Efektywność energetyczna produkcji biomasy w teorii i praktyce – Tomasz Piskier

TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA 3/2011 5

dr in¿. Tomasz PISKIER

Katedra Agroin¿ynierii, Politechnika Koszaliñska

Streszczenie

W opracowaniu zamieszczono teoretyczny algorytm obliczania wielkoœci nak³adów energetycznych oraz efektywnoœci energetycznej produkcji biomasy. Wartoœci obliczone w oparciu o zaproponowany algorytm porównano z wartoœciami uzyskanymi z badañ polowych. Opracowany algorytm pozwala na poprawne oszacowanie wartoœci badanych parametrów.

EFEKTYWNOή ENERGETYCZNA PRODUKCJI

BIOMASY W TEORII I PRAKTYCE

Wstêp

Warunki i metodyka badañ

Podejmuj¹c uprawê roœlin przeznaczonych do produkcji bioenergii szczególnego znaczenia nabiera d¹¿enie do maksy-malizacji efektów energetycznych ich produkcji [8]. W pracach wielu autorów poruszany jest problem wielkoœci nak³adów energetycznych koniecznych do wyprodukowania biomasy [4, 12]. Powszechnie uznaje siê, ¿e w obliczeniach nale¿y uwzglêdniæ nak³ady energetyczne pochodz¹ce ze wszystkich Ÿróde³ [5]. Nastrêcza to wiele problemów, szczególnie podczas obliczeñ nak³adów energetycznych ponoszonych na zbiór roœlin [10]. Stosowane sposoby obliczania wielkoœci nak³adów energetycznych i efektywnoœci energetycznej produkcji s¹ dostosowane do oceny prowadzonych plantacji lub doœwiad-czeñ [7, 13]. K³opotliwe jest natomiast teoretyczne osza-cowanie wielkoœci nak³adów energetycznych, które bêdzie musia³ ponieœæ producent biomasy. Podejmuj¹c decyzjê o roz-poczêciu produkcji biomasy nale¿y wybraæ gatunek roœliny i technologiê jej produkcji. Wybór ten mo¿e byæ u³atwiony przez oszacowanie wielkoœci nak³adów i efektywnoœci energe-tycznej produkcji.

Celem pracy by³o opracowanie i weryfikacja algorytmu umo¿liwiaj¹cego teoretyczne obliczenie efektywnoœci energe-tycznej produkcji biomasy.

Badania, dotycz¹ce efektywnoœci energetycznej uprawy topinamburu z przeznaczeniem na opa³, przeprowadzono w latach 2005-2009 na glebie œredniozwiêz³ej IVa klasy bonitacyjnej. W latach 2005-2007 prowadzono je w uk³adzie œcis³ego doœwiadczenia polowego, w którym opracowano algorytm obliczeñ efektywnoœci energetycznej produkcji

E E E E f G h i M M N P q Q Q Q S cg e m tech ps t c m s e p pb

- energoch³onnoœæ pracy ci¹gnika [MJ·ha ], - wskaŸnik efektywnoœci energetycznej, - energoch³onnoœæ pracy maszyn [MJ·ha ],

- energoch³onnoœæ badanej technologii [MJ·ha ], - wskaŸnik obci¹¿enia silnika podczas wykonywania zabiegu,

- ³adownoœæ przyczepy [m ]

- czas potrzebny do wykonania zabiegu [h],

- iloœæ œrodków transportowych potrzebnych do odbierania plonu [szt.] - sumaryczna masa ci¹gników u¿ytych do wykonania danego zabiegu [kg], - sumaryczna masa maszyny u¿ytej do wykonania danego zabiegu [kg], - moc nominalna silnika [kW],

- wartoœæ energetyczna plonu [MJ·ha ],

- jednostkowe zu¿ycie paliwa przez silnik [kg·kWh ], - iloœæ zu¿ytego paliwa [kg],

