potencjał i wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w rolnictwie

INŻYNIERIA W ROLNICTWIE. MONOGRAFIE NR 19
ENGINEERING IN AGRICULTURE. MONOGRAPHS NO. 19
Anna Grzybek, Jan Pawlak
POTENCJAŁ I WYKORZYSTANIE
ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII
W ROLNICTWIE
POTENTIAL AND USE
OF RENEWABLE ENERGY SOURCES
IN AGRICULTURE
Falenty 2015
WYDAWNICTWO ITP
INSTYTUT TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY
Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn
tel./fax 22 628-37-63; www.itp.edu.pl; e-mail: [email protected]
DYREKTOR INSTYTUTU
prof. dr hab. Edmund Kaca
Oddział w Warszawie
ul. Rakowiecka 32, 02-532 Warszawa
tel. 22 542-11-00, fax 22 542-11-50
Kierownik Oddziału
prof. dr hab. Aleksander Szeptycki
KOLEGIUM REDAKCYJNE
prof. dr hab. Aleksander Szeptycki – przewodniczący
prof. dr hab. J.Lech Jugowar
prof. dr hab. Zdzisław Wójcicki
prof. dr hab. Jan Pawlak
prof. dr hab. Krzysztof Wierzbicki
Recenzenci
dr hab. Tomasz Piskier, prof. dr hab. Mariusz J. Stolarski
Redakcja naukowa
prof. dr hab. Jan Pawlak
Kierownik Działu Wydawnictw: dr hab. inż. Halina Jankowska-Huflejt, prof. nadzw.
Projekt okładki: Halina Jankowska-Huflejt
Opracowanie redakcyjne: Barbara Wciślińska
Skład komputerowy i przygotowanie do druku: Anna Wysocka
© Copyright by Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach (ITP), 2015
ISBN 978-83-62416-88-2
ISSN 2083-9545
Adres redakcji: Instytut Technologiczno-Przyrodniczy
Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn
tel. 22 720-05-98; www.itp.edu.pl; e-mail: [email protected]
Realizacja wydania: Agencja Wydawniczo-Poligraficzna „Gimpo”
02-778 Warszawa, ul. M. Grzegorzewskiej 8. Ark. wyd. 8,1. Nakład 220 egz.
Spis treści
Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń.....................................................................................5
Wykaz ważniejszych definicji i pojęć .............................................................................................6
1. WPROWADZENIE (Jan Pawlak) ............................................................................................10
2. ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII I ICH CHARAKTERYSTYKA (Jan Pawlak) ..................11
2.1. Wprowadzenie .................................................................................................................11
2.2. Energia promieniowania słonecznego.............................................................................14
2.3. Energia wiatru ..................................................................................................................16
2.4. Energia wodna .................................................................................................................17
2.5. Energia geotermalna .......................................................................................................18
2.6. Wykorzystanie geotermii płytkiej za pomocą pomp ciepła ..............................................19
2.7. Biomasa ...........................................................................................................................21
2.7.1. Istota i definicje biomasy .......................................................................................21
2.7.2. Uprawy energetyczne ...........................................................................................25
2.7.3. Produkty uboczne i nadwyżki z produkcji rolnej i przemysłu rolno-spożywczego........................................................................................................26
2.7.4. Biogaz....................................................................................................................27
2.7.5. Sposoby uzyskiwania energii z biomasy ..............................................................30
2.7.6. Zalety i wady biomasy jako źródła energii ............................................................32
2.8. Bariery utrudniające wykorzystanie energii z zasobów odnawialnych ...........................36
2.9. Podsumowanie ................................................................................................................39
3. MOŻLIWOŚCI PRODUKCJI ENERGII ODNAWIALNEJ PRZEZ POLSKIE
ROLNICTWO (Anna Grzybek)................................................................................................41
3.1. Wprowadzenie .................................................................................................................41
3.2. Klasyfikacja biopaliw ........................................................................................................41
3.3. Produkty uboczne z produkcji roślinnej, przewidywane na biopaliwa stałe ....................43
3.3.1. Słoma ....................................................................................................................43
3.3.2. Drewno z sadów....................................................................................................56
3.3.3. Przetwórstwo spożywcze ......................................................................................56
3.4. Rośliny energetyczne ......................................................................................................64
3.5. Potencjał biomasy przeznaczonej do fermentacji metanowej ........................................71
3.6. Surowce przeznaczone na biopaliwa ciekłe....................................................................81
3.7. Podsumowanie ................................................................................................................84
4. UDZIAŁ ODNAWIALNYCH ŹRODEŁ ENERGII W BILANSIE ENERGII
W POLSCE (Jan Pawlak) .......................................................................................................86
4.1. Wprowadzenie .................................................................................................................86
4.2. Materiał źródłowy i metoda badań ...................................................................................86
4.3. Pozyskanie energii w Polsce do 2030 r...........................................................................91
4.4. Zużycie energii i jego struktura ........................................................................................94
4.5. Udział nośników energii w strukturze zużycia na wsad przemiany w produkcji
energii elektrycznej i cieplnej ...........................................................................................99
4.6. Rolnictwo jako producent energii...................................................................................102
4.7. Podsumowanie ..............................................................................................................105
5. PODSUMOWANIE (Anna Grzybek, Jan Pawlak) ................................................................107
6. BIBLIOGRAFIA .....................................................................................................................110
