Transcript Biogazownie jako potencjalna szansa rozwoju - OZE

Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa - Państwowy Instytut Badawczy w Puławach
Biogazownie jako potencjalna szansa
rozwoju rolnictwa i obszarów wiejskich
Jan Kuś
Lublin 20 .11.2014
Struktura (%) pozyskiwanej energii z OZE w 2011 r. (GUS -2013)
Polska
Niemcy
UE – 27
85,3
37,4
48,1
Promieniowanie sł.
0,1
7,1
3,7
E. wodna
2,7
4,7
16,3
E. wiatrowa
3,7
13,4
9,5
Biogaz
1,8
16,1
6,3
Biopaliwa ciekłe
5,8
11,7
7,1
E. Geotermalna
0,2
1,9
3,8
Odpady komunalne
0,4
7,7
5,2
OZE (%) w bilansie
energii pierwotnej
10,9
25,2
20,3
Wyszczególnienie
Biomasa stała
Biogazownie – korzyści dla rolnictwa
1. Wzrost zapotrzebowania na surowce rolnicze – substraty
do produkcji biogazu, co warunkuje zróżnicowanie źródeł
dochodów dla rolnictwa.
2. Wzrost zapotrzebowania na pracę - prace polowe, zbiór,
transport ziemiopłodów, obsługa biogazowni.
3. Zagospodarowanie produktów ubocznych i odpadów
z produkcji rolnej i przemysłu rolno-spożywczego.
4. Pozyskanie wartościowego i taniego nawozu w postaci
pofermentu.
5. Pozyskanie czystej i taniej energii cieplnej – o ile jest
możliwość jej racjonalnego wykorzystania.
6. Rozbudowa infrastruktury technicznej obszarów
wiejskich.
Substraty do produkcji biogazu
Nawozy naturalne :
• Nawozy naturalne (gnojowica, obornik i pomiot drobiowy).
Surowce rolnicze :
• Kiszonka z upraw rolniczych - kukurydza, zboża oz., burak c.,
sorgo, trawy z łąk i uprawy polowej.
• Ziarno zbóż gorszej jakości.
Pozostałe:
• Odpady z przemysłu rolno - spożywczego.
• Mączki pochodzenia zwierzęcego.
• Odpady poubojowe (po higienizacji).
• Wycofane produkty żywnościowe.
• Wywar, młóto.
• Odpad glicerynowy.
Zmiany w substratach w procesie produkcji biogazu
• Zmniejszenie zawartości substancji organicznej (o około
15 -20%) – w pofermencie pozostaje głównie lignina i
część hemicelulozy.
• Zwiększenie zawartości składników mineralnych (N, P, K)
– znaczny rozkład związków organicznych.
• Znaczne rozdrobnienie biomasy – rozdrobnienie przed
wprowadzeniem do fermentatora i w procesie
fermentacji (mieszanie).
• Całkowita lub przynajmniej częściowa higienizacja.
• Likwidacja nasion chwastów i patogenów.
• Znaczna likwidacja odorów.
Liczba biogazowni rolniczych i zainstalowana mon (MW) w Niemczech
Masa i wartość energetyczna substratów stosowanych do produkcji
biogazu w Niemczech
Wartość energetyczna substratów
(sucha masa organiczna)
Masa substratów
Odpady
8%
Odpady
7%
oooo
Nawozy
naturalne
14 %
Nawozy
naturalne
43 %
Kiszonki
49 %
Kiszonki
77 %
Użytki rolne wykorzystywane w Niemczech pod produkcję
na cele energetyczne
Efektywność biogazu i biopaliw płynnych
Wartość nawozowa osadu pofermentacyjnego z biogazowni
Substrat
Wyszcz.