- plon biomasy [m m ], - plon biomasy [m ha ] - droga transportu [m] -1 -1 -1 3 -1 -1 3 -2 3 -1 · · T T t t t W W W W Wzb -W v , v Z Z E E E nc nm ob ws zb ec em s z 07 1 2 c m agr mat pal

- normatywna liczba godzin pracy ci¹gnika w okresie jego u¿ytkowania [h], - normatywna liczba godzin pracy maszyny w okresie jej u¿ytkowania [h], - czas obiegu œrodka transportowego odbieraj¹cego plon [h]

- czas wy³adunku [s] czas zbioru [h ha ]

- wskaŸnik jednostkowej energoch³onnoœci ci¹gników [MJ·kg ], - wskaŸnik jednostkowej energoch³onnoœci maszyny [MJ·kg ], - wydajnoœæ sieczkarni [m s ],

- wskaŸnik jednostkowej energoch³onnoœci czêœci zamiennych [MJ·kg ], wydajnoœæ sieczkarni podczas zbioru [ha·h ],

- wydajnoœæ eksploatacyjna agregatu podczas wykonywania danego zabiegu [ha·h ], - prêdkoœæ przejazdu z ³adunkiem i bez ³adunku [m s ],

- masa zu¿ytych czêœci zamiennych w ci¹gniku [kg], - masa zu¿ytych czêœci zamiennych w maszynie [kg],

- suma energoch³onnoœci stosowanych agregatów [MJ·ha ], - suma energoch³onnoœci stosowanych materia³ów [MJ·ha ], - suma energoch³onnoœci zu¿ytego paliwa [MJ·ha ].

· · · -1 -1 -1 2 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 Ó Ó Ó

biomasy. Do budowy algorytmu u¿yto wzorów i zale¿noœci podanych w dalszej czêœci artyku³u. Weryfikacjê algorytmu przeprowadzono w latach 2008-2009. W tym celu za³o¿ono doœwiadczenie ³anowe o powierzchni 1 ha, w którym dokonano obliczeñ efektywnoœci energetycznej produkcji wed³ug opra-cowanego algorytmu. Uzyskane wyniki porównano z wyni-kami przeprowadzonych pomiarów bezpoœrednich. Pomiary bezpoœrednie dotyczy³y okreœlenia wydajnoœci maszyn oraz wielkoœci nak³adów pracy ludzkiej (okreœlono je za pomoc¹ chronometra¿u uproszczonego) oraz iloœci zu¿ytego paliwa (okreœlono poprzez pomiar bezpoœredni). Sposób obliczenia wielkoœci nak³adów energetycznych wnoszonych w formie materia³ów oraz agregatów nie by³ ró¿nicowany.

Technologia uprawy topinamburu zosta³a umownie podzielona na dwa etapy.

W sk³ad etapu pierwszego, okreœlanego jako za³o¿enie plantacji, wesz³y nastêpuj¹ce zabiegi agrotechniczne: orka, bronowanie, talerzowanie, transport i sadzenie bulw.

W sk³ad etapu drugiego (prowadzenie plantacji), który powtarzany by³ corocznie, wesz³y: nawo¿enie mineralne, za³a-dunek i transport kompostu z osadu œciekowego, nawo¿enie kompostem w dawce 5 t·ha s.m., pielenie i rzêdowanie roœlin, zbiór (wykonany sieczkarni¹ jednorzêdow¹ przyczepian¹) i transport plonu.

Uzyskane wyniki badañ poddano analizie statystycznej, a istotnoœæ ró¿nic okreœlono na poziomie = 0,05.