Streszczenie ..............................................................................................................................118
ZAŁĄCZNIKI 1–15.....................................................................................................................121
Contents
List of major abbreviations and terms..........................................................................................5
List of selected definitions and notions .........................................................................................6
1. INTRODUCTION (Jan Pawlak)...............................................................................................10
2. CHARACTERISTICS OF RENEWABLE ENERGY SOURCES (Jan Pawlak) ......................11
2.1. Introduction ......................................................................................................................11
2.2. Solar energy .................................................................................................................... 14
2.3. Wind energy .....................................................................................................................16
2.4. Hydroenergy.....................................................................................................................17
2.5. Geothermal energy ..........................................................................................................18
2.6. Utilization of shallow geothermal energy using heat pumps............................................19
2.7. Biomass ...........................................................................................................................21
2.7.1. Nature and definitions of biomass.........................................................................21
2.7.2. Energy plantations ................................................................................................25
2.7.3. By-products and surplus of production in agriculture and food industry .............26
2.7.4. Biogas....................................................................................................................27
2.7.5. Ways to produce the energy from biomass ..........................................................30
2.7.6. Advantages and weaknesses of biomass as an energy source ..........................32
2.8. Barriers impeding utilization of energy from renewable sources ....................................36
2.9. Recapitulation ..................................................................................................................39
3. POTENTIAL TO PRODUCE RENEWABLE ENERGY IN POLISH AGRICULTURE
(Anna Grzybek) .......................................................................................................................41
3.1. Introduction ......................................................................................................................41
3.2. Clasification of biofuels ...................................................................................................41
3.3. By-products from plant production as potential solid fuels..............................................43
3.3.1. Straw .....................................................................................................................43
3.3.2. Wood from orchards..............................................................................................56
3.3.3. Food industry.........................................................................................................56
3.4. Energy plants ...................................................................................................................64
3.5. Potential of dedicated biomass for methane fermentation ..............................................71
3.6. Raw materials for production of liquid fuels.....................................................................81
3.7. Recapitulation ..................................................................................................................84
4. THE SHARE OF RENEWABLE ENERGY SOURCES IN ENERGY BALANCE
OF POLAND (Jan Pawlak) .....................................................................................................86
4.1. Introduction ......................................................................................................................86
4.2. Material and methods ......................................................................................................86
4.3. Production of energy in Poland until 2030.......................................................................91
4.4. Energy consumption and its structure .............................................................................94
4.5. The share of energy carriers in the transformation input structure of electricity
and heat generation ...................................................................................................99
4.6. Agriculture as an energy producer ................................................................................102
4.7. Recapitulation ................................................................................................................105
5. RECAPITULATION (Anna Grzybek, Jan Pawlak)................................................................107
6. BIBLIOGRAPHY ...................................................................................................................110
Summary ...................................................................................................................................119
APPENDIXES 1–15 ..................................................................................................................121
Streszczenie
Energia z zasobów odnawialnych, produkowana i wykorzystywana w rolnictwie polskim pochodzi głównie z biomasy, a w mniejszym stopniu z promieniowania słonecznego oraz z pomp ciepła, których jedną z postaci są schładzarki mleka. W monografii przedstawiono: charakterystykę odnawialnych źródeł energii (OZE), pozyskiwanych i wykorzystywanych w rolnictwie; ocenę potencjalnych i realnych możliwości produkcji energii odnawialnej przez polskie rolnictwo; analizę udziału OZE
w bilansie energii w Polsce i udziału rolnictwa w tym bilansie.
Energia z zasobów odnawialnych stanowi substytut paliw kopalnych oraz zwiększa
niezależność energetyczną kraju. W przypadku biogazu pozyskiwanego z odchodów
zwierzęcych oraz produktów ubocznych rolnictwa, ogrodnictwa, gospodarstw domowych i przemysłu spożywczego, poza korzyściami w dziedzinie gospodarki energią,
zapewnia się też lepsze wykorzystanie tych materiałów, często uciążliwych dla środowiska naturalnego (odór, zanieczyszczenia wód) oraz uzyskanie homogenizowanego nawozu organicznego o zredukowanej zawartości nasion chwastów zdolnych
do kiełkowania oraz mikroorganizmów chorobotwórczych. Zmniejsza się też zapotrzebowanie na nawozy mineralne.
