technologie produkcji i wykorzystania odnawialnych źródeł energii

INŻYNIERIA W ROLNICTWIE. MONOGRAFIE NR 20
ENGINEERING IN AGRICULTURE. MONOGRAPHS NO. 20
Anna Grzybek, Jan Pawlak
TECHNOLOGIE PRODUKCJI I WYKORZYSTANIA
ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII
W ROLNICTWIE ORAZ KOSZTY I BARIERY
ICH STOSOWANIA
TECHNOLOGY OF PRODUCTION AND USE
AS WELL AS COSTS AND BARRIERS
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
dr hab. inż. Piotr Pasyniuk
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: Iwona Ornoch
Skład komputerowy i przygotowanie do druku: Anna Wysocka
© Copyright by Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach (ITP), 2015
ISBN 978-83-62416-89-9
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. 9,0. Nakład 220 egz.
Spis treści
Wykaz ważniejszych definicji i pojęć .............................................................................................5
Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów ...................................................................................10
1. WPROWADZENIE (Jan Pawlak) ............................................................................................13
2. TECHNOLOGIE PRODUKCJI I WYKORZYSTANIA ENERGII ODNAWIALNEJ
(Anna Grzybek, Marek Hryniewicz) ........................................................................................14
2.1. Wprowadzenie .................................................................................................................14
2.2. Technologie związane z energetycznym wykorzystaniem biomasy stałej .....................15
2.3. Technologia produkcji biopaliw ciekłych I generacji ........................................................35
2.4. Biopaliwa drugiej generacji ..............................................................................................39
2.5. Biogaz ..............................................................................................................................45
2.6. Technologie wytwarzania energii z wykorzystaniem energii Słońca ..............................51
2.7. Technologie wytwarzania energii z wykorzystaniem pompy ciepła ................................56
2.8. Technologie wytwarzania energii z wykorzystaniem energii wiatru ................................58
2.9. Podsumowanie ................................................................................................................59
3. ANALIZA KOSZTÓW PRODUKCJI I KONKURENCYJNOŚCI OZE (Jan Pawlak) ..............61
3.1. Wprowadzenie .................................................................................................................61
3.2. Metoda oceny celowości zastosowania OZE w gospodarstwie rolnym .........................61
3.3. Oceny celowości zastosowania OZE w gospodarstwie rolnym ......................................64
3.4. Podsumowanie ................................................................................................................72
4. WPŁYW PRODUKCJI OZE NA KOSZTY I POZIOM DOCHODÓW
W GOSPODARSTWACH ROLNYCH (Anna Grzybek, Adam Świętochowski) .....................73
4.1. Wstęp ..............................................................................................................................73
4.2. Koszty energii z tradycyjnych źródeł w działalności rolniczej .........................................74
4.3. Koszty energii z OZE w działalności rolniczej .................................................................74
4.4. Porównanie kosztów prowadzenia działalności rolniczej z zastosowaniem
tradycyjnych i odnawialnych źródeł energii .....................................................................78
4.5. Przykład możliwości substytucji energii konwencjonalnej energią z OZE
w gospodarstwie rolnym ..................................................................................................83
4.6. Podsumowanie ................................................................................................................86
5. PRODUKCJA ENERGII ODNAWIALNEJ Z BIOMASY W ROLNICTWIE
A BEZPIECZEŃSTWO ŻYWNOŚCIOWE (Jan Pawlak) .......................................................88
5.1. Wprowadzenie .................................................................................................................88
5.2. Założenia metodyczne i materiał źródłowy......................................................................89
5.3. Obecna i przewidywana sytuacja w światowej gospodarce żywnościowej ....................90
5.4. Produkcja energii z biomasy w Polsce i jej skutki ...........................................................99
5.5. Podsumowanie ..............................................................................................................108
6. SZANSE I ZAGROŻENIA ZWIĄZANE Z PRODUKCJĄ OZE W ROLNICTWIE
(Anna Grzybek) .....................................................................................................................109
6.1. Analiza SWOT dotycząca pozyskania biomasy z rolnictwa ..........................................109
6.2. Analiza SWOT dotycząca pozyskania biomasy z produktów ubocznych rolnictwa
i przetwórstwa rolno-spożywczego ................................................................................111
6.3. Analiza ryzyka pozyskania biomasy rolnej ....................................................................115
6.4. Istniejąca struktura legislacyjna i regulacyjna w odniesieniu do OZE – bariery
administracyjne ..............................................................................................................119
7. PODSUMOWANIE (Anna Grzybek, Jan Pawlak) ................................................................121
8. BIBLIOGRAFIA .....................................................................................................................123
Streszczenie ..............................................................................................................................129
ZAŁĄCZNIKI ..............................................................................................................................131
Contents
List of important definitions and terms..........................................................................................5
List of important symbols and abbreviations…...........................................................................10
1. INTRODUCTION (Jan Pawlak)...............................................................................................13
2. TECHNOLOGIES OF PRODUCTION AND UTILIZATION OF RENEWABLE ENERGY
(Anna Grzybek, Marek Hryniewicz) .......................................................................................14
