Dr hab. inż. Grzegorz Żurek, profesor Instytutu Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin, Państwowy Instytut Badawczy, Radzików, Błonie

Alternatywne sposoby

wykorzystania biomasy roślinnej dla przeciwdziałania

niekorzystnym efektom zmian klimatu

Dr hab. inż. Grzegorz Żurek, profesor Instytutu

Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin, Państwowy Instytut Badawczy,

Radzików, 05 – 870 Błonie

Zmiany klimatu…

Według danych NASA:

• stężenie CO

– 412 ppm (najwyższe od 650 000 lat) ….

• temperatura wzrosła o 1,06˚C od 1880 (18 z 19 najgorętszych lat przypadło na okres od 2001 r.)…

• lód na Arktyce – maleje w tempie 12,8% na dekadę (w 2012 zasięg lodu na Arktyce był najmniejszy od czasu obserwacji jego

zasięgu)…

• pokrywa lodowa na biegunach maleje w tempie 413 Gt na rok …

• poziom mórz rośnie w tempie 3,3 mm na rok (przez okres

ostatnich 100 lat globalny poziom mórz wzrósł o 178 mm)…

CO

: podwyższone stężenie i gwałtowny wzrost w ostatnim okresie …

(Schneider i wsp. 2002)

CO

: wysokie wartości stężenia już w przeszłości występowały…

415,64 (15.05.2019)

… w ciągu ostatniego miliona lat stężenie CO

wahało się pomiędzy 172 a 300 ppm …

…wzrost temperatury o 1,06̊ C od roku 1880 (2/3

wzrostu przypada na okres od 1975) …

Zmniejszająca się grubość pokrywy lodowej na Grenlandii i Antarktyce …

Utrzymujący się wzrost poziomu morza, zgodny z prognozami.

Utrzymujący się wzrost poziomu morza - Mikronezja (Pacyfik)

Prognoza terenów zagrożonych zalaniem bądź powtarzającymi się powodziami przy wzroście poziomu morza o ok. 0,75 cm …

Lokalne wskaźniki zmian …

(wg. Lorenc H., Atlas Klimatu Polski)

Najdłuższy ciąg obserwacji meteorologicznych w Polsce, Warszawa

Stwierdzone zmiany klimatu Europy …

…zmiany średniej, rocznej temperatury powietrza w Radzikowie w latach 1955 – 2018 …

y = 0,0355x + 7,3646 R² = 0,365 4,0

5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0

https://meteoprognoza.pl/2019/07/08/historycznie-cieply-czerwiec-2019/

Rok 2019 …

Średnia temperatura powietrza każdego dnia w czerwcu przekraczała średnią wielolecia …

Co nas czeka w przyszłości …

• Światowe zapotrzebowanie na energię ma wzrosnąć o 50%

do roku 2030 - 80% tego wzrostu będzie pochodziło nadal z paliw kopalnych …

• Do roku 2050 globalna emisja węgla wzrośnie do 12 – 18 Gt C rocznie …

• Pochłanianie CO

przez biosferę jest bardzo zmienne i

najprawdopodobniej zmaleje w połowie XXI wieku …

Prognozy globalne wg. FAR IPCC, 2017):

• Głównym ‘akumulatorem’ energii cieplnej

dodawanej do atmosfery na skutek ocieplania (ok.

80%) jest ocean, którego wody ogrzewają się do głębokości 3 000 m.

• Nawet po zatrzymaniu wzrostu emisji gazów

szklarniowych ok. roku 2100, prognozowany wzrost

temperatury do 2200 nadal będzie wynosił ok. 0,5 ^o C.

