Odnawialne źródła energii w rolnictwie

Współczesne gospodarstwo rolne potrzebuje coraz większej ilości energii. Główna jej część jest zużywana na potrzeby produkcyjne. Wzrasta również jej zużycie w gospodarstwie domowym.

Wykorzystanie energii stanowi jedną z podstawowych przesłanek rozwoju gospodarczego, społecznego i poprawy jakości życia, stąd też zapotrzebowanie na energię nieustannie rośnie i potrzeby te są pokrywane głównie dzięki paliwom kopalnym. Paliwa konwencjonalne takie jak węgiel, ropa czy gaz ziemny pokrywają 80% światowego zapotrzebowania na energię i ceny na te nośniki energii stale rosną. Konieczność rozwijania technologii energetycznych bazujących na odnawialnych źródłach energii wynika przede wszystkim z negatywnych zmian stanu środowiska, które osiągnęły już taki poziom w skali światowej, że wymagane są szybkie działania ograniczające te zmiany. Za takim rozwiązaniem przemawiają względy oszczędnościowe i troska o środowisko naturalne, ponieważ intensywne wykorzystanie i przetwarzanie tradycyjnych surowców energetycznych wywiera bardzo niekorzystny wpływ na zasoby natury. W tej sytuacji uzasadnione wydaje się poszukiwanie nowych sposobów pozyskiwania niewyczerpalnych, czystych ekologicznie źródeł energii. Energetyka oparta na źródłach odnawialnych, takich jak: woda, słońce, wiatr, biomasa, biogaz, biopaliwa i geotermia pozwala uzyskać energię elektryczną, bądź cieplną bez uciążliwych odpadów i skażeń środowiska powstających w procesie produkcji w tradycyjnych elektrowniach np. węglowych a wykorzystanie tych zasobów pozwala na oszczędzanie zasobów energii konwencjonalnej.

Produkcja biomasy z wybranych gatunków roślin na cele energetyczne

Biomasa roślinna, jako bezpośrednie źródło energii, była wykorzystana do czasu pojawienia się kopalnych źródeł energii. Ze względu na ograniczoność tych zasobów i wzrastające zanieczyszczenie środowiska potrzebne staje się zwrócenie uwagi na odnawialne źródła energii, w tym na biomasę. Do tego celu mogą być wykorzystane; wierzba wiciowa (salix viminalis), ślazowiec pensylwański (Sida hermaphrodita Rusby) potocznie zwana malwą pensylwańską, gatunki traw z rodzaju Miscanthus, topinanbur (Helianthus tuberosus) i szereg innych roślin tzw. energetycznych, odznaczających się szybkim tempem wzrostu i łatwością przyswajania składników pokarmowych z gleby.

Produkcja biomasy z wymienionych gatunków roślin na cele energetyczne z wykorzystaniem potencjalnych możliwości plonowania jest argumentem przemawiającym za szerokim stosowaniem tych roślin jako roślin energetycznych. (Tab.1)

Tabela 1. Plonowanie, wydajność energetyczna i równowartość plonu wybranych gatunków roślin w tonach węgla. (wg. AR w Lublinie)

Gatunek	Plon w (t.s.m./ha)	Ciepło spalania (MJ/kg)	Równowartość plonu w t węgla
Miskant olbrzymi	26	17,0	17,7
Ślazowiec pensylwański	12	13,0	6,2
Wierzba wiciowa	12	16,7	8,0

Wytworzone paliwo na plantacjach energetycznych, spalane w piecach nie zwiększa stężenia CO2 w atmosferze (cykl zamknięty), niska jest również emisja siarki (0,03%) i związków z grupy tlenków azotu (0,01%). Spalanie biomasy z tych roślin nie wywiera niekorzystnego wpływu na środowisko naturalne i jest zgodne z zasadą zrównoważonego rozwoju. Spośród różnych rodzajów biomasy, w Polsce do produkcji ciepła, należy wziąć pod uwagę inne rodzaje: np. słoma z rzepaku, słonecznika, zbóż a nawet kukurydzy uprawianej z przeznaczeniem na ziarno oraz odpady drzewne z lasów i z przemysłu drzewnego. Plantacje roślin energetycznych dają możliwość wykorzystania mało urodzajnych lub skażonych gleb pod uprawę, co stwarza możliwości wdrażania alternatywnej produkcji rolnej na cele energetyczne.

