słoma - potencjał masy i energi.pdf - odnawialne źródła energii - hantajo

Inżynieria Rolnicza 2(100)/2008

SŁOMA – POTENCJAŁ MASY I ENERGII

Wiesław Denisiuk

„EKOLOG” Zakład Energetyki Cieplnej i Usług Bytowych w Zielonkach

Streszczenie. W pracy zawarta jest ocena parametrów potencjału masy i energii słomy pozy-

skanej na polach Pojezierza Iławskiego. Wstępnie potencjał masy i energii odniesiony do

powierzchni pola wyznaczono przy pomocy wskaźnika stosunku plonu ziarna do plonu sło-

my, który w literaturze [Wiśniewski 2000] podawany jest z:s = 1:1,3. Tymczasem, jak wyka-

zały dziesięcioletnie badania przeprowadzone na polach Pojezierza Iławskiego wskaźnik ten

wynosi średnio z:s=1:0,46. Pokazane zostały także zależności parametrów energetycznych

słomy tj potencjału masy i energii od rodzaju kombajnu użytego do omłotu ziarna zbóż.

Słowa kluczowe: biomasa, ciepło spalania, wartość opałowa, potencjał masy

Wstęp

Już trywialną staje się teza, że zasoby paliw kopalnych są ograniczone, a dla Europy nie

sprawa wyżywienia (UE to problem nadprodukcji żywności), a sprawa bezpieczeństwa

energetycznego jest problemem najwyższej rangi [Buzek 2007]. Przed Europą staje zadanie

rozwiązania w przeciągu kilkunastu lat rosnącego niedoboru ropy i gazu poprzez zastąpie-

nie ich innymi źródłami energii. Wg Buzka [2007] źródłami tymi w kolejności powinny

być Odnawialne Źródła Energii, węgiel przetwarzany do postaci płynnej lub gazowej pod

ziemią i energia jądrowa poprzez rozszczepienie lub syntezę jądrową (sztuczne słońce).

Natomiast polskie uwarunkowania to problem wymiany w przeciągu najbliższych piętnastu

lat 50% zużytych bloków energetycznych lub zakup energii elektrycznej z zewnątrz co wg

Buzka [2007] jest nie możliwe z powodu braku odpowiednich do tego zadania sieci prze-

syłowych. Dlatego należy rozwijać lokalną energetykę, w którą wpisują się OZE

a zwłaszcza biomasa. W warunkach Polski stanowi ona znaczny potencjał energetyczny

i daje szansę dla rolnictwa wejścia na rynek surowców do produkcji energii. Idea przezna-

czania części obszarów rolniczych na inne cele niż żywnościowe pozwoli efektywnie

zwiększyć zaangażowanie społeczeństwa w produkcję rolniczą i zmniejszy lokalną nad-

produkcję żywności. Produkcja rolnicza nieżywnościowa wymaga jednak innej wiedzy

i działań [Denisiuk 2006]:

– opanowania technologii uprawy i szeroko pojętej inżynierii produkcji roślinnej

i zwierzęcej pod potrzeby energetyki.

– tworzenia układów cywilnoprawnych pomiędzy wytwórcą surowców nieżywnościowych

(energetycznych) a przetwórcą tych surowców na energię elektryczną czy energię cieplną.

– przyjęcia w otoczenie wsi ludności miejskiej z obszaru rzemiosła, usług, przedsiębior-

ców zdolnych lokalnie zagospodarować wytworzone surowce energetyczne.

– zdolności organizowania się lokalnej społeczności wsi i miast celem samo zaopatrzenia

energetycznego.

Wiesław Denisiuk

Sformułowanie problemu

Słoma to dojrzałe lub wysuszone źdźbła roślin [Dunaj 2001]. Przyjęło się używać tego

określenia w stosunku do roślin zbóż, roślin strączkowych, lnu i rzepaku. Jako odpad pro-

dukcji nasiennej tych roślin ma szerokie zastosowanie w produkcji rolniczej, ogrodniczej,

w budownictwie, a ostatnio także w energetyce [Gradziuk 1999]. Podstawowym składni-

kiem słomy jest włókno surowe. Posiada ona wysoką zawartość suchej masy (ok. 85%), ma

wysokie zdolności sorpcyjne.

