Warszawa 03.09.2002r.

prof. dr hab. inż. Mariusz J. Stolarski, dr. inż. Michał Krzyżaniak
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Katedra Hodowli Roślin i Nasiennictwa
Plac Łódzki 3, 10-724 Olsztyn
EFEKTYWNOŚĆ ORAZ TECHNOLOGIE POZYSKANIA DENDROMASY
Z PLANTACJI ENERGETYCZNYCH
Wprowadzenie
Biomasę z dedykowanych wieloletnich upraw gatunków zdrewniałych (ang. short rotation
woody crops (SRWC) można pozyskiwać i wykorzystać na cele energetyczne i przemysłowe. Na północy Europy przeważnie uprawia się wierzbę, natomiast na południu topolę [Labrecque i Teodorescu 2005, Volk i in. 2006, Rédei i in. 2008, Aravanopoulos 2010, Krzyżaniak i in. 2014]. W Polsce badania w zakresie produkcyjności oraz jakości biomasy SRWC prowadzi się w kilku ośrodkach naukowych. Najbardziej rozpoznane jest plonowanie wierzby, jednakże jest ono bardzo zróżnicowane,
chociażby ze względu na dużą liczbę stosowanych gatunków i odmian. W doświadczeniach w optymalnych warunkach plony wierzby były kilkukrotnie wyższe niż na plantacjach produkcyjnych. W
Polsce spośród SRWC dominuje uprawa wierzby, a następnie topoli. Natomiast robinia akacjowa w
systemie SRWC była uprawiana tylko w małoobszarowych doświadczeniach. W ostatnim czasie w
kraju obserwuje się wzrost zainteresowania pozyskaniem topoli na cele papiernicze oraz energetyczne ze strony dużych zakładów celulozowych.
Plon gatunków i odmian SRWC pozyskiwany w różnych cyklach zbioru jest zróżnicowany, co
przekłada się na jego wartość energetyczną, a następnie na efektywność energetyczną produkcji
biomasy [Stolarski i in. 2011]. Produkcję szybko rosnących gatunków SRWC cechują wysokie nakłady
na założenie plantacji oraz produkcję biomasy. Są to główne czynniki hamujące zwiększenie areału
tych roślin na gruntach rolniczych. Przykładowo zbiór i transport wierzby są najbardziej kosztownym
i energochłonnym procesem produkcji i mogą stanowić od 39% do 60% nakładów na produkcję
biomasy. Nakłady na zbiór zależą od metody zbioru, lokalnej sytuacji jaka panuje na danym terenie,
zakresu transportu, liczby zaangażowanego sprzętu (ciągniki, przyczepy) oraz plonu z jednostki powierzchni [Volk i in. 2006, Abrahamson i in. 2008]. W związku z powyższym ciągle poszukuje się różnych możliwości obniżenia nakładów produkcji dendromasy.
Przykładowe rozwiązania zbioru SRWC
Sposób przygotowania gleby pod plantacje SRWC oraz ich pielęgnacja w okresie wegetacji w
Polsce opierają się w znacznej mierze na tradycyjnych technikach rolniczych. Natomiast zbiór wymaga indywidualnych rozwiązań, jest to związane ze stosunkowo wysokimi, a zarazem zmiennymi
oporami ścinania pędów. Przykładowo w technologii zbioru wierzby w początkowym okresie wykorzystywano techniki stosowane w rolnictwie lub leśnictwie. Z czasem modyfikowano zespoły robocze lub całe maszyny, a obecnie na rynku oferowane są specjalistyczne maszyny z nowoczesnymi
rozwiązaniami układów roboczych i jezdnych. W maszynach do zbioru wierzby stosowane są różne
mechanizmy tnące jak: piły tarczowe, piły łańcuchowe, tarcze nożowe, noże listwowe, noże bijakowe [Lechasseur i Savole 2005, Lisowski 2010].
Biomasa SRWC może być zbierana w postaci całych pędów lub zrębków. Metoda zbioru będzie zależna od cyklu zbioru rośliny, dostępności sprzętu do zbioru i oczekiwanego wykorzystania
pozyskanej biomasy. Jednoetapowy zbiór roślin w postaci zrębków może być wykonywany za pomocą silosokombajnów (jedno lub dwurzędowych) współpracujących z ciągnikami lub za pomocą
samobieżnych kombajnów ze zmodyfikowanymi hederami np. Claas Jaguar, Krone, New Holland i
inne [Lechasseur i Savole 2005, Seixas i in. 2006, Lisowski 2010]. Za pomocą tych maszyn pędy są
ścinane, a następnie rozdrabniane do postaci zrębków i ładowane na przyczepy transportowe (analogicznie jak zbiór kukurydzy na kiszonkę). Zbiór jednoetapowy jest najbardziej rozpowszechniony w
Europie. Z danych literaturowych wynika, że np. starszymi wersjami kombajnu Claas pozyskiwano
średnio około 20-30 ton zrębków na godzinę pracy [Seixas i in. 2006]. Natomiast wydajność zbioru
topoli kombajnem Claas Jaguar 880 z hederem GBE2 wahała się w przedziale 42-64 t/h i wynosiła
średnio około 55 t/h [Fiala i Bacenetti 2011]. Z kolei średnia wydajność kombajnu Krone jest szacowana nawet na 60 t/h, ponadto jest on w stanie kosić pędy o średnicy do 1500 mm [Wingels 2009].