Wielkoœæ nak³adów energetycznych ponoszonych na produ-kcjê biomasy okreœlono stosuj¹c metodykê energoch³onnoœci skumulowanej [1, 14]: -1 á Algorytm obliczeñ [MJ·ha ].-1 (1)

å

å

å

å

= _{mat agr pal r}

tech E E E E

TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA 3/2011 Poniewa¿ okreœlenie iloœci energii wniesionej w postaci pracy

ludzkiej ( E ) w warunkach polowych nie by³o mo¿liwe do wyznaczenia, pominiêto ten sk³adnik energii skumulowanej a wzór przyj¹³ postaæ: Ó _r [MJ·ha ]. [MJ·ha ], [MJ·ha ], [kg]. · · -1 -1 -1 (2) W celu okreœlenia energoch³onnoœci pracy ci¹gnika wykorzy-stano zale¿noœæ [1]:

(3) wskaŸniki energoch³onnoœci jednostkowej wed³ug [14], wydajnoœæ maszyn dla powierzchni 1 ha wed³ug [9].

Analogiczny wzór zastosowano do obliczenia energoch³on-noœci pracuj¹cych maszyn [1]:

(4) wskaŸniki energoch³onnoœci jednostkowej wed³ug [14]. Energoch³onnoœæ pracuj¹cych agregatów wyliczono sumuj¹c energoch³onnoœæ ci¹gnika i wspó³pracuj¹cej z nim maszyny. Iloœæ zu¿ytego paliwa wyliczono wed³ug wzoru i wskaŸników Karwowskiego [3]:

(5) Liczbê potrzebnych œrodków transportowych okreœlono wg zale¿noœci zaproponowanej przez Kuczewskiego i Majew-skiego [6]:

[szt]. (6)

Okreœlaj¹c czas konieczny do zbioru plonu pos³u¿ono siê zale¿noœci¹ Kuczewskiego i Majewskiego [6]:

[h ha ]. (7)

Jako wydajnoœæ sieczkarni (W ) przyjêto odwrotnoœæ czasu potrzebnego do skoszenia plonu:

[ha h ]. (8)

Energiê wniesion¹ w formie materia³ów wyliczono przez przemno¿enie masy materia³u zu¿ytego w trakcie produkcji przez wartoœæ energii w nim zawartej, przyjmuj¹c dla nawozów azotowych 77 MJ·kg N, potasowych 10 MJ·kg K O, fosfo-rowych 15 MJ·kg P O , kompostu z osadu œciekowego 0,4 MJ·kg , dla oleju napêdowego 48 MJ·kg [14].

-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 zb 2 2 5

å

å

å

= _{mat agr pal}

tech E E E E 07 W T W Z W M E nc z c ec c cg _× × + × = 07 W T W Z W M E nm z m em m m _× × + × = f h q N Q = s × × ×

WskaŸnik efektywnoœci energetycznej obliczono wed³ug zale¿noœci podanej przez Harasima [2]:

(9)

Zawartoœæ wody w plonie oznaczono metod¹ suszarkowo-wagow¹ susz¹c próby w temperaturze 80 C i dosuszaj¹c do sta³ej masy w temperaturze 105 C. Nastêpnie plon biomasy przeliczono na plon suchej masy i przemno¿ono przez wartoœæ opa³ow¹ suchej masy topinamburu wynosz¹c¹ 15,93 MJ·kg [11] wyznaczaj¹c w ten sposób wartoœæ energetyczn¹ plonu (P ) w MJ·ha . Uzyskane wyniki badañ dotycz¹cych plonowania poddano analizie statystycznej z wykorzystaniem modelu analizy wariancji, a istotnoœæ ró¿nic okreœlono za pomoc¹ testu

Studenta na poziomie

Stosuj¹c algorytm obliczeñ zaproponowany w powy¿szym opracowaniu stwierdzono, ¿e za³o¿enie plantacji topinamburu poch³ania 4,38 GJ·ha energii (tabela). Wiêkszoœæ energii wniesiona by³a w formie paliwa (2,96 GJ·ha ), energia wniesiona w formie agregatów wynios³a 1,42 GJ·ha . Przeprowadzone badania weryfikacyjne wykaza³y, ¿e na za³o¿enie plantacji trzeba zu¿yæ o oko³o 8% mniej energii ni¿ wykaza³y to obliczenia teoretyczne.