Sucha masa (%)
pH
Stosunek C/N
N ogólny
kg/ tonę
N - NH4
kg/ tonę
P2O5
kg/ tonę
K2O
kg/ tonę
Materia organiczna
kg/tonę
Gnojowica
bydlęca
Gnoj. bydlęca
+ s. rośliny
Gnoj. trzody
+ s. rośliny
Surowse
roślinne
9,1
7,3
7,3
8,3
5,6
8,3
7,0
8,3
10,8
4,1
1,8
1,9
4,1
6,8
4,6
2,6
2,5
5,3
5,1
4,6
3,1
3,5
4,2
6,4
4,7
2,7
1,8
5,0
74
53
41
51
Wartość składników nawozowych zawartych w pofermencie
Zawartość
kg/tonę
pofermentu
Cena
zł/ kg
składnika
Wartość
składników
nawozowych
zł/ t pofermentu
3-4
3,85
11,6
P2O5
1,5 – 2,0
5,18
7,8
K2O
4,0 – 4,5
3,00
12,0
Suma zł/t pofermentu
31,4
Składnik
N
Waloryzacja rolniczej przestrzeni produkcyjnej
w woj. lubelskim wg IUNG-PIB
Bia³a Podlaska
56,5
bialski podlaski
Polska – 66,6
60,1
³ukowski
56,3
radzyñski
66,9
rycki
66
67,5
pu³awski
55
62,3
53,7
63,1
66,2
lubartowski
60,7
62,3
che³mski
74,4
Lublin
100
73,0
64,8
w³odawski
³êczyñski
78,3
71
59,9
parczewski
lubelski
opolski
89,9
Che³m
71,4
œwidnicki
92,1
69,4
krasnostawski
83,9
61,9
74,9
81,4 64,2
hrubieszowski
82,3
74,1
kraœnicki
77,4
69,3
99,2
zamojski
ZamoϾ
98,3
janowski
85,6
69,3
70,4
64,3
bi³gorajski
tomaszowski
86,9
Rolnictwo woj. lubelskiego na tle kraju
Lp.
Wyszczególnienie
Woj.
lubelskie
Polska
(100%)
1.376
9,5%
1.
Powierzchnia UR w tys. ha
2.
Liczba gospodarstw (pow. 1 ha) w tys.
173
12,4%
3.
Średnia powierzchnia gospodarstwa w ha
7,7
10,2
2,7
50,8
40,5
5,0
2,4
51,3
36,9
7,2
1,0
2,2
22,4
16,3
Struktura bszarowa ( %) gospodarstw
0 - 1 ha
4..
1 - 5 ha
5 - 20 ha
20 - 50 ha
powyżej 50 ha
5.
Pracujący w rolnictwie [osób/100 ha UR]
Struktura zasiewów (śr. 2011-2013)
Wyszczególnienie
Województwo
Polska
lubelskie
Udział w strukturze zasiewów [%]
Zboża ogółem
78,0
73,5
38,7
30,3
Rośliny oleiste
5,1
8,1
Ziemniak
3,2
3,6
Burak cukrowy
3,1
1,9
4,8
8,6
- w tym pszenica i jęczmień
Rośliny pastewne
Źródło: opracowanie własne na podstawie danych GUS
Globalna produkcja roślinna w jedn. zboż./ha (2010-2012)
pomorskie
40,0
warmińsko-mazurskie
35,9
zachodniopomorskie
41,5
kujawsko-pomorskie
31,6
podlaskie
45,5
wielkopolskie
lubuskie
j. zb. • ha-1 UR
mazowieckie
43,9
35,4
33,3
łódzkie
< 35,0
35,0 – 40,0
40,1 – 45,0
45,1 – 50,0
> 50,0
37,9
dolnośląskie
49,4
37,5
świętokrzyskie
opolskie
59,9
lubelskie
34,1
śląskie
42,8
małopolskie
34,7
podkarpackie
36,8
Polska – 39,7 j. zb. /ha UR
Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych GUS
Rolnictwo woj. lubelskiego na tle Polski
Zmiany globalnej produkcji roślinnej (jedn. zb./ha UR )
pomiędzy latami 2002-2004 a 2010-2012
Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych GUS
Rolnictwo woj. lubelskiego na tle Polski
Obsada zwierząt w DJP·100/ ha UR (2011-2013)
pomorskie
36,8
warmińsko-mazurskie
53,8
zachodniopomorskie
18,6
kujawsko-pomorskie
78,8
52,7
podlaskie
wielkopolskie
lubuskie
DJP • 100
ha-1
UR
mazowieckie
70,2
28,0
56,2
< 30,0
łódzkie
53,7
30,0 – 40,0
40,1 – 50,0
30,5
dolnośląskie
50,1 – 60,0
> 60,0
16,0
lubelskie
świętokrzyskie
opolskie
31,9
38,6
śląskie
43,7
małopolskie
38,6
podkarpackie
25,1
Polska - 46,4 DJP /100 ha UR
Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych GUS
Rolnictwo woj. lubelskiego na tle Polski
Zmiany pogłowia krów pomiędzy okresem lat
2011-2013 i 2001-2003 (=100%)
%
130
120.7
120
106.4
110
100
90
82.6
80
70
60.3
60
51.7
50
Podkarpackie
Małopolskie
Dolnośląskie
Świętokrzyskie
Zachodniopomorskie
Lubelskie
Śląskie
Lubuskie
Łódzkie
Pomorskie
Opolskie
Polska
Wielkopolskie
Kujawsko-pomorskie
Mazowieckie
Warmińsko-mazurskie
Podlaskie
40
43.0
Źródło: opracowanie własne na podstawie danych GUS
Rolnictwo woj. lubelskiego na tle Polski
Zmiany pogłowia trzody chlewnej pomiędzy
okresem lat 2011-2013 i 2001-2003 (=100%)
Źródło: opracowanie własne na podstawie danych GUS
Koncentracja chowu krów w wybranych krajach UE - 2010
Krowy (%) w stadach
Kraj
Sztuk
w gosp.