Zbiór kombajnami jest wygodny i szybki, jednak rozpowszechnienie tych maszyn w warunkach Polski jest słabe. Maszyny te są drogie, a ich ekonomiczne użytkowanie jest uzasadnione dla dużych
plantacji [Lechasseur i Savole 2005, Spinelli i in. 2009]. Natomiast na terenie Polski mamy do czynienia z sytuacją, w której plantacje SRWC mają niewielką powierzchnię, a niekiedy są znacznie od
siebie oddalone. Dlatego też stosowanie maszyn specjalistycznych stanowi często barierę ekonomiczną dla właściciela plantacji. Należy tu dodać, że np. pędy wierzby zebrane jednoetapowo mają
wilgotność średnio ok. 50%. Ta biomasa powinna być jak najszybciej wykorzystana na cele energetyczne [Stolarski i in. 2012].
Dlatego też inną propozycją pozyskania biomasy SRWC jest zbiór dwuetapowy. Znacząca
cześć biomasy musi być przechowywana jako rezerwa. Jest to konieczne ze względu na bark możliwości zbioru biomasy np. ze względu na niesprzyjające warunki atmosferyczne (duży opad śniegu)
czy sezon roku (w praktyce rośliny powinny być koszone od końca listopada do końca marca). Dlatego też w określonych przypadkach dwuetapowy zbiór roślin jest dobrym rozwiązaniem. Istnieje
możliwość zbioru całych pędów za pomocą specjalistycznych maszyn samobieżnych lub współpracujących z ciągnikami. Pędy mogą być również koszone i formowane do postaci bel analogicznie jak
słoma zbożowa. Przykładem takiego sposobu zbioru SRWC jest biobaler WB 55. Biobaler został zaprojektowany w Kanadzie, specjalnie do pozyskiwania biomasy pochodzenia rolniczego i leśnego w
trudnych warunkach, na różnym terenie. Zbiór SRWC za pomocą biobalera łączy cięcie, ubijanie i
prasowanie w bele w jednym cyklu produkcyjnym przez jedną maszynę. Według danych producenta
optymalna wydajność biobalera wynosi 19-20 t/h, a rzeczywista około 16 t/h. Trzeba wziąć pod
uwagę rodzaj terenu, ponieważ biobaler jest w stanie wyprodukować do 40 bel na godzinę na terenie uprawnym oraz 15-18 bel na godzinę w warunkach krajobrazu naturalnego [Anderson Group,
Savoie i in. 2010]. Poza biobalerem do zbioru dwuetapowego używane są takie maszyny jak np:
Bundler, Empire 2000, Frobbesta czy Rodster [Seixas i in. 2006]. Dwuetapowy sposób pozyskania i
przygotowania biomasy umożliwia systematyczną dostawę biomasy do odbiorcy, ponieważ może
być ona wykorzystana, kiedy jest najbardziej potrzebna. Ponadto naturalne suszenie biomasy podczas jej składowania skutkuje obniżeniem jej wilgotności oraz wzrostem wartości opałowej [Stolarski i in. 2012]. Właśnie poprawa jakości biomasy pozyskanej dwuetapowo jako surowca energetycz2
nego oraz możliwość sukcesywnego dostarczania tego paliwa do odbiorcy końcowego powodują, że
jest to interesująca technologia. W szczególności w porównaniu do jednoetapowego zbioru biomasy i uzyskania mokrych zrębków, które powinny być w krótkim czasie zagospodarowane.