Rolnictwo i przemysł spożywczy mogą być liczącymi się dostawcami surowców do
produkcji energii ze źródeł odnawialnych, w różnej postaci. O przestrzennym rozmieszczeniu potencjalnych zasobów tych materiałów decydują warunki naturalne,
przesądzające o możliwości uprawy poszczególnych gatunków roślin na konkretnych
obszarach, a także bilans podaży i zapotrzebowania na cele produkcji rolniczej, powodujący, że na przykład nie we wszystkich województwach występuje nadwyżka
słomy do produkcji energii. Obecnie tylko część potencjalnych surowców do pozyskiwania energii – pochodzących z obszarów wiejskich – jest w tym celu wykorzystywana. Istnieją znaczne rezerwy, których wykorzystanie będzie zależało od stworzenia korzystnych warunków w obszarach polityki gospodarczej, infrastruktury, uregulowań legislacyjnych i podatkowych.
Z zasobów odnawialnych pochodziło w 2000 r. niespełna 5%, a w 2010 r. 10% energii pozyskanej w Polsce. Wśród odnawialnych źródeł energii dominowała biomasa,
z udziałem 95,2% w 2000 r. i 93,7% w 2010 r. W strukturze nośników energii pozyskiwanych z biomasy największy udział miały paliwa stałe (96,1% w 2000 r., 91,1%
w 2010 r. i 89,2% w 2012 r.).
Udział odnawialnych źródeł w krajowym zużyciu energii wyniósł w 2000 r. 4,2%,
natomiast w 2010 r. – 7,2%. W krajowym zużyciu nośników energii pochodzących
z biomasy 85,4% w 2010 r. stanowiły biopaliwa stałe. Szacuje się, że w 2010 r.
z rolnictwa pochodziło ok. 76% energii z zasobów odnawialnych w Polsce. W strukturze biopaliw produkowanych w rolnictwie paliwa stałe stanowiły 91,2%. Udział biodiesla wyniósł 6,7%, bioetanolu 2,1%, a biogazu 0,1%.
Summary
Energy from renewable resources, produced and consumed in Polish agriculture,
originates mostly from biomass. Less important is the role of solar energy and heat
pumps (mostly in form of milk refrigerators). In this monograph the following subjects
have been presented: characteristics of renewable energy sources produced and
consumed in agriculture; evaluation of potential and real possibilities to produce renewable energy by Polish agriculture; analysis of a share of renewable energy
sources in energy balance of Poland and a share of agriculture in the balance.
Energy from renewable resources is a substitute of fossil fuels and increases the
energy independence of the country. In a case of biogas produced from animal
wastes and by-products from agriculture, horticulture, housekeeping and food industry, the benefits are not limited to the energy balance. The biogas generation ensures
also better use of the by-products, in general inconvenient for environment (odor,
contamination of waters). An organic fertilizer, being its by-product, has a reduced
content of weed seeds able to germinate as well as pathogenic microorganisms.
Besides it causes a reduction of demand for mineral fertilizers.
Agriculture and food industry can be important producer of raw materials to produce
different kinds of energy from renewable resources. Natural conditions determine the
territorial distribution of particular energy crops, as well as the supply and demand
balance in particular regions. For instance, the surplus of straw for energy purposes
is available only in majority of provinces in Poland. At present, only a part of potential
raw materials from rural areas is used for energy purposes. There are significant
reserves in this field. Their use will depend on creating favorable state policy, friendly
legislative and fiscal regulation as well as a development of convenient infrastructure.
In 2000 only less than 5% of energy produced in Poland originated from renewable
resources. In 2010 an increase to 10% was noted. Biomass dominated among renewable energy sources. Its share amounted to 95.2% in 2000 and 93.7% in 2010.
Solid biofuels had the most important share in the structure of energy carriers produced from biomass (96.1% in 2000, 91.1% in 2010 and 89.2% in 2012).
In Poland, the share of renewable energy sources in inland consumption of energy
amounted to 4.2% in 2000 and 7.2% in 2010. Solid biofuels dominated in a structure of energy carriers originated from biomass (85.4% in 2010). One can estimate
that agriculture produced about 76% of energy from renewable resources. Solid biofuels had 91.2% share in the structure of biofuels produced in agriculture. Accordingly, the share of biodiesel amounted to 6.7%, the one of bioethanol – 2.1%, and
of biogas – 0.1%.