2.1. Introduction ......................................................................................................................14
2.2. Technologies of energy use of solid biomass .................................................................15
2.3. Liquid biofuels production technology I generation .........................................................35
2.4. Second generation biofuels .............................................................................................39
2.5. Biogas ..............................................................................................................................45
2.6. Technologies of producing energy with the use of solar power ......................................51
2.7. Technologies of producing energy with the use of a heat pump ....................................56
2.8. Technologies of producing energy with the use of wind energy .....................................58
2.8. Summary ..........................................................................................................................59
3. ANALYSIS OF PRODUCTION COSTS AND COMPETITIVENESS OF RES
(Jan Pawlak) ............................................................................................................................61
3.1. Introduction ......................................................................................................................61
3.2. Method of evaluating the advisability of the use of RES in a farmstead .........................61
3.3. Assessments of advisability of the use of RES in a farmstead .......................................64
3.4. Summary ..........................................................................................................................72
4. THE IMPACT OF RES PRODUCTION ON COSTS AND LEVEL OF INCOME
OF FARMSTEADS (Anna Grzybek, Adam Świętochowski)...................................................73
4.1. Preface.............................................................................................................................73
4.2. Costs analysis of running an agricultural operation with the use of traditional energy
sources ............................................................................................................................74
4.3. Costs analysis of running an agricultural operation with the use of RES .......................74
4.4. Costs comparison of running an agricultural operation with the use of traditional
and renewable energy sources ......................................................................................78
4.5. Example of the possibilities for substituting conventional energy with energy
from RES in a farmstead..................................................................................................83
4.6. Summary ..........................................................................................................................86
5. PRODUCTION OF RENEWABLE ENERGY FROM BIOMASS IN AGRICULTURE
AND FOOD SAFETY (Jan Pawlak) ........................................................................................88
5.1. Introduction ......................................................................................................................88
5.2. Methodical assumptions and source material .................................................................89
5.3. The current and anticipated situation in the world food economy...................................90
5.4. Energy production from biomass in Poland and its consequences ................................99
5.5. Summary ........................................................................................................................108
6. CHANCES AND RISKS RELATED TO THE PRODUCTION OF RES IN AGRICULTURE
(Anna Grzybek) .....................................................................................................................109
6.1. SWOT analysis concerning the obtaining of biomass from agriculture ........................109
6.2. SWOT analysis concerning the obtaining of biomass from agricultural and food-processing byproducts ..................................................................................................111
6.3. Analysis of risk in obtaining agricultural biomass ..........................................................115
6.4. Existing legislative and regulative structure with reference to RES – administrative
barriers ...........................................................................................................................119
7. SUMMARY (Anna Grzybek, Jan Pawlak) ............................................................................121
8. BIBLIOGRAPHY ...................................................................................................................123
Summary ...................................................................................................................................130
ATTACHMENTS .......................................................................................................................131
Streszczenie
W monografii przedstawiono: opis technologii produkcji i wykorzystania energii odnawialnej, mającej zastosowanie w rolnictwie; analizę kosztów i konkurencyjności produkcji
OZE; ocenę wpływu produkcji OZE na koszty i dochody w gospodarstwach rolnych;
przewidywany wpływ produkcji energii z biomasy rolniczej na bezpieczeństwo żywnościowe kraju i wartość produkcji w rolnictwie; ocenę szans i zagrożeń związanych
z produkcją energii z zasobów odnawialnych w rolnictwie i przemyśle spożywczym.
Dysponujemy obecnie zaawansowanymi technologiami produkcji energii z zasobów odnawialnych, których mamy wiele do wyboru. Przy wyborze odnawialnego źródła energii
potrzebna jest wnikliwa analiza, w której z jednej strony trzeba brać pod uwagę charakterystykę tego źródła, z drugiej zaś – warunki, w jakich ma ono być zastosowane.
O celowości zastosowania OZE decyduje kryterium efektywności, zarówno ekonomicznej, jak i energetycznej. Trzeba też brać pod uwagę skutki pośrednie tzn. oddziaływanie
na środowisko naturalne, a także (w przypadku korzystania z biomasy) – na konkurencję
energii produkowanej z tego źródła w stosunku do żywności. W tym przypadku wpływ ten
nie ogranicza się tylko do zmniejszenia powierzchni upraw dostarczających żywność
i pasze, ale także (w przypadku słomy) do zmniejszenia zawartości substancji organicznych w glebie, z konsekwencjami w postaci pogorszenia żyzności gleby i spadku plonów
w przyszłości.