1-9
10-19
20 - 29
30 - 49
50 - 99
>100
Polska
20
16
15
21
17
12
Czechy
0,4
0,4
0,5
1
2
95
123
Austria
3,3
11
15
29
32
10
11
Dania
0
0
0,1
0,3
2
97
134
Francja
0,2
0,5
1
4
23
71
45
Holandia
0
0,1
0,3
2
15
83
75
Niemcy
0,2
1
2
6
20
71
46
8
4
4
7
17
61
14
UE – 27
Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych EUROSTATU
5,9
Koncentracja chowu trzody chlewnej w 2010
Trzoda (%) w stadach
Kraj
Sztuk
w gosp.
1-9
10-49
50-99
100 399
Polska
4
21
14
25
11
25
Czechy
0,3
1
1
4
6
88
120
Austria
2
2
3
30
49
14
30
Dania
0
0
0,1
1
4
95
506
Francja
0,2
0,3
0,3
5
17
77
45
0
0
0,1
3
9
88
243
0,1
0,8
1
9
25
64
128
3,3
3,3
2
7
14
70
22,6
Holandia
Niemcy
UE – 27
Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych EUROSTATU
400 – 999 >1000
16,6
Gospodarstwa rolne wg skali
chowu bydła w woj. lubelskim (2010)
50000
49818
45000
40000
35000
29779
30000
25000
20000
15000
10000
5406
5000
3275
373
62
27
100-199
200<
0
1
2-9
10-19
20-49
50-99
Liczba gospodarstw
Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych GUS
Gospodarstwa rolne wg skali chowu
trzody chlewnej w woj. lubelskim (2010)
70000
60686
60000
50000
40000
30891
30000
20000
10000
2381
770
344
93
0
1-9
20-49
50-99
100-199
Liczba gospodarstw
Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych GUS
200-499
500<
Wydajność produkcji biogazu z wybranych substratów
Źródło: Biogaz Zeneris
ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE BIOGAZOWNI
- moc generatora 1000 kW en. elektrycznej
Zapotrzebowanie substratów:
- gnojowica bydlęca (20 t /rok/szt. SD
= 250 – 300 szt.)
- obornik bydlęcy (10 t /rok/szt. SD =
500 szt. )
- kiszonka z traw (30 – 40 t/ha/rok =
80 – 100 ha)
- kiszonka z kukurydzy (40 -50 t/ha =
160 – 200 ha
RAZEM
Osad pofermentacyjny 80 – 85%
wprowadzonych substratów
Roczne
Dzienne
5000 t
13,7
5000 t
13,7
3000 t
8,2
8000 t
21,9
21000
57,5
17000
46,3
ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE BIOGAZOWNI
(moc gen. 150 kW el)
Roczne
Dzienne
- gnojowica bydlęca (ok. 40 SD)
750 t
2,1
- obornik bydlęcy (ok. 75 SD)
750 t
2,1
- kiszonka z traw (11 – 15 ha)
450 t
1,2
1200 t
3,3
3150
8,6
2550
7,0
Zapotrzebowanie substratów:
- kiszonka z kukurydzy (24 – 30 ha)
RAZEM
Osad pofermentacyjny
Cechy roślin przydatnych do produkcji biogazu
1. Wysoka wydajność.
2. Łatwa konserwacja biomasy.
3. Łatwa mechanizacja całej technologii produkcji.
4. Odpowiednia gęstość usypowa.
5. Małe zagrożenie przez agrofagi.
6. Dobre wykorzystanie nawozów.
7. Małe wymagania płodozmianowe.
Rośliny najczęściej używane do produkcji biogazu
1. Kukurydza.
2. GPS ze zbóż ozimych (żyto, pszenżyto, pszenica).
3. Słonecznik, sorgo.
4. Burak c. i pastewny.
5. Międzyplony (ozime i ścierniskowe).
6. Trawy z gruntów ornych i użytków zielonych.
Wydajność metanu m3/ha i koszty jednostkowe
Łąki w woj. lubelskim w tys. ha (2013)
(ogólna powierzchnia 199 tys. ha)
Wyszcz.