Efektywność energetyczna produkcji biomasy
W tabeli 1 przedstawiono efektywność energetyczną produkcji biomasy wierzby w jednorocznym i
trzyletnim cyklu zbioru. Wartość energetyczna plonu biomasy wierzby pozyskanego w jednorocznym i trzyletnim cyklu zbioru była wysoce zróżnicowana i zawierała się w przedziale od 19 do 461
GJ/ha/rok. Wartość średnia tej cechy w obu badanych technologiach była zbliżona i wyniosła odpowiednio 203 i 210 GJ/ha/rok. Wysoką wartość energetyczną plonu w trzyletnim cyklu zbioru (461
GJ/ha/rok – plon maksymalny) uzyskano w wyniku wprowadzenia do doświadczenia nowego klonu
wierzby Salix viminalis UWM 006. Badania potwierdziły przydatność tego klonu do uprawy w cyklu
trzyletnim w zagęszczeniu 25 tys. szt. roślin/ha. Zysk energii przy zbiorze roślin co roku był najwyższy (246 GJ/ha/rok) przy maksymalnym plonie. Jednakże był on o około 199 GJ/ha/rok niższy niż
uzyskany przy plonie maksymalnym w trzyletnim cyklu zbioru roślin. Wskaźnik efektywności energetycznej produkcji zrębków wierzby, wyrażony ilorazem wartości energetycznej plonu i nakładów
energii na jego wytworzenie najwyższy był przy uzyskanym maksymalnym plonie (27,3) w trzyletnim
cyklu zbioru. Był on prawie 2-krotnie wyższy niż uzyskany przy maksymalnym plonie (14,7) w jednorocznym cyklu zbioru. Niskie wartości wskaźnika efektywności energetycznej w przedziale od 2,8 do
3,9 uzyskano przy plonach minimalnych.
Tabela 1. Efektywność energetyczna produkcji biomasy wierzby w jednorocznym i trzyletnim cyklu zbioru
Wyszczególnienie
Wartość energetyczna plonu (GJ/ha/rok)
Zysk energii
(GJ/ha/rok)
Energochłonność
produkcji zrębków
(MJ/t)
Wskaźnik efektywności energetycznej
Źródło: Stolarski i in. 2014 a
Zbiór co roku
Plon
Plon
Plon średni
max.
min.
Zbiór co 3 lata
Plon
Plon średni
max.
Plon
min.
203,1
264,4
47,5
209,9
461,4
19,1
186,7
246,4
35,3
200,0
445,0
14,0
654
552
2094
406
304
2277
12,4
14,7
3,9
21,2
27,3
2,8
W innych badaniach własnych oceniano energochłonność i efektywność energetyczną produkcji zrębków siedmiu nowych odmian wierzby zbieranych w rotacji trzyletniej z plantacji towarowej. Wartość energetyczna uzyskanego plonu loco plantacja zawierała się w szerokim przedziale od
zaledwie 139 GJ/ha u odmiany UWM 155 do 727 GJ/ha u odmiany UWM 006 (tab. 2). W związku z
tym zysk energii loco plantacja wahał się odpowiednio: 125 i 697 GJ/ha. Wysoką wartość zysku
energii uzyskano również u odmiany UWM 043 (559 GJ/ha). Poniesione nakłady energetyczne oraz
wielkość uzyskanego plonu istotnie różnicują wartość energochłonności produkcji jednej tony biomasy wierzby z poszczególnych odmian. W cytowanych badaniach wykazano, że najniższe zużycie
diesla na wyprodukowanie 1 tony świeżych zrębków loco plantacja wystąpiło u odmiany UWM 006
(4,6 kg/t świeżej masy), co w przeliczeniu na 1 tonę suchych zrębków wynosiło 9,3 kg/t. U odmiany
UWM 043 zużycie diesla na wyprodukowanie 1 tony suchej biomasy było o 3% wyższe. Natomiast u
3
pozostałych odmian wartość tego wskaźnika była wyższa w zakresie od 14% do 53%, odpowiednio
dla odmian Start i UWM 155. Całkowita ilość energii zużyta na wyprodukowanie 1 tony świeżych
zrębków loco plantacja była najniższa u odmiany UWM 006 i wynosiła 352 MJ/t świeżej masy. Wartość tego wskaźnika była wyższa tylko o 25 MJ/t u odmiany UWM 043. Natomiast u odmian nisko
plonujących UWM 155 i Tur była ona około 2-krotnie wyższa. Wskaźnik efektywności energetycznej
produkcji zrębków wierzby na bramie gospodarstwa był bardzo zróżnicowany w zależności od odmiany. Najwyższą jego wartością charakteryzowały się kolejno odmiany: UWM 006 (23,9), UWM
043, Start, Turbo, UWM 035, Tur, a najniższą UWM 155 (10,2).