Biogaz

Nie każdy rodzaj biomasy jest przydatny do bezpośredniego spalania. Większą jej część charakteryzuje duże uwilgotnienie. Taki surowiec jest również możliwy do wykorzystania jako źródło energii, a ściślej paliwa gazowego. Przetwarzanie takiej biomasy przez bakterie fermentacyjne w warunkach beztlenowych prowadzą do powstania gazu palnego o zawartości ok. 80% metanu. Pozostałe 20% to dwutlenek węgla, amoniak, siarkowodór i inne.

Wykorzystanie i opanowanie tego naturalnego procesu umożliwia produkcję gazu energetycznego z biomasy odpadowej zawartej w ściekach komunalnych, ściekach przemysłowych z przetwórni rolno-spożywczych, w odpadach organicznych śmieci komunalnych, w odpadach i ściekach organicznych z zakładów przemysłowych, w odchodach zwierzęcych, szlamach oraz osadach z oczyszczalni ścieków. Proces ten pozwala na utylizację najbardziej uciążliwych odpadów organicznych "produkowanych" przez człowieka.

Produkcja biopaliw z roślin energetycznych

Istnieją obecnie racjonalne i naukowo udowodnione przesłanki do stwierdzenia, że przyszłość przemysłu paliwowego nie należy wiązać z przemysłem wydobywczym, lecz w znacznej części z rolnictwem. Technologie pozyskiwania estrów metylowych kwasów tłuszczowych z rafinacji oleju rzepakowego biodiesla, bioetanolu, czyli odwodnionego alkoholu etylowego z fermentacji węglowodanów, oraz eteru etulo-tert-butylowego (pol. EETB, ang. ETBE) z etanolu są coraz mniej kosztowne, doskonalsze i bezpieczniejsze dla środowiska.

Z pewnością w niedalekiej przyszłości pojawią się uprawy rolnicze przeznaczone tylko dla przemysłu paliwowego. A wśród tych upraw rzepak i kukurydza mogą zająć pierwsze pozycje jako rośliny energetyczne. U podstaw produkcji biopaliwa rzepakowego leży ilość dostępnych nasion rzepaku, po cenie warunkującej opłacalność produkcji. Do celów paliwowych należy wybierać te odmiany, które cechują się dużą zawartością tłuszczu, niską zawartością glukozynolanów i dobrze zimują.

Nasiona rzepaku przeznaczone do przerobu na biopaliwo powinny spełniać następujące wymagania:

- odmiany podwójnie ulepszone "00",

- zawartość oleju 40-45%,

- wilgotność 6-8%,

- zanieczyszczenia 1%.

Technologia uprawy rzepaku i przerobu nasion na biopaliwa nie różni się zasadniczo od dotychczas stosowanej pod kątem wymagań agrotechnicznych. Wymagania agrotechniczne rzepaku są jednak dużo większe w porównaniu do zbóż. Jako uprawa i plonowanie udaje się na glebach zmeliorowanych, przepuszczalnych, zasobnych w próchnicę i o odczynie zbliżonym do obojętnego. Oprócz wymagań klimatycznych rzepak ma duże wymagania nawozowe.

Na uwagę rolników i producentów pasz zasługuje to, że powstający w procesie tłoczenia oleju rzepakowego produkt uboczny, jakim są wytłoki (zawierające 10-15% oleju i ok. 30% białka) stanowią cenną, wysokoenergetyczną paszę do bezpośredniego skarmiania i do produkcji mieszanek paszowych dla zwierząt. Oprócz nasion pewną wartość może stanowić słoma rzepakowa w przypadku wykorzystania jej na cele opałowe do spalania w kotłowniach energetycznych. Zakładając przeznaczenie oleju z rzepaku do produkcji biopaliwa, należy uwzględnić jako konieczny warunek opłacalności uprawy rzepaku dla producenta.

Stosowane są dwie metody wydobywania oleju (odolejenia)

- wstępne tłoczenie i ekstrahowanie za pomocą rozpuszczalników np. benzyny,

- wytłaczanie mechaniczne przy użyciu pras ślimakowych.