Skoszone
i niezbierane
Nieużytkowane
I pokos
10,9
38,7
II pokos
11,5
38,7
III pokos
_
114,9
Wpływ intensywności użytkowania na produkcję metanu z runi użytków
zielonych (Amon i in., 2005)
m3 · ha-1
3459
3500
3187
3000
2746
2500
2000
1500
977
1000
1108
649
500
0
sy
.06)
osy
osy
.06)
kos
k
k
1
5
o
oko
o
o
1
p
y
p
p
p
z
y
1
s
4
z
2
3
,
s
,
,
,
e
rw
wne
ierw
w ne
w ne
ywn
( pie
y
p
y
y
s
(
s
y
s
s
n
s
n
n
n
y
e
e
e
ko
os
inte
ekst
ekst
ekst
pok
3 po
,
3
e
,
n
e
syw
ywn
n
s
e
n
t
e
in
int
Kukurydza
Zalety:
• duże plony (roślina C4) – 15-25 t/ha s.m.;
• mieszańce dostosowane do różnych siedlisk;
• duża wydajność biogazu – do 200 m3/ t. kiszonki;
• pełne zmechanizowanie technologii produkcji.
Wady:
• niekorzystny wpływ na żyzność gleby – ujemny bilans
glebowej materii organicznej (degradacja – 1,15 t/ha), nie
chroni gleby przed erozją (krótki okres ocienienia gleby)
oraz ogranicza bioróżnorodność flory i fauny.
Formy kukurydzy o dużym plonie biomay
Mechanizacja zbioru kukurydzy
Zboża ozime uprawiane na GPS
Zalety:
• możliwość dobór gatunków do siedliska;
• stosunkowo duża jednostkowa wydajność biogazu z GPS;
• wykorzystanie typowego sprzętu rolniczego.
Wady:
• stosunkowo mały plon (8 -14 t/ha s. m.);
• duża wahania wydajności plonu wtórego (słonecznik,
kukurydza, sorgo, mieszanki) – niedobór wilgoci w okresie
siewu (druga połowa czerwca), słabe wschody (ptactwo) i
niska przydatność kiszonkowa.
Wydajność biogazu z GPS zbóż ozimych
(Stiekcel in 2009)
Gatunek
Termin zbioru
Plon
t. s. m. /ha
Plon metanu
m3/ha
Jęczmień ozimy
1-15 VI
10,5 - 12,5
4100 - 4500
Żyto ozime
10-25 VI
12,5 - 14,0
4500
Pszenżyto
10-30 VI
14,0 - 16,5
5000 - 5500
Zbiór pszenżyta na GPS
Burak cukrowy – kontrowersje ?
Zalety :
• duży plon korzeni (50 – 60) oraz liści (35-40 t/ha),
• bardzo szybki proces gazyfikacji;
• prawie cała biomasa ulega zgazowaniu;
• mogą być stosowane świeże rozdrobnione korzenie,
zakiszane korzenie razem z liśćmi;
• możliwość maksymalizacji plonu poprzez nawożenie
azotem - zawartość melasogenów nie ma znaczenia;
• największy uzysk metanu w przeliczeniu na 1 ha.
Burak cukrowy – kontrowersje ?
Wady :
• możliwość uprawy tylko na glebach dobrych;
• wymaga stosowania specjalistycznych maszyn do zbioru,
mycia i zakiszania korzeni:
• konieczność mycia korzeni przed zakiszaniem;
• zakiszanie w specjalnych rękawach foliowych, konieczna
duża powierzchnia;
• późny termin zbioru uniemożliwia łączne kiszenie z
kukurydzą;
• zdecydowanie większe koszty produkcji niż kukurydzy.
Zasiew mieszany kukurydzy i słonecznika przed zbiorem
Podsumowanie
1. Woj. Lubelskie posiada duże potencjalne możliwości
rozwoju biogazowni rolniczych. Niedostateczne
wykorzystanie potencjału UR, głównie z uwagi na
problemy ze zbytem ziemiopłodów, wskazuje na duże
szanse rozwoju produkcji roślinnej na cele
energetyczne.
2. Czynnikami ograniczającymi rozwój biogazowni
rolniczych w obecnych warunkach jest brak
stabilności uwarunkowań ekonomicznej, zły odbiór
społeczny tego kierunku produkcji a nie brak
substratów do produkcji biogazu.
Podsumowanie
3. Na terenach o rozdrobnionym rolnictwie
produkcja biogazu jest obciążona większymi
kosztami transportu substratów. Problemem może
być także właściwe zagospodarowaniem osadu
pofermentacyjnego.
4. Silniejszy rozwój produkcji substratów do
produkcji biogazu może poprawić lokalnie sytuację
dochodową gospodarstw i sprzyjać rozwojowi
obszarów wiejskich.