Tabela 2. Wybrane wskaźniki produkcji zrębków wierzby w zależności od odmiany, loco plantacja
Wyszczególnienie
Nakłady energii (GJ/ha)
Wartość energetyczna plonu
(GJ/ha)
Zysk energii (GJ/ha)
Zużycie paliwa
(kg/t świeżej masy)
Energochłonność produkcji
zrębków (MJ/t świeżej masy)
Wskaźnik efektywności energetycznej
Źródło: Stolarski i in. 2014 b
Start
Tur
19,4
14,4
Odmiana/klon
UWM UWM
Turbo
006
035
19,7
30,4
16,6
344,6
191,6
341,5
727,4
259,7
585,4
138,8
325,2
177,2
321,8
697,0
243,0
559,0
125,2
5,2
6,3
5,2
4,6
5,6
4,7
6,7
470
689
462
352
555
377
765
17,8
13,3
17,3
23,9
15,6
22,1
10,2
UWM
043
26,4
UWM 155
13,7
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Abrahamson L.P., Volk T.A., Priepke E., Aneshanaley D., White E.H., Smart L.B. 2008. Development of a willow biomass crop harvester based on a New Holland Forage Harvester and specially designed willow cutting head. Biofuels, bioenergy, and bioproducts from sustainable agricultural and forest crops: Proceedings of the Short Rotation
Crops International Conference, USA, Bloomington, 19-21 August 2008.
Anderson Group http. //www.grpanderson.com/pl/biomasa-i-lenictwo/biobaler-wb55
Aravanopoulos F.A. 2010. Breeding of fast growing forest tree species for biomass production in Greece. Biomass
and Bioenergy, 34: 1531-1537.
Fiala M., Bacenetti J. 2011. Economic, energetic and environmental impact in short rotation coppice harvesting
operations, Biomass and Bioenergy, doi:10.1016/j.biombioe.2011.07.004
Krzyżaniak M. Stolarski M.J., Waliszewska B., Tworkowski J., Szczukowski S., Załuski D., Śnieg M. 2014. Willow biomass as feedstock for an integrated multi-product biorefinery. Industrial Crops and Products, 58: 230-237.
Labrecque M., Teodorescu T.L. 2005. Field performance and biomass production of 12 willow and poplar clones in
short-rotation coppice in southern Quebec (Canada). Biomass and Bioenergy, 29(1), 1-9.
Lechasseur G., Savole P. 2005. Cutting, bundling and chipping short-rotation willow. CSAE, paper no. 05-080: 1-11.
Lisowski A. 2010. Technologie zbioru roślin energetycznych. SGGW Warszawa, ss. 146.
Rédei K., Osváth-Bujtás Z., Veperdi I. 2008. Black Locust (Robinia pseudoacacia L.) Improvement in Hungary: a Review Acta Silv. Lign. Hung., 4: 127-132.
Savoie P., Lavoie F., D’Amours L., Schroeder W., Kort J. 2010. Harvesting natural willow rings with a bio-baler
around Saskatchewan prairie marshes. Canadian Biosystems Engineering, 52: 2.1-2.5.
Seixas F., Couto L., Rummer R.B. 2006. Harvesting short- rotation woody crops (SRWC) for energy. Biomassa and
Energia, 3(1): 1-16.
Spinelli R, Nati C, Magagnotti N. 2009. Using modified foragers to harvest short-rotation poplar plantations. Biomass and Bioenergy, 33: 817-21.
Stolarski M.J, Szczukowski S., Tworkowski J., Krzyżaniak M. 2012. Lignocellulosic biomass production and deliver for
biorefineries. Danish Crop Production Conference 2012, Herning, Denmark 11.01.2012.
4
14. Stolarski M.J., Krzyżaniak M. Tworkowski J., Szczukowski S., Gołaszewski J. 2014b. Energy intensity and energy ratio
in producing willow chips as feedstock for an integrated biorefinery. Biosystems Engineering, 123: 19-28.
15. Stolarski M.J., Krzyżaniak M., Szczukowski S., Tworkowski J. 2014a. Efektywność energetyczna produkcji biomasy
wierzby w jednorocznym i trzyletnim cyklu zbioru. Fragm. Agron., 31(2): 88-95.
16. Stolarski, M. J., Szczukowski, S., Tworkowski, J., Wróblewska, H., Krzyżaniak, M. 2011. Short rotation willow coppice
biomass as an industrial and energy feedstock. Industrial Crops and Products, (33): 217-223.
17. Volk T.A., Abrahamson L.P., Nowak C.A., Smart L.B, Tharakan P.J., White E.H. 2006. The development of short rotation willow in the northestern United States for bioenergy and bioproducts, agroforestry and phytoremediaton. Biomass and Bioenergy, 30: 715-727.
18. Wingels. H. 2009. Harvesting procedures in short rotation plantations. International Energy Farming Congress,
Papenburg, Germany 10-12 March 2009. CD-ROM.
5