Emisja węgla do atmosfery …

W skali Polski …

• Roczna emisja CO

– 414 mln ton

(elektrownia Bełchatów – 38 mln ton) …

• Pochłanianie przez lasy – 30 mln ton (ok. 7% całkowitej emisji) …

(dane wg. KOBiZE, za biznesalert.pl)

15,7

12,3

9,7 8,4

7,7

5,7

USA ROSJA NIEMCY POLSKA CHINY UK

emisja w tonach CO

na 1 mieszkańca (rok 2017)

https://edgar.irc.ec.europa.eu

Ślad węglowy …

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 wymiana żarowek na oszczędne

suszenie prania bez użycia suszarki bębnowej recykling odpadów pranie w chłodnej wodzie zamiana samochodu na hybrydowy dieta roślinna (bezmięsna) zamiana samochodu elektrycznego na brak samochodu kupowane 'zielonej energii' unikanie transoceaniczych lotów samolotem życie bez samochodu

redukcja emisji (t CO

eq / 1 mieszkańca rocznie)

…z czego powinniśmy zrezygnować aby ograniczyć emisje ….

Ślad węglowy …

emisji CO

eq na 1 kg produktu

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

baranina wołowina ser wieprzowina łosoś mięso indyka

mięso kurczaka

tuńczyk (puszka)

jaja kurze

Ślad węglowy …

…z czego powinniśmy zrezygnować aby ograniczyć emisje ….

Ograniczenie konsumpcji mięsa = redukcja emisji GHG o 30%, wegetarianizm = 63%,

weganizm = 70%

Jak rolnictwo przyczynia się do ocieplenia klimatu ?

Średnie roczne emisje (2007 – 2016)

23% ogólnej emisji antropogenicznej GHG pochodziło z sektora rolnictwa, leśnictwa i innych typów użytkowania gruntów;

12% ogólnej emisji – z samego rolnictwa (produkcja roślinna, chów zwierząt);

(w ogólnym wolumenie emisji ok. 44% - CH

z

fermentacji jelitowej przeżuwaczy; 31% - N

O emisja

w trakcie uprawy gleby - nawożenie) …

Podstawowe procesy, mogące wpływać na produkcję roślinną pod wpływem zmian klimatu:

1. Wzrost stężenia CO

(wzrost plonu biomasy, wpływ na wykorzystanie wody i składników pokarmowych).

2. Zmiany parametrów agroklimatycznych (temperatura, opady, nasłonecznienie).

3. Zmiany częstotliwości zjawisk o charakterze

klęskowym (upały, susze, powodzie, trąby powietrzne itp.).

4. Zmiana przydatności pewnych gatunków roślin do uprawy w danym regionie.

5. Zmiany w mechanizmach odżywiania się roślin oraz w występowaniu chorób, szkodników i chwastów.

6. Wpływ na jakość środowiska glebowego.

(wg. Olsen i wsp. 2011)

Aktualne ograniczenia w produkcji rolniczej, będące

bezpośrednim efektem działania klimatu (na przykładzie roślin pastewnych, strefa kontynentalna klimatu Europy)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

susza opady podczas zbiorów

gorąco powodzie mrozy grad długość sezonu

wegetacyjnego

przymrozki

skala zagrożenia (0 - 5)

(wg. Olsen i wsp. 2011)

Jakie zmiany już zauważono:

• Rośliny i zwierzęta:

> zmiany zasięgów występowania (wschód-zachód, północ- południe),

> zmiany obfitości występowania organizmów,

> wydłużenie sezonu wegetacyjnego,

> wcześniejsze: kłoszenie i kwitnienie roślin, pojawy owadów, gniazdowanie, znoszenie jaj,

> zmiany morfologiczne (np. zmiany wielkość jaj i całego

ciała u niektórych gat. ptaków),

Przyszłe wyzwania …

• Efektywne wykorzystanie zasobów (woda, gleba, substancje pokarmowe) …

• Ograniczenie strat w produkcji i dystrybucji żywności

…

• Wzrost wydajności małych gospodarstw …

• Zmiany w zasadach stosowania środków ochrony

roślin …

Tradycyjne:

• konsumpcyjny (żywność nieprzetworzona i przetworzona, zioła, używki)…

• paszowy (żywienie zwierząt);

• przemysłowy (produkcja olejów, włókien, biomasy do spalania, …

• materiał budowalny i konstrukcyjny (bambus, trzcina, drewno)….

• ozdobny, rekreacyjny itp.

• rekultywacja, fitoremediacja …

Kierunki wykorzystania roślin:

Nowatorskie (niekowencjonalne) …

• produkcja biopaliw płynnych z biomasy lignocelulozowej …

• produkcja pulpy papierowej z biomasy traw lub wykorzystanie jej jako dodatku do drewna….