W pierwszym przypadku po odolejeniu nasion rzepaku otrzymyje się śrutę poekstrakcyjną o zawartości 1-2% tłuszczu, zaś przy wytłaczaniu powstają wytłoki o zawartości 8-14% tłuszczu. Metoda tłoczenia i ekstrachowania jest stosowana w dużych zakładach przemysłowych, natomiast wytłaczanie w małych rolniczych agrorafineriach. Przy tłoczeniu na zimno prasą ślimakową z 1000 kg nasion rzepaku o zawartości 40% oleju uzyskuje się 700 kg wytłoków o zawartości 12% tłuszczu i 32% białka oraz 300 kg oleju surowego. Przetwarzając olej surowy na biopaliwo, uzyskuje się 250 kg biodiesla, i około 40 l gliceryny.

Wykorzystanie etanolu jako paliwa z kukurydzy i innych roślin energetycznych

Istniejący stan prawny umożliwia od kilku lat przemysłowi paliw płynnych wykorzystywanie odwodnionego spirytusu etylowego jako komponentu benzynowego.

Głównymi producentami etanolu przemysłowego są gorzelnie, które jako surowiec stosują ziarna zbóż Nie są to jednak najlepsze (czyli najwydajniejsze) źródła węglowodanów do fermentacji alkoholowej. Wyniki prezentowane w tabeli 3 wyraźnie wskazują na kukurydzę jako na bardziej efektywny surowiec do produkcji etanolu (w przeliczeniu na jednostkę plonu). Z 1ha buraków cukrowych można uzyskać, co prawda więcej etanolu, ale fermentacji należy wtedy poddać dużo większą masę surowca, co zwiększa koszty produkcji alkoholu.

Tabela 3. Wydajność produkcji etanolu z różnych roślin uprawnych (IUNG Puławy)

Roślina	Zawartość skrobi lub cukru (%)	Wydajność etanolu (l/t)	Plon (t/ha)	Etanol (l/ha)	Ekwiwalent benzyny (l)
Kukurydza	65,0	417	8,0	3336	2234
Burak cukrowy	16,0	98	45,0	4410	2953
Ziemniak	17,8	120	16,0	1920	1280
Żyto	62,0	390	2,8	1092	730

Tak więc z 1 t ziarna kukurydzy, przy plonie 8 t z 1 ha możemy otrzymać 417 l bioetanolu. Kukurydza jest obecnie najbardziej efektywnym pod względem energetycznym i pod względem wielkości produktu z jednostki powierzchni z jednostki plonu źródłem surowca do produkcji etanolu.

Odnawialne Źródła Energii (OZE)

Energetyka oparta na wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii jest znana człowiekowi od zarania dziejów. Promienie słoneczne wykorzystywane były do ogrzewania i suszenia już przez człowieka pierwotnego. Palenie ognisk, a więc spalanie biomasy w celach energetycznych, stanowiło pierwszy, znaczący skok cywilizacyjny. W czasach średniowiecza powszechnie już wykorzystywano energię wiatru i wody do napędzania urządzeń, które świadczyły pracę na rzecz człowieka - wiatraków i młynów wodnych.

Rodzaje biomasy

Stałe, płynne i gazowe biopaliwa produkowane są z biomasy, która sama występuje w rozmaitych stanach skupienia. Istnieją jednak różne rodzaje biopaliw w określonym stanie skupienia, podobnie jak różne są rodzaje surowców, wykorzystywanych do ich produkcji. Wśród biopaliw stałych wyróżniamy np. brykiet, który może być wytwarzany z każdego rodzaju biomasy roślinnej, lecz najczęściej produkowany jest z trocin, wiórów, zrębków drzewnych czy słomy oraz pelety, do produkcji których nadaje się kora, zrębki, rośliny energetyczne i słoma, lecz najczęściej wykorzystywane są trociny i wióry. Podobnie biopaliwa płynne – bioolej, biodiesel czy bioalkohole - produkowane są z rozmaitych surowców, przy użyciu rozmaitych technologii. Jeśli chodzi o biopaliwa gazowe , to obok pozyskiwanego w procesie fermentacji metanowej biogazu do celów energetycznych wykorzystywany jest także holzgas, czyli gaz drzewny powstający w procesie pirolizy.