Suma energii koniecznej do prowadzenia plantacji tj. nawo-¿enia, pielêgnacji, zbioru i transportu plonu wyliczona w spo-sób teoretyczny wynios³a 8,61 GJ·ha . Wartoœæ energii wniesionej w formie paliwa wynios³a 5,54 GJ·ha , natomiast w formie agregatów 3,07 GJ·ha . Analiza empiryczna wykaza³a, ¿e do prowadzenia plantacji topinamburu zu¿yto o 8,6% mniej energii ni¿ wykaza³y to obliczenia teoretyczne. Wartoœæ energii wniesiona w formie materia³ów wynios³a 9,0 GJ·ha i nie ró¿ni³a siê w obydwu sposobach obliczeñ.

Skumulowany nak³ad energii, uwzglêdniaj¹cy oprócz energii wniesionej w formie paliwa i agregatów równie¿ energiê wniesion¹ w formie materia³ów, wyniós³ wed³ug obliczeñ teoretycznych 18,04 GJ·ha (tabela), natomiast wg badañ empirycznych 17,26 GJ·ha . Wartoœæ obliczona teoretycznie by³a wiêksza o 6,6%. Parametrem podsumowu-j¹cym analizy obliczeñ i badañ energetycznych jest wspó³-czynnik efektywnoœci energetycznej. Okreœlony w oparciu o wyniki obliczeniowe wyniós³ 4,31 i by³ mniejszy od wartoœci stwierdzonej doœwiadczalnie o 4,2%.

Analiza statystyczna przeprowadzonych obliczeñ nie potwierdzi³a istotnoœci wystêpuj¹cych ró¿nic.

o o -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 e t á . 0, 05 Wyniki badañ

Tabela. Porównanie wielkoœci nak³adów energetycznych oraz efektywnoœci energetycznej produkcji biomasy (œrednio w latach 2008, 2009)

Table. Comparison of the quantities of energy outlays and the energy efficiency of biomass production (average values for the years 2008 and 2009) 6 zb zb t W = 1 tech.

E

P

E

=

Wnioski

Literatura

1. Przeprowadzone badania potwierdzi³y poprawnoœæ przyjêtego algorytmu.

2. Opracowany algorytm mo¿e byæ wykorzystywany do teoretycznej oceny efektywnoœci energetycznej produkcji biomasy.

3. Stosowanie algorytmu umo¿liwi wybór najbardziej efektywnej technologii produkcji biomasy przeznaczonej na cele energetyczne.

[1] Anuszewski R., Pawlak J., Wójcicki Z.: Energoch³onnoœæ produkcji rolniczej. Metodyka badañ energoch³onnoœci produkcji surowców ¿ywnoœciowych. IBMER Warszawa, 1979.

[2] Harasim A.: Mo¿liwoœci kompensacji ujemnego wp³ywu stanowiska na plonowanie i efektywnoœæ produkcji psze-nicy ozimej. II Efektywnoœæ ekonomiczna i energetyczna. Pam. Pu³., 1997, 111, s. 73-87.

[3] Karwowski T.: Podstawy zespo³owego u¿ytkowania maszyn (ZUM). IBMER Warszawa, 1998.

[4] Kallivroussis L., Natsis A., Papadakis G.: The energy balance of sunflower production for biodiesel in Greece. Biosystem Eng., 2002, vol. 81, nr 3, s. 347-354.

[5] Klikocka H.: Efektywnoœæ energetyczna ró¿nych sposo-bów uprawy roli i nawo¿enia naturalnego w produkcji ziemniaka. Acta Agrophysica, 2006, 8 (2), s. 385-393.

[6] Kuczewski J., Majewski Z.: Eksploatacja maszyn rolniczych, tom 1. PWRiL Warszawa, 1985.