• produkcja biowęgla (cele energetyczne, faramaceutyczne itp.) …

• wykorzystanie biomasy traw jako dodatku do prefabrykatów budowalnych …

• wykorzystanie `nowych’ (dotychczas nie stosowanych w skali kraju) gatunków roślin (np. perz wydłużony, proso rózgowate, rożnik przerośnięty) …

Kierunki wykorzystania roślin:

Energia …

Porównanie ładunku energii do objętości nośnika –

w każdym przypadku jest to równa ilość energii…

• Biopaliwa transportowe: FT-diesel, bio-DME (gazyfikacja drewna, lub biomasy z szybko rosnących upraw, słomy, traw), spirytus

lignocelulozowy czy bio–SNG …

• Produkcja wodoru z wykorzystaniem bakterii beztlenowych rozkładających biomasę …

• Diesel HTU – biomasa mokra …

Technologie 2-giej generacji …

Hierarchia ważności parametrów jakości biomasy w zależności od rodzaju przerobu

jakość cukrów 1 1 3 3

struktura i ilość lignin 1 1 3 3

zdolność do krystalizacji celulozy 2 1 3 3

gęstość 3 2 1 1

rozmiar cząstek 2 2 2 2

zawartość wilgoci 3 3 1 1

zawartość ekstraktów 3 3 3 3

zawartość N 3 3 2 2

zawartość S 3 3 2 2

zawartość innych zw. nieroganicznych 2 2 2 2

wartość kaloryczna 3 3 2 1

Konwersja termochemiczna, gazyfikacja (synteza

Fischer-Tropscha)

Spalanie bezpośrednie

Kryterium

fermentacja kwaśna hydroliza i

fermentacja

Biokonwersja

1 – bardzo ważne, 2 – ważne, 3 – mniej ważne

(wg. Moller i wsp., 2007)

Które gatunki roślin będą miały największy potencjał w zakresie produkcji biopaliw przy jednoczesnym jak najmniejszym oddziaływaniu na bioróżnorodność, tzw. ślad węglowy oraz bezpieczeństwo żywności ?

Produkcja biopaliw płynnych z biomasy

lignocelulozowej

Rodzaj, gatunek celuloza lignina

Festuca arundinacea 27,0 5,0

Dactylis glomerata 30,0 4,7

Bromus inermis 36,3 6,0

Elymus elongatus 38,2 7,9

Phalaris arundinacea 38,5 4,8

Miscanthus 44,7 21,0

Panicum virgatum 44,9 12,0

Zea mays 46,5 10,4

Zróżnicowanie międzygatunkowe podstawowych parametrów składu chemicznego …

Zawartość celulozy i lignin w % suchej masy

N P K N P K

kukurydza 5,2 200 100 100 7,2 0,7 11,0 115

trzcina cukr. 22,9 90 67 67 10,0 2,7 33,1 57

sorgo 2,0 90 67 67 14,5 2,8 15,7 164

miskantus 22,5 0 7 100 4,9 0,5 7,0 22

proso rózgowe 10,0 67 45 45 3,4 0,6 8,3 45

Średni plon dostępnej

biomasy lignocelulozowej (t DM ha^-1 rok^-1) *

Gatunek

Zapotrzebowanie na nawozy (kg ha^-1 rok^-1):

Wynoszenie składników z plonem (g/kg DM plonu)

Ilość wody (mm) do wyproduko

wania 1 kg DM plonu

rocznie

Zróżnicowanie międzygatunkowe podstawowych parametrów agronomicznych …

* Biomasa dostępna to ta część plonu, którą możemy przeznaczyć na produkcje biopaliw.