Najstarszą metodą zagospodarowania słomy było i wciąż jeszcze jest użycie jej jako

materiału ściółkowego. Od roku 1977 rejestruje się zmniejszenie zużycia słomy na ściółkę,

które spowodowane jest między innymi spadkiem pogłowia zwierząt gospodarskich, w tym

bydła o 30% [Kozakiewicz, Niściur 1984; Gradziuk 1995, 1999].

Zastosowanie słomy jako nawozu w glebie w formie obornika lub sieczki umożliwia

powstanie próchnicy, która jest jej formą przemiany biologicznej. Niewiele polskich gleb

charakteryzuje się zawartością próchnicy powyżej 2,5% [Krzywy 2000], co wskazywało by

na fakt niskiego poziomu żyzności gleby. Ta forma zagospodarowania słomy spotyka się

jednak z coraz to mniejszym zainteresowaniem.

Produkcja pasz z udziałem słomy jest jedną z dalszych form jej zagospodarowania [Ko-

zakiewicz i in. 1984]. Znane są także inne sposoby wykorzystania słomy. W rolnictwie

stosowana jest ona do zabezpieczenia kopców z ziemniakami, a w przemyśle do produkcji

materiałów izolacyjnych dla ogrodnictwa i budownictwa. Obserwowane w ostatnich latach,

nagminne wypalanie po żniwach nadwyżek słomy na polu jest zjawiskiem nagannym. Jest

niepożądaną formą jej zagospodarowania. Spalanie słomy na polu jest wymierną stratą

gospodarczą i powoduje degradację środowiska naturalnego. Wg Gradziuka [1999] nad-

produkcja słomy w Polsce w latach 1975-1997, miała tendencje rosnącą, osiągając wg

różnych źródeł ok. 20 mln ton, co daje potencjał ok. 237 PJ energii. Oszacowanie tego

potencjału masy słomy oparte zostało o dane literaturowe stosunku ziarna do słomy z:s =

1:1,3. Wskaźnik ten odbiega od wyznaczonego w warunkach rzeczywistych, w trakcie

dziesięcioletnich badań na obszarze województwa Pomorskiego i Warmińsko Mazurskie-

go. Badania pokazują, że dla każdego obiektu energetycznego musi być oddzielnie szaco-

wany możliwy do uzyskania potencjał masy słomy.

Słoma jako paliwo, jej budowa jest podstawową przyczyną różniącą ją jako nośnik

energii od węgla, oleju czy gazu. Przestrzenno – rurkowa budowa źdźbła słomy powoduje,

że jest to materiał objętościowy, którego struktura charakteryzuje się nadmiarem powietrza.

W okresie wegetacji źdźbło rosnącego zboża na powierzchni pokryte jest związkami tlenku

krzemu, chlorków fosforu, potasu i azotu [Heinz i in. 2001]. Związki te mają zadanie

usztywnienia źdźbła słomy i zabezpieczenia go przed wpływem zewnętrznych czynników

atmosferycznych [Nikolaisen 1998]. Ten fakt stwarza określone problemy w trakcie ener-

getycznego wykorzystania słomy. Chodzi o sposób i miejsce podawania powietrza

w kotle w trakcie spalania, prowadzenie temperatury ognia w kontekście tworzenia się

dioksyn i korozyjnego oddziaływania związków azotu na wewnętrzną konstrukcję kotła.

Skład chemiczny słomy, na który wpływ mają warunki glebowe, klimatyczne i działania

człowieka [Kucińska 1999; Krzywy 2000], ma duży wpływ na proces energetycznego

wykorzystania słomy. Zalecana technologiczna wilgotność słomy energetycznej waha się

w granicach 10-20% [Hansen 1996].

Słoma – potencjał masy...

Stworzenie zaplecza surowcowego opartego na słomie dla projektowanej ciepłowni

wymaga precyzyjnego oszacowania potencjału masy słomy niezbędnej dla uzyskania kom-

fortu cieplnego u odbiorcy ciepła. Należy zatem odpowiedzieć na pytanie ile ton słomy

musimy rocznie zabezpieczyć dla projektowanej czy istniejącej ciepłowni i z jakiej po-

wierzchni.

