
Bamar
Węgiel brun. pelet słoma
Popiół
Rys.5. Wartość opałowa i popiół w bezpośrednim spalaniu surowców
z traw wieloletnich w porownaniu z węglem brunatnym i słoma
zbożową. Zlecenie wykonane w Gliwicach Energopomiar.
Wartość opałowa i skład chemiczny biomasy oraz
wybranych paliw stałych
Wartość
kaloryczna
Popiół
Siarka
Chlor
[MJ/kg]
[%]
[%]
[%]
Miskant olbrzymi
17-18
3,0
0,05
0,1
Mozga trzcinowata
14-15
5,0-9,0
0,15
0,5
Perz wydłużony
17 -18
3-4
0,05
0,1
Wierzba
17-19
2,0- 4,0
0,05
0,5
Węgiel kamienny
25-28
16-18
0,8
0,1
Biomasa
Surowiec
Porównanie wartości opałowej
biomsy perzu z węglem kamiennym
Kaloryczność 1 kg suchej masy:
Perz wydłużony:
Węgiel kamienny
17,9 MJ / kg
28 MJ / kg
1 tona węgla równoważy 1,5 tony biomasy
Perz wydłużony: z 1 ha -12 000 kg x 17,9 MJ = 21 4800 MJ
1 tona węgla kam. - 1000 kg x 28 MJ = 28 000 MJ
Plon s. masy perzu (10-12 ton ) z 1 ha równoważy
około 5,0 ton węgla
(około 3000 PLN)
(cena węgla 600 PLN/ tona)
Wprowadzenie zdrowych mechanizmów:
Pod uprawę roślin energetycznych przeznaczać grunty słabe, ubogie o
niskiej klasie (IV-V) ugory, odłogi, zaś ograniczać wykorzystywanie gleb
pszenno-buraczanych
Maksymalny odzysk odpadów organicznych poprzez ich zagospodarowanie
na gruntach zdegradowanych i glebach o słabej wartości rolniczej,
Redukcja składowania odpadów, zwłaszcza organicznych, które są źródłem
emisji ogromnej ilości gazów (CO2 i CH4).
Energetyka rozproszona, oparta na lokalnych zasobach biomasy
i ten rynek powinien dominować w przyszłości w każdej gminie, rejonie
Rozwiązanie logistyki (transportu) - optymalna odległość przewozu biomasy
do 30 km, powyżej 50-70 km , staje się na granicy opłacalności.
Ograniczyć uprawę wielkoobszarowych monokultur roślin jednego
gatunku (jak to ma miejsce w Niemczech uprawa kukurydzy ).
Dziękuję za uwagę