(wg. van der Veijde i wsp. 2013)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

miskantus proso rózgowe trzcina cukr. kukurydza sorgo

Zróżnicowanie międzygatunkowe podstawowych parametrów agronomicznych …

(wg. van der Veijde i wsp. 2013)

Ilość wody (mm) niezbędna do wyprodukowania 1 kg

S.M. plonu rocznie

Jedna z 3 instalacji na środkowym zachodzie USA,

770 ton resztek z uprawy kukurydzy / dziennie

Wrzesień 2014

Produkcja pulpy papierowej z biomasy traw lub

wykorzystanie jej jako dodatku do drewna

Produkcja pulpy papierowej z biomasy traw lub wykorzystanie jej jako dodatku do drewna

0 5 10 15 20

sosna miskant - pędy perz wydłużony miskant - liście brzoza kostrzewa

trzcinowata

owsik wyniosły

Potencjalna wydajność biomasy - liczba włókien (10⁶) na 1 g pulpy

(Wg. Danielewicz i wsp. 2015)

Produkcja pulpy papierowej z biomasy traw lub wykorzystanie jej jako dodatku do drewna

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

miskant - liście miskant - pędy perz wydłużony sosna owsik wyniosły brzoza kostrzewa trzcinowata

Tensile Index – podatność na rozciąganie (N·m/g)

(Wg. Danielewicz i wsp. 2015)

Produkcja biowęgla

Biowęgiel (ang. biochar, biocarbon) jest ulepszoną wersją węgla drzewnego.

Otrzymuje się go w procesie termicznego

rozkładu biomasy różnego pochodzenia (rośliny, pozostałości organiczne).

Jednym ze sposobów otrzymywania jednocześnie biowęgla, biooleju i biogazu jest piroliza.

Proces ten nazywany jest destylacją rozkładową, polegająca na termicznym rozkładzie substancji w bardzo wysokiej temperaturze (500-900°C) bez dostępu powietrza i/lub przy podwyższonym ciśnieniu.

(wg FLUID s.a.)

Produkcja biowęgla

(wg FLUID s.a.)

Zastosowanie biowęgla:

• paliwo do ciepłowni, EC, kotłów c.o., domowych kominków;

• paliwo do grila;

• uzdatnianie wody;

• produkcja nawozów naturalnych;

• immobilizacja metali ciężkich w glebie;

• dodatek do pasz;

• dodatek do tynków ….

Produkcja biowęgla

(wg FLUID s.a.)

Wykorzystanie biomasy traw jako dodatku do prefabrykatów budowalnych

(wg. Waldman i wsp. 2016)

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

15 20

Cement + miskantus 300 kg/m2 polistyren

grubość (cm) warstwy izolacyjnej

odporność na przenikanie ciepła (W/(m2 K)

Wykorzystanie biomasy traw jako dodatku do prefabrykatów budowalnych

(wg. Waldman i wsp. 2016)

• Perz wydłużony

• Proso rózgowe

• Rożnik przerośnięty

• Oxytree (Pulownia hybr.)

Dotychczas nie uprawiane w kraju gatunki

lub gatunki mniej popularne

Perz wydłużony

Elymus elongatus;

Agropyron elongatum;

Elytrigia elongata;

Elytrigia pontica,

Perzu wydłużony kępowy ‘Bamar’

Rośliny

• uprawa wieloletnia (6-10 lat);

• wytrzymała na suszę i mrozy (nawet do -20°C)

• b. wcześnie rusza wiosną,

• znosi gleby suche, piaszczyste, ubogie (kl. IV -VI), również skażone, zasolone i alkaliczne);

• przeciwerozyjna i rekultywacyjna (silny, głęboki

• system korzeniowy);

• doskonale rozmnaża się za pomocą nasion

1 odmiana zarejestrowana (Bamar), 3 zgłoszone do badań rejestrowych do COBORU

Proso rózgowe

• roślina fotosyntezy typu C₄,

• pochodzi z Ameryki Północnej, doskonale adaptuje się w naszych warunkach klimatycznych,

• małe wymagania wodne, glebowe (g. piaszczyste, lekkie, kl. V i VI),

• wytrzymała na niskie temperatury do -25°C

• wytwarza nasiona o stosunkowo dobrej żywotności (po okresie spoczynku 1 - 2 lat),

• duża trwałość plantacji - do 10 lat,

• wysoki plon biomasy s.10-14 t/ha,

• silnie rozbudowany system korzeniowy

Rozbudowany system korzeniowy 8 mies. rośliny

dwie formy zgłoszone do badań rejestrowych

do COBORU

Wykorzystanie:

❖ na cele energetyczne:

biogaz – zbiór w fazie kłoszenia,

do spalania oraz do produkcji pelet, brykietów – zbiór po zakończeniu wegetacji;

❖ pastewne (sianokiszonki);

❖ przeciwerozyjne i rekultywacyjne , na tereny skażone, do umacniania skarp, poboczy

❖ w przemyśle celulozowym, budownictwie …

Formy hodowlane prosa na glebie piaszczystej, VI z.

Woj. Świętokrzyskie, gleba VI kl., rok 2016

Rożnik przerośnięty (Sylfium perfoliatum)

• Roślina wieloletnia z rodziny astrowatych (

• Niewielkie wymagania pokarmowe, gatunek pionierski przy rekultywacji terenów

zdegradowanych;

• wysoki plon do 20 ton s. m. z 1 ha

• Wytwarza żywotne nasiona.

Walory:

• biogaz

na paszę;

• spalanie bezpośrednie;

• pasza;

• roślina dekoracyjna,

• cenny surowiec dla przemysłu farmaceutycznego (

- roślina miododajna (550 kg miodu z ha)

3 formy zgłoszone do badań rejestrowych do COBORU

Rożnik jako alternatywa dla kukurydzy …

1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500 5 000 5 500 6 000

kiszonka z trawy kiszonka z rożnika kiszonka z kukurydzy

2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500 5 000 5 500 6 000 6 500

perz wydłużony rożnik przerośnięty kukurydza

(wg. Haag i wsp. 2015)

(wg. Mast i wsp. 2015) Plon metanu (m³/ha)

Rożnik jako alternatywa dla kukurydzy …

1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450

niski średni wysoki

kukurydza rożnik przerośnięty

Porównanie kosztów produkcji surowca do biogazowni (EURO/ha) w zależności od poziomu plonowania

(Friedrich Asen, 2014)

Sorgo

roślina będąca alternatywą dla kukurydzy w warunkach suszy

- roślina o dużych wymaganiach termicznych;

- mniejsze wymagania glebowe (gl. lekkie, piaszczyste);

- rośliny mogą osiągać 3 - 4 m wysokości;

- biomasa przydatna do zakiszania, w połączeniu z kukurydzą.

- plon zielonej masy do 60-70 t z 1 ha, s.m. 12-25 ton.

Fot. D. Martyniak

’Fot. D. Martyniak.

2 formy przygotowane do zgłoszenia do COBORU

ZALETY WADY

Mniejsze wymagania glebowe niż kukurydza B. wysokie wymagania termiczne Może być uprawiana na glebach lekkich,

piaszczystych

Większość odmian sorga nie wytwarza żywotnych nasion w warunkach

klimatycznych Polski

Oszczędna gospodarka wodą Wrażliwość na intensywne opady i podtopienia po siewie

Może być wykorzystana do produkcji bogazu, bioetanolu i biopaliw stałych

mała popularność, materiał siewny z zagranicy (odmiany francuskie,

niemieckie) Stosunkowo odporna na patogeny

występujące w Polsce (nie wymaga oprysków)

Wymaga odchwaszczania w początkowej fazie wzrostu

Sorgo

• Wciąż rozwijane i doskonalone są technologie

pozyskiwania i przerobu biomasy roślin dla uzyskania zadowalających efektów ekonomicznych i

środowiskowych.

• Wprowadzane są również do uprawy nowe gatunki, które poszerzają istniejącą ofertę o nowe aspekty

jakościowe.

• Faktyczna przydatność nowych gatunków i technologii jest silnie uzależniona od lokalnych relacji rynkowo – środowiskowych i musi być potwierdzona wieloletnimi badaniami naukowymi i obserwacjami z praktyki.

Podsumowanie

• Dla efektywnego przeciwdziałania niekorzystnym efektom zmian klimatu niezbędne będzie

kompleksowe urządzenie i zrównoważone zagospodarowanie obszarów wiejskich, a w

szczególności usprawnienie gospodarki wodnej i ochrona gleb przed erozją.

Podsumowanie