Cel pracy

Celem pracy jest określenie potencjału masy i energii słomy w odniesieniu do po-

wierzchni pola, umożliwiające wyliczenie pokrycia potrzeb na słomę opałową dla ciepłow-

ni oraz wyznaczenie zależności potencjału masy słomy od rodzaju zastosowanego kombaj-

nu do zbioru zboża.

Przedmiot badań i metodyka

Przedmiotem badań jest słoma pszenna o technologicznej zawartości wody 10÷20%

wody, zbierana w wybranych gospodarstwach Pojezierza Iławskiego. Słoma zbierana była

przy pomocy zestawu maszyn umożliwiających zagęszczenie słomy do wielkogabaryto-

wych kostek o wymiarach 1,20,82,5 m. Do załadunku i rozładunku słomy użyto samobież-

ny ładowacz JCB 252-67 i ładowacz czołowy TUR-5 szt 2. Transport słomy zabezpieczały

dwa ciągniki C-1634/1204/ i cztery platformy niskopodwoziowe.

Dla przeprowadzenia obliczeń teoretycznego potencjał słomy znajdującej się w obrębie

gminy, w której funkcjonuje ciepłownia opalana słomą, dla gospodarstw indywidualnych

w urzędzie gminy uzyskano dane w zakresie struktury zasiewu zbóż i rzepaku. Dane

o strukturze zasiewu zbóż i rzepaku gospodarstw po byłych PGR i OHZ tej gminy zebrano

w formie ankiet z tych gospodarstw.

W celu przeprowadzenia obliczeń faktycznego potencjału masy słomy zebraną słomę

i ziarno pszenicy zwarzono na wadze wozowej pięćdziesięciotonowej.

Wyznaczenie potencjału masy i energii dla słomy opałowej

Wyznaczenie potencjału masy i energii słomy opałowej przeprowadzono dla kotłowni

osiedlowej o mocy 1 MW w Zielonkach gmina Stary Targ. W tym celu , w związku z lo-

kalizacją ciepłowni przeprowadzona została analiza oszacowania zasiewu zbóż i rzepaku.

Jak wynika z danych uzyskanych w Urzędzie Gminy Stary Targ i ankiet powierzchnie

zasiewu zbóż i rzepaku wykazują ustabilizowaną od 10 lat strukturę, w której 70% sta-

nowią w/w uprawy. Gmina Stary Targ jest gminą typowo rolniczą, w której gospodarstwa

wielkoobszarowe po byłych PGR i OHZ stanowią 52% użytków rolnych gminy. Na ogólną

powierzchnię administracyjną tej gminy14104 ha, powierzchnia użytków rolnych stanowi

11346 ha.

Na rysunku 1 przedstawiono graficznie zmiany obszaru zasiewu zbóż i rzepaku

w Gminie Stary Targ w latach 1996÷2001, a na rysunku 2 przedstawiono uzyskane

w Gminie Stary Targ plony zbóż i rzepaku w latach 1996-2001.

Wiesław Denisiuk

10000

9272

9000

8000

6636

7077

7166

6848

6879

7000

6000

5000

4000

3000

2000

744

975

982

1075

1022

1063

1000

1996

1997

1998

1999

2000

2001

rok

zboże [ha] rzepak [ha]

Źródło: badania własne

Rys. 1. Powierzchnia zasiewu zbóż i rzepaku w Gminie Stary Targ w latach 1996-2001

Fig. 1.

Area under cereal and rape cultivation in the Stary Targ District in the years 1996-2001

Rys. 2. Plony ziarna zbóż i rzepaku w Gminie Stary Targ w latach 1996-2001

Fig. 2.

Cereal seed and rape yields in the Stary Targ District in the years 1996-2001

Jak wynika z analiz powierzchnie zasiewu zbóż i rzepaku w badanym okresie były zbli-

żone do siebie w poszczególnych latach. Przyjmując wstępnie za Wiśniewskim [2000],

Słoma – potencjał masy...

parametr stosunku ziarna pszenicy do słomy w wysokości 1:1,3, określono potencjał nor-

matywny wydajności słomy zbóż i rzepaku w tonach na hektar w latach 1996÷2001, który

wynosił dla słomy rzepakowej 2,2÷3,4 t·ha -1 , dla słomy zbóż 6,04÷6,90 t·ha -1 , tj razem

słomy 8,75÷10,00 t·ha -1 .