Zmienność cen konwencjonalnych nośników energii oraz środków produkcji stosowanych
w procesach pozyskiwania OZE, a zwłaszcza proporcji między poszczególnymi cenami
powoduje, że analizy dotyczące celowości zastosowania energii z zasobów odnawialnych
w krótkim czasie tracą aktualność i muszą być na bieżąco aktualizowane, co powoduje
wątpliwości odnośnie do przydatności takich analiz jako podstawy podejmowania decyzji
odnośnie do inwestycji związanych z budową lub zakupem instalacji umożliwiających
korzystanie z energii odnawialnej. W celu zmniejszenia ryzyka podjęcia błędnej decyzji
w zakresie inwestowania w energetykę odnawialną można posłużyć się metodą analizy,
w której miernik pieniężny zastępuje się odpowiednimi wskaźnikami energochłonności
skumulowanej.
Wobec przewidywanego zwiększania plonów roślin uprawnych oraz zmniejszania liczby
ludności, wzrost areału upraw na cele energetyczne do ok. 991–1 652 tys. ha w 2030 r.
nie spowoduje niedoboru żywności w Polsce. Nastąpi jednak wzrost cen żywności średnio o 5–12%, w tym zbóż o 5–18%. Wskutek zwiększenia produkcji biomasy energetycznej wartość dodana brutto w rolnictwie może być w 2030 r. o 2,2–4,3% wyższa niż
w 2010 r., co spowoduje wzrost przeciętnych dochodów ludności rolniczej. Dynamika
tego wzrostu będzie zależeć od tempa zmniejszania liczby tej ludności.
Wytwarzanie energii z zasobów odnawialnych w Polsce utrudniają liczne, opisane
w pracy, bariery natury ekonomicznej, technologicznej, informacyjnej, edukacyjnej,
a także niestabilna polityka odnośnie do OZE i utrudnienia formalne, wydłużające okres
realizacji inwestycji oraz brak stabilnego rynku biopaliw.
Summary
The monograph presents: a description of production and usage technology of renewable
energy, applicable in agriculture; analysis of the costs and competitiveness of production
of RES; assessment of the impact of RES production on costs and incomes of farmsteads; the expected impact of energy production from agricultural biomass on the country’s food safety and the value of production in agriculture; assessment of opportunities
and risks related to the production of energy from renewable resources in agriculture and
food industry.
We now have at our disposal advanced production technologies of energy from renewable resources, which we have a lot to choose from. When choosing a renewable energy
source a thorough analysis is needed, in which on the one hand, we must take into the
account the characteristics of this source, on the other hand – the conditions in which it is
supposed to be applied.
The advisability of the use of RES is determined by the efficiency criterion, both economic
and energy. It is also necessary to take into consideration indirect effects i.e. the impact
on the environment, and also (in case of using biomass) – the competitiveness of the
energy produced from this source in relation to food. In this case that impact is not limited
to a reduction in the cultivation area of food and feed crops, but also (in case of straw) to
a reduction of the content of organic substances in the soil, with consequences in the
form of a deterioration of soil fertility and declining yields in the future.
Variability of prices for conventional energy carriers and means of production used in the
processes of acquiring RES and especially the proportion between different prices, causes the analyses concerning advisability of the use of energy from renewable resources to
lose topicality in a short time and forces their systematical updates, what causes doubts
as to the usefulness of such analyses as a basis for decision making with regard to investments related to the construction or purchase of installations allowing the use of renewable energy. In order to reduce the risk of making a wrong decision when investing in
renewable energy you can use the method of analysis, in which the financial measure is
replaced by the corresponding rates of cumulative energy consumption.
In view of the predicted increase of crop yields and the population decline, the increase of
acreage for energy purposes to approx. 991–1652 thous. ha in the year 2030, will not
cause food shortages in Poland. There will, however, be a rise in food prices by an average of 5–12% including cereals by 5–18%. As a result of increasing production of energy
biomass gross value added in agriculture could be in the year 2030 by 2.2–4.3% higher
than in the year 2010, which will increase the average income of the agricultural population. The dynamics of this growth will depend on the rate of decrease in the number of
this population.
The production of energy from renewable resources in Poland is hindered by many, described in this work, barriers of economical, technological, informative, educational nature
and also an unstable policy with regard to RES and formal difficulties, extending the period of investment realization as well as the lack of a stable biofuel market.