Biopaliwo to biomasa, którą przy użyciu metod fizycznych, chemicznych bądź biochemicznych przygotowano do wykorzystania w celach energetycznych.

DREWNO I ODPADY DRZEWNE

Drewno było podstawowym surowcem energetycznym jeszcze w początkach XX wieku. Choć później jego miejsce zajęły paliwa kopalne, drewno nie przestało odgrywać istotnej roli w budownictwie, meblarstwie i innych sektorach gospodarki, takich, jak przemysł chemiczny czy górnictwo.

Pod względem składu chemicznego drewno jest substancją niejednorodną, zawierającą głównie celulozę, hemicelulozę, ligninę i wodę. Wraz z wiekiem drzewa nasila się proces lignifikacji: zawartość ligniny w drewnie wzrasta, a zawartość wody maleje.

Drewno kawałkowe to:

pozostałość (ok. 2%) drewna konstrukcyjnego, przycinanego na wymiar, bądź też

odpad z produkcji przycinanych na wymiar półwyrobów (np. fryzów), lub

materiał nie spełniający norm półwyrobu (stanowi nawet do 50% przerabianego drewna)

jego wartość opałowa wynosi 11-22 MJ/kg, wilgotność – 20-30%, a zawartość popiołu 0,6-1,5% suchej masy zawiera minimalne ilości kory.

Trociny stanowią około 10% drewna przerabianego w tartakach. Są także produktem ubocznym skrawania, frezowania itp. w zakładach bardziej zaawansowanej obróbki drewna. Oczyszczone z drewna kawałkowego stanowią cenne paliwo i mogą być wykorzystywane w kotłowniach. Poziom wilgotności trocin jest zróżnicowany i waha się od 6-10% do 45-65% dla trocin z niedawno ściętego drzewa. Przy wilgotności 5-15% zawartość popiołu wynosi mniej niż 0,5%. Wady trocin to trudności związane z magazynowaniem, skłonność do zaparzania (trociny bukowe) i podatność na zawilgocenia. Z uwagi na te słabe punkty trociny powinny być spalane w pierwszej kolejności.

Wióry są, podobnie jak trociny, produktem ubocznym przemysłu drzewnego, powstającym podczas skrawania i frezowania. Cechą charakterystyczną wiórów jest niska wilgotność (5-15%). Zawierają niewielką ilość zanieczyszczeń.

Zrębki drzewne to rozdrobnione drewno w postaci długich na 5-50 mm ścinków o nieregularnych kształtach. Są produkowane:

podczas pierwszego trzebienia drzewostanów, wierzchołków i innych pozostałości po wyrębach,

podczas obrabiania kłód w tartakach,

na szyborosnących plantacjach wierzby,

z odpadów drzewnych w dużych zakładach przetwarzających drewno.

Wartość opałowa zrębków wynosi 6-16 MJ/kg, wilgotność 20-60%, a zawartość popiołu, którą zwiększa ewentualne zanieczyszczenie kamieniami, glebą i piachem stanowi od 0,6 do 1,5% suchej masy. Zrębki są doskonałym paliwem dla kotłów, wykorzystuje się je również do produkcji płyt wiórowych i jako topnik w hutnictwie. Wadą tego paliwa jest wrażliwość na zmiany wilgotności powietrza i podatność na choroby grzybowe. Długo magazynowane zrębki powinny być co jakiś czas przewracane.

Kora to wartościowy pod względem energetycznym odpad przemysłu drzewnego, stanowiący od 10 do 15% masy pozyskiwanego drewna. Jej wartość opałowa wynosi 18,5-20 MJ/kg, wilgotność 55-65%, a zawartość popiołu, który ma tendencję do żużlowania stanowi 1-3% suchej masy. Część kory zostaje podczas obróbki drewna przetworzona na trociny. Korę przed podaniem do kotła z podajnikiem ślimakowym należy poddać zrębkowaniu w rębaku z górnym zasypem, zrębkowanie kory przebiega jednak szybko i pochłania niewielkie ilości energii.

Paliwo uszlachetnione, czyli brykiet i pelety cechuje się wysoką wartością opałową, za którą odpowiada niska wilgotność i małą objętością, związaną z dużym ciężarem właściwym. Zaletą brykietu i pelet to ich jednolita wielkość, ułatwiająca wykorzystanie.

Brykiet drzewny to walec lub kostka, utworzona z suchego rozdrobnionego drewna (trocin, wiórów czy zrębków), sprasowanego pod wysokim ciśnieniem bez dodatku substancji klejących. W czasie zachodzącego pod ciśnieniem 200 atmosfer procesu brykietowania wydziela się lignina, która po obniżeniu temperatury zastyga, spajając surowiec w formie brykietu. Duże zagęszczenie materiału w stosunku do objętości sprawia, że proces spalania brykietu zachodzi stopniowo i powoli. Wartość energetyczna: 19-21 GJ/t; wilgotność: 6-8%; zawartość popiołu: 0,5-1% suchej masy.

Pelety (inaczej granulat) to produkowane z odpadów drzewnych - najczęściej z trocin i wiórów - długie na kilka cm granulki o średnicy 6-25 mm. Granulat wytłacza się w prasie rotacyjnej, bez dodatku substancji klejącej i pod dużym ciśnieniem, które umożliwia duże zagęszczenie surowca. Pelety są paliwem łatwym do transportowania, najpraktyczniejszym w magazynowaniu i najwygodniejszym w eksploatacji. Ich zaletą jest też bardzo niska zawartość popiołu (0,4-1% suchej masy). Wartość energetyczna pelet wynosi 16,5-17,5 MJ/kg, a wilgotność 7-12%.

ROŚLINY POCHODZĄCE Z UPRAW ENERGETYCZNYCH

Bogate w związki celulozowe i ligninowe rośliny energetyczne mogą być wykorzystywane do produkcji energii cieplnej i energii elektrycznej oraz do wytwarzania paliw: zarówno ciekłych jak i gazowych. Rośliny energetyczne można przy tym spalać albo w całości, albo w formie wyprodukowanego z nich brykietu czy pelet. Uprawy energetyczne umożliwiają zagospodarowanie nisko produktywnych bądź zdegradowanych terenów rolniczych, co ma niemałe znaczenie w naszym kraju, gdzie na ponad 20% terenu stężenie metali ciężkich w glebie przekracza dopuszczalne normy.

Czy wiesz, że...

Rośliny energetyczne mają szczególną zdolność do akumulowania zanieczyszczeń w systemie korzeniowym. Ich plantacja może w ciągu 15 lat oczyścić glebę z takich metali ciężkich, jak arsen, ołów, chrom, miedź, mangan, nikiel, rtęć i cynk. Dodatkowym plusem takiej rekultywacji jest fakt, że zanieczyszczenia gromadzą się wyłącznie w korzeniach roślin, nie przenikają więc do produktów spalania. Mimo to plantacje energetyczne mają również pewne wady: powstawanie wielkoobszarowych monokultur jest niekorzystne dla środowiska, poza tym uprawy energetyczne mogą prowadzić do ograniczenia lub wręcz eliminacji bioróżnorodności i powodować wyjałowienie gleby.

Pożądane cechy roślin energetycznych to:

duży przyrost roczny,

wysoka wartość opałowa,

znaczna odporność na choroby i szkodniki oraz

stosunkowo niewielkie wymagania glebowe.

Wyróżniamy cztery podstawowe grupy roślin energetycznych:

rośliny uprawne roczne: zboża, konopie, kukurydza, rzepak, słonecznik, sorgo sudańskie, trzcina;

rośliny drzewiaste szybkiej rotacji: topola, osika, wierzba, eukaliptus;

szybkorosnące, rokrocznie plonujące trawy wieloletnie: miskanty, trzcina, mozga trzcinowata, trzcina laskowa;

wolnorosnące gatunki drzewiaste.

W Polsce jedną z najczęściej uprawianych roślin energetycznych jest wierzba wiciowa (zwana też energetyczną). Jej uprawa w naszym kraju jest opłacalna ze względu na korzystne warunki klimatyczne, które są lepsze od warunków panujących na przykład w Szwecji. W związku z dużym zainteresowaniem uprawami energetycznymi należy się jednak spodziewać wprowadzania coraz to nowych gatunków i odmian roślin.

Więcej informacji na temat plantacji energetycznych i gatunków najpopularniejszych roślin energetycznych znajduje się w dziale pt. „Uprawy energetyczne”.

PRODUKTY I ODPADY ROLNICZE

Tak, jak uprawa roślin energetycznych umożliwia zagospodarowanie nieużytków rolnych, tak wykorzystanie na cele energetyczne nadwyżek i odpadów produkcji rolnej zapobiega marnotrawstwu żywności i rozwiązuje problem utylizacji odpadów. Słoma, siano, buraki cukrowe, trzcina cukrowa, ziemniaki, rzepak czy pozostałości przerobu owoców bądź zwierzęce odchody to cenne z energetycznego punktu widzenia surowce, które warto wykorzystywać. Najbardziej rozpowszechnione jest wykorzystywanie do celów energetycznych słomy.

Słoma to – jak podaje „Mała Encyklopedia Rolnicza” – „dojrzałe lub wysuszone źdźbła roślin zbożowych”, a także wysuszone rośliny strączkowe, len czy rzepak. W energetyce znajduje zastosowanie słoma wszystkich rodzajów zbóż oraz rzepaku i gryki, przy czym za szczególnie cenną uchodzi słoma żytnia, pszenna, rzepakowa i gryczana oraz osadki kukurydzy. Słoma jest zasadniczo wykorzystywana jako pasza i jako podściółka w hodowli zwierząt gospodarskich, do celów energetycznych wykorzystuje się zaś jej nadwyżki. Z drugiej strony dużą wartość energetyczną ma zupełnie nieprzydatna w rolnictwie słoma rzepakowa, bobikowa i słonecznikowa.

Wykorzystanie nadwyżek słomy do celów energetycznych pozwala uniknąć ich spalania na polach. Ta częsta praktyka wyrządza wielkie szkody środowisku naturalnemu, stąd kraje posiadające mało inwentarza, lecz produkujące dużo zbóż i dużo rzepaku starają się znaleźć alternatywne formy wykorzystywania słomy – na przykład Kanadyjczycy używają jej do produkcji płyt, zaś Duńczycy już w 1992 roku wykorzystywali aż 55% produkowanej słomy na cele energetyczne.

Wilgotność słomy wynosi 10-20%, zaś wartość opałowa i zawartość popiołu odpowiednio 14,3 MJ/kg i 4% suchej masy dla słomy żółtej oraz 15,2 MJ/kg i 3% s. m. dla słomy szarej.

Ziarno energetyczne

W celach energetycznych uprawia się wiele słabo rozpowszechnionych gatunków roślin, uprawia się jednak także rośliny znane już od dawna, lecz hodowane najczęściej z innym przeznaczeniem. Taką rośliną jest wykorzystywany zazwyczaj jako pasza dla zwierząt i pożywienie dla człowieka owies, którego uprawa znana jest w naszym kraju co najmniej od VIII wieku. Więcej na temat energetycznego wykorzystania ziarna owsa można przeczytać tutaj.

BIOGAZ

czyli gaz wysypiskowy to powstająca w wyniku fermentacji metanowej mieszanina gazów, której głównym składnikiem jest metan. Biogaz wykorzystywany do celów energetycznych zawiera ponad 40% metanu, zaś jego właściwości nie odbiegają od właściwości gazu ziemnego. W energetyce wykorzystuje się biogaz powstający w wyniku fermentacji:

odpadów organicznych na składowiskach odpadów,

odpadów zwierzęcych w gospodarstwach rolnych,

osadów ściekowych w oczyszczalniach ścieków.

Bliższą charakterystykę biogazu znajdziecie w artykule pt. „Biogaz”, zaś proces fermentacji metanowej przedstawiono w artykule pt. "Technologie".

BIOPALIWA PŁYNNE

Do biopaliw płynnych zaliczamy:

oleje roślinne, np. olej rzepakowy,

bioolej otrzymywany przez poddanie biomasy szybkiej pirolizie,

biodiesel, czyli estryfikowany olej rzepakowy oraz

bioalkohole, wśród których największe znaczenie ma etanol.

Obecnie koszty produkcji olejów roślinnych nie pozwalają na ich szerokie wykorzystanie w energetyce, trwają jednak próby wyhodowania roślin, których olej będzie wykorzystywany wyłącznie do celów energetycznych.