ISBN 83-09-00707-8.

[7] Kwaœniewski D.: Ocena wybranych technologii uprawy wierzby energetycznej w aspekcie ponoszonych nak³a-dów. In¿ynieria Rolnicza, 2006, 3 (78), s. 217-224. [8] Micha³ek R., Kosek J.: Uwagi o metodach liczenia

energo-ch³onnoœci produkcji rolniczej rachunkiem ci¹gnionym. Zeszyty Problemowe Postêpów Nauk Rolniczych, 1985, 280, s. 9-23.

[9] Muzalewski A.: Koszty eksploatacji maszyn. Biuletyn, Nr 21, IBMER, Warszawa, 2006.

[10] Pasyniuk P.: Problemy organizacji zbioru wierzby krzewiastej na cele energetyczne. Problemy In¿ynierii Rolniczej, 2009, 1 (63), s.105-112.

[11] Piskier T.: Analiza wartoœci opa³owej topinamburu. Raport badania w³asne, 2004.

[12] Roszkowski A.: Efektywnoœæ energetyczna ró¿nych spo-sobów produkcji i wykorzystania biomasy. Studia i Rapor-ty IUNG i PIB, 2008, 11, Uprawa roœlin energeRapor-tycznych a wykorzystanie rolniczej przestrzeni produkcyjnej w Pol-sce, s. 101-112.

[13] Wêgrzyn A., Zaj¹c G.: Wybrane aspekty badañ efekty-wnoœci energetycznej technologii produkcji biomasy roœlinnej. Acta Agrophysica, 2008, 11 (3), s. 799-806. [14] Wójcicki Z.: Wyposa¿enie i nak³ady materia³owo

energetyczne w rozwojowych gospodarstwach rolniczych. IBMER, Warszawa, 2002. ISBN 83-86264-62-4.

ENERGY EFFICIENCY OF BIOMASS PRODUCTION

IN THEORY AND IN PRACTICE

Summary

The present study includes a theoretical algorithm for the calculation of the quantity of energy outlays and the energy efficiency of biomass production. The values that were calculated on the basis of proposed algorithm were compared with the values that were obtained as a result of field research. Developed algorithm permits a correct assessment of the quantities of the parameters under investigation.

TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA 3/2011

Podrêcznik pt. adresowany jest do szerokiego

grona pracowników dydaktycznych i s³uchaczy uczelni przyrodniczych oraz u¿ytkowników maszyn rolniczych. Zawarto w nim podstawowe informacje z przedmiotu ”Technika rolnicza i eksploatacja maszyn rolniczych” wyk³adanego na ww. Uczelniach. Problematyka wyk³adów tego przedmiotu obejmuje charakterystykê szerokiego i niezwykle ró¿norodnego asortymentu maszyn i urz¹dzeñ technicznych. Wyczerpuj¹ce omówienie czy opisanie ca³oœci materia³u jest niemo¿liwe. Z tych te¿ wzglêdów w podrêczniku przedstawiono œciœle wyselekcjonowane partie materia³u - informacje podstawowe oraz te, które s¹ dzie³em autorów lub powsta³y przy znacz¹cym ich udziale. St¹d te¿, pomimo ¿e podrêcznik ma charakter pozycji dydaktycznej, nosi znamiona pracy monograficznej. Materia³ uzupe³niaj¹cy stanowi literatura zamieszczona na koñcu ka¿dego z rozdzia³ów.

tel. 061 87-12-200; fax 061 879-32-62;

e-mail: office@pimr.poznan.pl; Internet: http://www.pimr.poznan.pl

MASZYNY ROLNICZE

Wydawca:

Bran¿owy Oœrodek Informacji Naukowej, Ekonomicznej i Normalizacyjnej Przemys³owy Instytut Maszyn Rolniczych

60-963 Poznañ, ul. Staro³êcka 31