Na podstawie zebranych danych można przyjąć, że przy wskaźniku z:s=1:1,3, średnia

produkcja słomy w gminie ukształtowała się na poziomie 47 tys. ton rocznie.

Przyjmując do obliczeń za Kowalikiem [1999], a potwierdzoną badaniami własnymi

[Denysiuk 2002] uśrednioną wartość opałową słomy świeżej W ś = 14 MJ·kg -1 i dla słomy

szarej W sz = 17 MJ·kg -1 , wyznaczono dla wskaźnika z:s=1:1,3 zapotrzebowanie na słomę

dla analizowanej ciepłowni o mocy 1MWw wysokości ok. 600÷650 ton rocznie. Przepro-

wadzono także obliczenia potencjału energetycznego słomy odniesionego do powierzchni

zasiewu pszenicy, który wyniósł dla słomy świeżej (36,68÷46,48 GJ·ha -1 ), dla słomy szarej

(43,4÷50,4 GJ·ha -1 ) .

Przeprowadzone w latach 1997-2007 na terenie województw Pomorskiego i Warmiń-

sko-Mazurskiego pomiary z wybranych pól masy zebranej słomy i ziarna zbóż przy pomo-

cy pięćdziesięciotonowej wagi wozowej pozwoliły określić faktyczny średni stosunek

plonu głównego (ziarna) do plonu pomocniczego (słomy) pszenicy. Wynosi on w rzeczy-

wistości z:s=1:0,46 w gospodarstwach używających kombajn z tradycyjnym zespołem

młócącym i z:s=1:0,28 w gospodarstwie JU, używającym kombajn Case. Współczynnik ten

różni się znacznie od wartości podanych w literaturze [Wiśniewski 2000].

Na podstawie przeprowadzonych badań i uzyskanego faktycznego średniego wskaźnika

z:s=1:0,46 wyznaczono rzeczywisty potencjał słomy w gminie, który wynosi 16 tys. ton

słomy rocznie, a nie 47 tys. ton. Także i ten potencjał masy słomy w pełni gwarantuje bez-

pieczeństwo energetyczne kotłowni.

W tabeli 2 przedstawiono, na podstawie zmierzonej masy ziarna i słomy, stosunek plo-

nu głównego (ziarna) i plonu pomocniczego (słomy).

W wyniku dziesięcioletnich badań stwierdzono, że:

– w przypadku słomy zbieranej po kombajnie zbożowym z tradycyjnym zespołem młócą-

cym (bęben i klepisko w układzie poprzecznym do kierunku jazdy kombajnu) stosunek

ziarna do słomy ma się od 1:0,36 w roku 2000 do 1:0,67 w roku 1997,

– w przypadku słomy zbieranej za kombajnem CASE z zespołem młócącym ułożonym

wzdłużnie do kierunku jazdy, stosunek ziarna do słomy ma się od 1:0,19 w roku 2000

do 1:0,35 w roku 2001.

W trakcie dziesięcioletnich badań uzyskano, w zależności od zastosowanego kombajnu,

stosunek z:s=1:(0,19÷0,67). Badania wykazały, że faktyczny eksploatacyjny średni poten-

cjał masy słomy stanowi 35% przy zbiorze kombajnem tradycyjnym i 22% przy zbiorze

kombajnem Case, przyjętego do obliczeń ze stosunku z:s=1:1,3 przez Wiśniewskiego

[2000], potencjału masy słomy.

Roczne zapotrzebowanie na słomę opałową dla obiektu o mocy 1 MW, wynoszące 600

ton, zostało zabezpieczone poprzez umowy długoterminowe z gospodarstwami JU, ZI, PW,

KZ i KL. Przy średnim plonie ziarna pszenicy w tych gospodarstwach wynoszącym

5,8 t·ha -1 , przy średnim wskaźniku z:s=1:0,46 plon słomy wynosi 2,8 t·ha -1 . W związku

z tym, rocznie na potrzeby energetyczne, należy przeznaczyć 214,3 ha słomy zbóż i rzepaku.

słoma - potencjał masy i energi.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: