Piwowar Weronika

semestr IV

Praca semestralna z mechanizacji rolnictwa

Temat: Niekonwencjonalne źródła energii w rolnictwie.

Globalne ocieplenie, rosnące koszty energii i ryzyko wyczerpania się nieodnawialnych zasobów energetycznych, wymusza na rolnictwie nie tylko adaptację do nowych warunków klimatycznych, ale również do prowadzonej polityki klimatycznej. Nowe zadania dla rolnictwa to produkcja roślin na cele energetyczne i ograniczenie zużycia energii. Dlatego coraz częściej w rolnictwie korzysta się z niekonwencjonalnych źródeł energii. Należą do nich między innymi:

- wykorzystanie siły wiatru,

- energia słoneczna,

- zasoby geotermiczne,

- energia rzek, pływów morskich,

- energia termoelektryczna i wiele innych.

Energia wiatru to bez wątpienia odnawialne źródło energii. Jest coraz częściej wykorzystywane również dlatego, że nie szkodzi otaczającemu nas środowisku, a jeśli nawet to w niewielkim stopniu, nieporównywalnym do metod stosowanych w konwencjonalnej energetyce.

Wiatr niesie z sobą energię kinetyczną. Wykorzystując jedynie 10% niesionej przez wiatr energii moglibyśmy zdobyć, aż 20-krotnie więcej energii niż wynosi światowe jej zużycie, w każdej postaci produkowanej przemysłowo. Obrazuje to wielką potęgę tego źródła energii.

Do zrealizowania przedsięwzięcia czerpania profitów z energii wiatru niezbędnym jest budowa fermy wiatraków, tworzących elektrownię wietrzną. Średnia moc tych wiatraków mieści się w granicach 50 - 150 KW. Energia z wiatraków płynie do specjalnych sieci rozdzielczych, bądź też siłowni wiatrowych o dużej mocy (kilku MW) lub ogromnej (kilkuset MW) w tzw. parkach wiatrowych.

Energia wiatru przynosi największe korzyści, gdy przetwarzamy ją na prąd elektryczny. Niestety nie wszystkie wiatry da się wykorzystać. Tajfuny lub cyklony to wiatry, które przy użyciu dzisiaj dostępnej technologii nie są możliwe do wyeksploatowania. Najbardziej korzystne są wiatry o prędkości od 15 do 25 m/s, wiejące na wysokości od 70 do 150 m. niestety najczęściej prędkość wiatru plasuje się pomiędzy 4, a 15 m/s. Takie warunki umożliwiają od 1000 do 2000 godzin rocznej eksploatacji elektrowni wietrznej.

Przed budową elektrowni wietrznej dokładnie analizuje się miejsce jej zlokalizowania. Bada się przebieg izowent, czyli linii łączących ze sobą punkty jednorodne pod względem prędkości wiatru. Prędkości te mierzy się w różnych okresach roku, zazwyczaj w lecie i w zimie. Pomiar prowadzony jest na poziomie powierzchni Ziemi.

Dotychczasowe badania wskazują, iż najkorzystniej zlokalizować fermę wietrzną na:

- wierzchołkach samotnych wzgórz nie wyższych niż 1000m;

- samotnych wzniesieniach na obszarach płaskich;

- wybrzeżach morskich.

Energia wiatru ma również plusy we względach technicznych oraz ekologicznych. 3 MW-towe turbiny, przy wietrze 7 m/s produkują rocznie 4000 kWh prądu elektrycznego. Dane świadczą o 80% sprawności elektrowni typu wiatrowego.

Energia wytwarzana w ten sposób zaliczana jest do tanich. Analizy ekonomiczne, których celem było porównanie kosztów elektrowni wiatrowych i węglowych ponoszone przy wytworzeniu 1 kWh prądu elektrycznego wykazały, że w przypadku tych pierwszych jest on trzykrotnie niższy.

Niestety elektrownie takie, choć w samej eksploatacji nie są bardzo kosztowne to jednak samo ich wybudowanie wiąże się ze znaczną inwestycją. Inną wadą jest znaczny hałas towarzyszący ich pracy. Dotyczy to zwłaszcza tych o wysokości przekraczającej 100m. końcówki śmigieł, których rozpiętość wynosi 60m, a prędkość wirnika jest równa 20 - 50 obrotów w ciągu minuty. Poza hałasem stanowią one zagrożenie dla ptaków oraz szpecą krajobraz. Jednak trzecia teoria jest względna, ponieważ często ludzie zachwycają się ich wyglądem, a co do ptaków to jedni naukowcy twierdzą, że jest to prawda a inni że nie. Łagodzącym jest fakt, iż buduje się je na obszarach całkowicie niezagospodarowanych, a często nie nadających się do jakiegokolwiek zagospodarowania.

Zainteresowanie energią wiatru rośnie, świadczy o tym wzrastająca liczba siłowni wiatrowych. Elektrownie o małej mocy wykorzystuje się w rolnictwie. Ich główną funkcją jest dostarczanie energii do ogrzewania pomieszczeń, wody i do suszenia siana oraz ziarna. Budowa takiej maleńkiej elektrowni jest tania i bardzo prosta.

Polska jest krajem, w którym energetyka opiera się zwłaszcza na elektrowniach węglowych. Fakt ten skłania do zwrócenia się w stronę energii alternatywnej, w tym energii wiatru. Zobowiązaliśmy się wobec innych narodów, że do 2020 roku zwiększymy udział energii alternatywnej do 7,5%. Dotyczy to całego bilansu energetycznego. Na razie udział tych energii jest znikomy, co nie oznacza że może być pominięty. W przypadku energii wiatru niestety nie posiadamy najlepszych warunków by w nią inwestować. Prędkość wiatru zadawala jedynie w nielicznych miejscach naszego kraju. Jednym z nich jest wybrzeże, ale nawet tam warunki te nie są znakomite. Ponadto warunki te nie są stabilne. Mimo to mamy w Polsce elektrownie wiatrowe. Obecnie jest ich 28, a ich łączna moc wynosi 9 MW. Największe dwie mają moc 600 kW, a ich lokalizacja to Swarze koło Pucka. Wybudowała je firma Tacke w 1997 roku. W okolicach Krakowa, w miejscowości Rytro znajduje się elektrownia mająca moc 100 kW. Wybudowała i skonstruowała ją Polska firma Nowomag. Wiadomo jest również o istnieniu dalszych planów rozbudowy energetyki wiatrowej w naszym państwie. Za przykład mogą posłużyć farmy w:

- Barzowicach nieopodal Darłowa (6 wiatraków mających 4,99 MW mocy);

- gminie Karnice (30 elektrowni mających 60 MW mocy).

Energia słoneczna. Słońce emituje olbrzymią ilość energii, która szacowana jest na około 1023 kW. Do powierzchni kuli ziemskiej dociera niewielka jej część. Jest ona jednak około 30 000 razy większa od ilości energii wytwarzanej na całej ziemi. Możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego w warunkach krajowych są bardzo zróżnicowane. Położenie geograficzne Polski powoduje, iż warunki klimatyczne są bardzo specyficzne. Ma tu bowiem miejsce ścieranie się wpływu dwóch frontów atmosferycznych: atlantyckiego i kontynentalnego. Na jesieni i na wiosnę często występuje duże zachmurzenie i opady deszczu. W zimie temperatury powietrza są niskie i wieją silne wiatry. Roczna gęstość strumienia promieniowania słonecznego na płaszczyznę poziomą waha się w granicach 950 - 1250 kWh/m2. Analizując wieloletnie wyniki badań można stwierdzić, że największe wartości strumienia promieniowania słonecznego występują nad Bałtykiem. Warunki nasłonecznienia na polskim wybrzeżu odpowiadają warunkom w Europie Środkowej, np. w Austrii i na Węgrzech. Najbardziej niekorzystna sytuacja jest na Śląsku, gdzie występuje największe zanieczyszczenie powietrza. Średnie usłonecznienie dla Polski wynosi 1600 godzin, przy czym maksymalna liczba godzin słonecznych w roku występuje, jak poprzednio, nad morzem, a wartość minimalna na Dolnym Śląsku.

Rejonizacji zasobów energii słonecznej w Polsce dokonano w oparciu o dane pochodzące z rejestracji promieniowania słonecznego przez IMiGW z lat 1960-1990, zawarte w corocznych opracowaniach pt. "Promieniowanie słoneczne".

Ze względu na roczne sumy promieniowania całkowitego padającego na powierzchnię poziomą, na obszarze Polski wyodrębnić można cztery podstawowe regiony:

I - pas nadmorski, ograniczony izolinią 950 kWh/m²_* rok z Kołobrzegiem jako stacją charakterystyczną,

II - wschodnia część Polski, ograniczona izolinią 950 kWh/m²_* rok, reprezentowana przez Zamość,

III - pozostała część Polski od południa ograniczona izolinią 900 kWh/m²_* rok, reprezentowaną przez stację Brwinów,

IV - południowa część Polski ograniczona od północy izolinią 900 kWh/m²_* rok, ze stacją Zakopane.

Dodatkowo wydzielono w ramach podstawowych rejonów podrejony:

IIIa - górne dorzecze Odry z Radzyniem,

IVa - obszar Sudetów i Przedgórza Sudeckiego z Jelenią Górą.

Wartości sum promieniowania całkowitego w poszczególnych rejonach dla całego roku , półrocza letniego, zimowego, sezonu letniego podane są w tablicy 1 dla różnych wartości progowych natężenia promieniowania słonecznego właściwych kolektorom płaskopłytowym.

Dane wskazują, że największy dopływ energii słonecznej obserwuje się na wybrzeżu (rejon I) oraz we wschodniej części kraju (rejon II). Roczne sumy insolaci kształtują się w granicach 950-1020 kWh/m²_* rok. W rejonie II w okresie letnim obserwuje się najkorzystniejsze warunki wykorzystania energii słonecznej. Najmniejszy w skali roku dopływ energii słonecznej obserwuje się na południu Polski (rejon IV). Jednocześnie w tym rejonie w sezonie zimowym dopływ energii słonecznej (200-250 kWh/m²)jest znacznie większy niż w rejonie I i III, a porównywalny z rejonem II (wschodnia część Polski). Podobnymi cechami charakteryzuje się rejon Sudetów - Iva.

Generalnie w skali roku najlepsze warunki wykorzystania energii słonecznej obserwuje się we wschodniej części Polski, od Białowierzy do Zamościa, oraz na Wybrzeżu Zachodnim. W półroczu zimowym relatywnie najkorzystniejsze warunki wykorzystania energii słońca obserwuje się w południowej i wschodniej części Polski.

Powyższe dane odnoszą się do skali regionalnej. W rzeczywistych warunkach terenowych, wskutek lokalnego zanieczyszczenia atmosfery i występowania przeszkód terenowych, rzeczywiste warunki nasłonecznienia mogą odbiegać od podanych.

Innym parametrem, decydującym o możliwościach wykorzystania energii promieniowania słonecznego w kolektorach płaskopłytowych, są sumy dzienne promieniowania słonecznego w poszczególnych miesiącach. Wartości średnie ŚR, minimalne MIN i maksymalne MAX dziennych sum promieniowania słonecznego H_dzienne dla reprezentatywnych stacji aktynometrycznych w Wh/m² z lat 1971-1980 podaje tablica 2.

Uzupełnieniem tablicy 2 jest tablica 3 podająca wartości usłonecznienia (godziny usłonecznienia) dla wybranych reprezentatywnych miejscowości w Polsce.

W warunkach klimatycznych Polski: niska koncentracja energii cieplnej promieniowania słońca, bo wynosząca około 1000 kWh/m2/rok powierzchni prostopadłej do kierunku promieniowania oraz trudności z akumulowaniem ciepła ograniczają wykorzystanie energii słonecznej w rolnictwie. Nie mniej jednak, zwłaszcza w okresie wzrastającego zapotrzebowania rozpowszechnia się wykorzystanie energii słonecznej głównie do podgrzewania powietrza z zastosowaniem do suszenia zielonek, ziarna zbóż i nasion warzyw oraz do podgrzewania wody dla celów domowych i w budynkach inwentarskich.

Urządzenia zbierające i przetwarzające energię promieniowania słonecznego na cieplną nazywamy kolektorami. Częścią kolektora jest absorber składający się z płyty poczernionego materiału.

Czerń najlepiej matowa pochłania promieniowanie w całym zakresie widma słonecznego, zamieniając je na promieniowanie cieplne, które jest wykorzystywane w kolektorze słonecznym.

Jeśli teraz dowolny czynnik, np. woda lub powietrze opływają absorber, to odbierają od niego ciepło i przepływają do miejsca przeznaczenia.

Kolektory słoneczne w polskich warunkach klimatycznych są lub mogą być stosowane w następujących działach produkcji rolniczej:

Suszarnictwo:

- dosuszanie siana;

- dosuszanie ziarna zbóż i roślin niezbożowych;

- suszenie owoców i warzyw;

- suszenie ziół i roślin niezbożowych.

Produkcja zwierzęca:

- podgrzewanie wody użytkowej do celów sanitarnych, przygotowania pasz i pojenia zwierząt;

- ogrzewanie budynków inwentarskich.

Hodowla ryb:

- podgrzewanie wody w stawach rybnych;

Budynki mieszkalne:

- ogrzewanie pomieszczeń;

- podgrzewanie wody użytkowej.

Energia geotermalna (energia geotermiczna, geotermia) − energia termiczna skał znajdujących się we wnętrzu Ziemi, zaliczana do odnawialnych źródeł energii. Jest pobierana za pomocą odwiertów, do których wtłaczana jest chłodna woda i odbierana gorąca po wymianie ciepła z gorącymi skałami. Służy również jako naturalne źródło ciepła w źródłach termalnych.

Energię geotermalną wykorzystuje się w 24 krajach, a łączna moc działających elektrowni geotermalnych wynosi 10,9 GW (2010 rok). Najistotniejszym źródłem energii jest na Islandii i na Filipinach. W Polsce instalacje geotermalne działają m.in. na obszarze Podhala.

v Dostępność energi geotermalnej.

Temperatura Ziemi rośnie wraz z głębokością, osiągając 5400 °C w samym jądrze. Około 20% energii cieplnej wnętrza Ziemi pochodzi z kontrakcji grawitacyjnej w okresie formowania się planety, pozostałe 80% pochodzi z rozpadu radioaktywnych izotopów potasu (40K), uranu (238U) i toru (232Th), który zachodzi w płaszczu. Niewielki wkład w ciepło skorupy ziemskiej ma też tarcie wewnętrzne wywołanym siłami pływowymi i zmianami w prędkości obrotu Ziemi. Część energii termicznej jądra transportowana jest do skorupy ziemskiej poprzez pióropusze płaszcza, które mogą powodować powstawanie plam gorąca i pokryw lawowych.

Energia geotermalna naturalnie wydostaje się na powierzchnię Ziemi z mocą około 46 TW. Średni strumień geotermalny to około 0,063 W/m2 - nie jest on zbyt duży, ale zasoby tej energii są praktycznie niewyczerpywalne, ze względu na ogromną objętość Ziemi. Strumień ten daje średni gradient temperatury (wzrost w kierunku środka) 25 K/km. Jest to niewystarczające do eksploatacji bezpośredniej, dlatego w geotermii istotne są tzw. rejony hipertermiczne (gradient większy od 80 K/km) i semitermiczne (od 40 do 80 K/km). Rejony hipertermiczne to przede wszystkim obszary radiogeniczne (duża zawartość pierwiastków radioaktywnych), obszary wysokiego strumienia ciepła (skały o bardzo dużej przewodności cieplnej) i punktowe źródła ciepła (zasoby magmy, wody geotermalne). W tych rejonach zasoby geotermalne występują jako petrochemiczne (energia zgromadzona w skałach) i hydrotermiczne (w wodzie).

v Uzyskiwanie energii.

Głównym sposobem pozyskiwania energii geotermalnej jest tworzenie odwiertów do zbiorników gorących wód geotermalnych. W pewnej odległości od otworu czerpalnego wykonuje się drugi otwór, którym wodę geotermalną po odebraniu od niej ciepła, wtłacza się z powrotem do złoża. Wody geotermiczne są z reguły mocno zasolone, jest to powodem szczególnie trudnych warunków pracy wymienników ciepła i innych elementów armatury instalacji geotermicznych. Energię geotermiczną wykorzystuje się w układach centralnego ogrzewania jako podstawowe źródło energii cieplnej. Drugim zastosowaniem energii geotermicznej jest produkcja energii elektrycznej. Jest to opłacalne jedynie w przypadkach źródeł szczególnie gorących. Zagrożenie jakie niesie za sobą produkcja energii geotermicznej to zanieczyszczenia wód głębinowych, uwalnianie radonu, siarkowodoru i innych gazów.

Gorące źródła tzw. gejzery są charakterystycznym elementem krajobrazu Islandii, która wykorzystuje je jako źródło ogrzewania i ciepłej wody. Nie wpływa to ujemnie na środowisko naturalne.

Energia geotermalna w Polsce.

Polska ma bardzo dobre warunki geotermalne, gdyż 80% powierzchni kraju jest pokryte przez 3 prowincje geotermalne: centralnoeuropejską, przedkarpacką i karpacką. Temperatura wody dla tych obszarów wynosi od 30-130 °C (a lokalnie nawet 200 °C), a głębokość występowania w skałach osadowych od 1 do 10 km. Naturalny wypływ zdarza się bardzo rzadko (Sudety – Cieplice, Lądek Zdrój). Możliwości wykorzystania wód geotermalnych dotyczą 40% obszaru kraju (wydobycie jest opłacalne, gdy do głębokości 2 km temperatura osiąga 65 °C, zasolenie nie przekracza 30 g/l a także gdy wydajność źródła jest odpowiednia).

Można i należy podjąć projekty, aby zbudować zakłady geotermalne z zasobów basenów:

- kambryjskiego (Olsztyn, Nidzica, Iława, Ostróda, Morąg, Lidzbark Warmiński, Bartoszyce, Kętrzyn, Cieplice, Polanica, Duszniki, Lądek);

- dewońsko-karbońskiego (Kraków, województwo małopolskie, Bielsko-Biała, województwo śląskie);

- dolnopermskiego (na obszarze monokliny przedsudeckiej, oś Poznań - Częstochowa);

- cechsztyńskiego (na obszarze monokliny przedsudeckiej, oś Jelenia Góra - Wrocław - Śląsk - Kielce);

- triasowego (na obszarze monokliny przedsudeckiej, obrzeżenia Gór Świętokrzyskich, subbasenu grudziądzko-warszawskiego, subbasenu szczecińsko-łódzkiego; województwa kujawsko-pomorskiego - jednego z najbardziej korzystnych pod względem geotermalnym obszarów Polski);

- jurajskiego; zbudowano zakłady w Pyrzycach, Mszczonowie, w możliwym przygotowaniu zakłady geotermalne w Skierniewicach, Żyrardowie, Szczecinie, Łodzi, Kole, Gnieźnie, Toruniu (w budowie), Bydgoszczy, Warszawie, w Małopolsce;

- kredowego (na obszarze Mazowsza, niecki mogileńsko-łódzkiej: Mogilno, Inowrocław, Kruszwica, Strzelno, Janikowo, Janowiec; Małopolski: oś Bielsko - Kraków - Tarnów - Dębica).

Powstał atlas wód geotermalnych występujących na terenie Polski pod redakcją prof. Wojciecha Góreckiego z Wydziału Geologii Akademii Górniczo-Hutniczej, wskazujący obszary występowania wód geotermalnych na terenie Polski. Pierwszy w Polsce Zakład Geotermalny w Bańskiej-Białym Dunajcu powstał w latach 1989-1993. Od kilku lat z odwiertów i instalacji korzysta PEC Geotermia Podhalańska SA, która dostarcza ciepło do większości domów w Zakopanem.

Jak dotąd na terenie Polski funkcjonuje dziewięć geotermalnych zakładów ciepłowniczych oraz kilka w budowie:

Bańska Niżna (4,5 MW, docelowo 70 MW),

Pyrzyce (15 MW, docelowo 50 MW),

Stargard Szczeciński (14 MW, nieczynna)

Mszczonów (7,3 MW),

Uniejów (2,6 MW),

Słomniki (1 MW),

Lasek (2,6 MW),

Klikuszowa (1 MJ/h),

Toruń - w budowie.

Energia pozyskiwana z wody.

v Energia pływów.

Pływy są wykorzystywane do napędzania turbin elektrycznych, dzięki wybudowaniu tam na głęboko wciętych zatokach morskich, które zamykająich ujścia. Nagromadzenie wody w tak powstałym zbiorniku w czasie przypływu i wypuszczeniu jej w czasie odpływu do morza pozwala napędzać turbiny.

v Energia z różnicy temp. wody morskiej:

warstw wód przypowierzchniowych i dużych głębokości. Temp. wody przypowierzchniowej w strefie klimatu gorącego osiąga +30C, a na głębokościach ok. 1000 m spada do +3, +4C. Różnica temp. pomiędzy warstwami wody, przy utworzeniu zamkniętego jej obiegu, może wytworzyć parę wodną naprowadzającą generatory. Energię uzyskuje się też przez wykorzystanie różnicy temperatury wody oceanicznej na powierzchni i w głębi oceanu. Najlepsze warunki do tego celu istnieją na oceanicznych obszarach równikowych.

v Energia spadku wód.

Stanowi podstawę rozwoju hydroenergetyki. Do najstarszych elektrowni wodnych należą: w Rosji – Krasnojarska na Jeniseju, Wołgogradzka i Kujbyszewska na Wołdze; w USA – Glen Conyon i Hoover na Kolorado. Istnieje 5 typów elektrowni wodnych: przepływowe, zaporowe, zbiornikowe, szczytowo-pompowe i pływowe.

Energia wodna umożliwia uprzemysłowienie państw pozbawionych surowców energetycznych, nawodnienie terenów rolniczych, rozwój transportu wodnego. Jej pozyskanie wymaga dużych nakładów finansowych na budowę kosztownych zapór wodnych, hydroelektrowni i linii przesyłowych wysokiego napięcia.

Hydroenergetyka stwarza jednak zagrożenia dla środowiska naturalnego, gdyż spiętrzenie wód, zmiana nurtu rzek wpływa często niekorzystnie na strukturę gleby i klimat w danym regionie, powoduje utratę obszarów rolnych i przesiedlenie ludności.

Energia pozyskiwana z roślin.

v 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.

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.

v 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.

Czynniki wpływające na przebieg fermentacji

We wszystkich procesach biologicznych, a więc i w przypadku fermentacji metanowej warunki środowiskowe w znacznym stopniu wpływają na wydajność i produktywność procesu. Należy rozpatrzyć dwie grupy czynników: fizyczne, takie jak temperatura i mieszanie oraz chemiczne, takie jak pH, potencjał redox, stosunek węgla do azotu C:N.

Czynniki fizyczne: (temperatura) - aktywność bakterii uczestniczących w fermentacji metanowej obniża się praktycznie do zera, gdy temperatura spada poniżej 15°C. Wraz ze wzrostem temperatury aż do 54°C wzrasta efektywność mikroorganizmów i warunki do produkcji biogazu stają się coraz lepsze. W klimacie europejskim komory fermentacyjne pracują zwykle w zakresie temparatur od 30 do 40°C, a więc niezbędna jest instalacja grzewcza. Własności płynnych odchodów zwierzęcych stosowanych do fermentacji, a szczególnie ich skłonność do sedymentacji, zmuszają do stosowania mieszania. Przebieg fermentacji odpadów płynnych np. gnojowicy w dużym stopniu zależy od zachowania jednakowej temperatury w całej zawartości zbiornika dlatego też mieszanie, pozwala na utrzymanie jednorodności i zapobiega tworzeniu się osadu i kożucha w zbiorniku.

Czynniki chemiczne, pH. Bakterie wywołujące fermentację metanową wymagają odczynu obojętnego, tj. pH ok. 7,0. Poniżej pH 6 i powyżej pH 8 fermentacja szybko zanika. Ponadto bakterie uczestniczące w fermentacji metenowej wymagają bardzo niskiego potencjału redox, rzędu 250 mV lub niższego, aby żyć i produkować metan. Potencjał redox jest funkcją rozpuszczonych składników obecnych w komorze fermentacyjnej, takich jak substraty, metabolity i produkty. Potencjał redox jest tworzony przez pary: metan CH4 i dwutlenek węgla CO2 oraz proton H2. Jeśli w fermentującym substracie znajdują się pary buforowe, co prowadzi do podwyższenia potencjału redox, to aktywność bakterii metanowych (beztlenowych) spada. Dzieje się tak np., gdy do komory fermentacyjnej przypadkowo dostanie się powietrze. Populacja bakterii uczestniczących w fermentacji metanowej wymaga dostatecznej ilości pożywki, aby rosnąć i rozmnażać się. Z tego względu stosunek węgla do azotu (C:N) nie powinien przekraczać 100:3. Wynika to z budowy chemicznej komórek bakteryjnych oraz z faktu, że 15% węgla w substracie jest asymilowane przez bakterie. Jeśli jednak w surowcu (substracie) poddawanym fermentacji znajdzie się zbyt dużo azotu, akumuluje się on w postaci amoniaku aż do stężenia, w którym staje się toksyczny dla bakterii metanowych.

Surowcem do fermentacji metanowej mogą być prawie wszystkie odpady organiczne z produkcji rolnej. Poszczególne materiały różnią się jednak znacznie, jeśli chodzi o szybkość ich rozkładu oraz wydajność produkcji metanu. Szczególnie odpowiedni skład mają odpady pochodzące z produkcji zwierzęcej, takie jak gnojowica, obornik czy pomiot z hodowli drobiu. Do wstępnych obliczeń przy produkcji metanu można przyjąć, że przy temperaturze około 32°C z 1 kg suchej masy organicznej poddanej fermentacji uzyskuje się średnio 0,4-0,6 m3 gazu. Na ogół tylko 40-50% substancji organicznej doprowadzonej do komory fermentacyjnej ulega rozłożeniu.

W poniższej tabeli podane są ilości uzyskanego biogazu z różnych surowców w badaniach prowadzonych przez IBMR Warszawa.

Produkcja biogazu przy temperaturze 35°C

Rodzaj surowca Zawartośćsuchej masy Czas fermentacji Produkcja gazu Produkcja gazu Zawartość metanu

(%) (dni) w m3/ kg s.m. w m3 /SD (%)

Gnojowica trzody 6-8 10-15 0,40-0,70 1,8 69

Gnojowica bydła 8-11 15-30 0,30-0,45 1,5 55-65

Gnojowica drobiu 4 20-40 0,48-0,70 2,5 69

Fermentacja beztlenowa biologicznie stabilizuje gnojowicę i przy energetycznym wykorzystaniu powstającego biogazu pozwala zredukować uciążliwy dla otoczenia zapach (odór) jaki powstaje podczas rozlewania gnojowicy na polu. Energetyczne wykorzystanie powstającego z fermentacji gnojowicy biogazu pozwala zredukować emisję do środowiska metanu, który zaliczany jest do gazów cieplarnianych.

v 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. Tak na przykład, dla wytworzenia plonu 1 tony nasion i około 3 ton słomy musi pobrać z gleby - 50 kg azotu, 50 kg potasu, 30 kg fosforu i 50 kg wapnia. W zależności od żyzności gleby, pod plon podany wyżej należy zastosować nawozy mineralne w ilości 1-2 dt azotowych, 1,5-2 dt superfosfatu i 1-2 dt soli potasowej. Na glebach zakwaszanych niezbędne jest zastosowanie nawozów wapniowo-magnezowych.

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.

v 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. Stało się to możliwe dzięki obniżonym stawkom w podatku akcyzowym od tych benzyn, które zawierają dodatek etanolu od 4,5 do 5. W początkowym okresie obniżoną stawką podatku akcyzowego objęte były jedynie benzyny ołowiowe, ponieważ etanol pozwalał zastąpić część czteroetylku ołowiu stosowanego jako dodatek do benzyny. W ten sposób, w 1997 r. jako dodatek do paliw wykorzystywano 46% całkowitej produkcji krajowego etanolu. W latach następnych ulgą objęto także benzyny bezołowiowe z dodatkiem etanolu lub EETB.

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 poniższej tabeli 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.

Wydajność produkcji etanolu z różnych roślin uprawnych (IUNG Puławy)

Roślina Zawartość skrobi lub cukru Wydajność etanolu Plon Etanol Ekwiwalent benzyny

(%) (l/t) (t/ha) (l/ha) (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.

Za przerobem kukurydzy na etanol przemawiają także inne argumenty:

- rosnący areał uprawy kukurydzy na ziarno, a także wzrost jej plonów (a są to tendencje trwałe w ostatnich latach) doprowadzą do nasycenia polskiego rynku paszowego ziarna kukurydzy. Pojawi się nadprodukcja, którą trzeba będzie zagospodarować, aby nie doprowadzić do zbyt dużego spadku cen ziarna,

- niepaszowe wykorzystanie ziarna kukurydzy zrównoważy rynek tego surowca i zapobiegnie znacznym wahaniom cen,

- do produkcji etanolu będzie można wykorzystywać także to ziarno, które nie nadaje się do spasania: zainfekowane grzybami, popękane, niedojrzałe, czy wilgotne,

- produkcja etanolu z kukurydzy jest bezpieczniejsza dla środowiska, niż przy wykorzystaniu w tym celu buraków cukrowych, a szczególnie ziemniaków. Przy ich przetwarzaniu powstają bowiem znacznie większe pozostałości odpadów, które należy utylizować, niż przy przetwarzaniu ziarna kukurydzy. Odpady pozostałe po fermentacji kukurydzy można w całości zagospodarować i nie stanowią one zagrożenia ekologicznego.

Wciąż jednak inwestowanie w energie odnawialne jest mniej opłacalne ze względów finansowych i plasuje się z tyłu za energetyką konwencjonalną. Miejmy jednak nadzieję, że energetyka alternatywna będzie się nadal rozwijać w naszym kraju i zdobędzie szersze grono zwolenników.

Bibliografia:

1) http://odr.zetobi.com.pl/ochrona/odnaw.htm

2) http://pl.wikipedia.org/wiki/Energia_geotermalna

3) http://www.pga.org.pl/geotermia-zasoby-polskie.html

4) http://www.sciaga.pl/tekst/28497-29-wykorzystanie_zasobow_wodnych_w_rolnictwie_przemysle_lecznictwie_transporcie