Źródła paliw - rośliny i produkty uboczne

Paliwa odnawialne ze względu na źródło pochodzenia podzielić możemy na pochodzące z celowych upraw rolniczych i leśnych lub stanowiące produkt uboczny produkcji rolniczej i przemysłu rolno-spożywczego.

Paliwa z roślin

Powszechnie wykorzystywanym w procesie termolizy (spalanie, zgazowanie, piroliza itp.) paliwem jest drewno. Pozyskiwane ono może być z lasów jak również z wieloletnich plantacji drzew i krzewów uprawianych na cele energetyczne. Do najbardziej popularnych w naszych warunkach gatunków z tej grupy uprawianych na użytkach rolnych można zaliczyć wierzbę, topolę i robinię akacjową. 

Świeżo ścięte drzewo zawiera ok. 40-50% wilgoci przy wartości opałowej 8,4 MJ/kg1. z kolei w stanie powietrzno-suchym po upływie roku zawiera od 15 do 25 % wilgoci, a jego wartość opałowa wzrasta do 12,5-15,6 MJ/kg. Drewno w około 50% składa się z celulozy, która jest polimerem należącym do grupy polisacharydów zbudowanych z reszt glukozowych połączonych w długie i nierozgałęzione łańcuchy. Dodatkowo w skład drewna wchodzi lignina (18-28%), hemiceluloza (13-28%), pektyny, białko i popiół. Wzajemne proporcje tych składników chemicznych uzależnione są od gatunku, z którego pochodzi drewno.2 W chwili obecnej biomasa ma duże znaczenie w strukturze pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych. W Polsce stanowi ona główne źródło OŹE, a jej udział w strukturze w ostatnich latach wynosił ok. 90%3

Biomasę do przetwarzania w procesie termolizy możemy pozyskiwać również z:

  • bylin wieloletnich - ślazowiec pensylwański, topinambur;
  • traw wieloletnich – miskant, spartina preriowa, palczatka Gerarda, proso rózgowate i mozga trzcinowata.

Możliwe jest również, chociaż stosunkowo rzadko praktykowane, spalanie ziarna lub całych roślin zbóż, kukurydzy, traw łąkowych, konopi itp. Wartość opałowa biomasy tych paliw wynosi około 17-17,5 MJ/kg suchej masy.

Perspektywicznym kierunkiem przetwarzania biomasy jest pozyskiwanie paliw II-generacji, gdzie w procesie rozkładu ligniny i celulozowy możliwe jest pozyskanie zarówno paliw płynnych jak i gazowych.

Surowce roślinne posłużyć mogą również jako substrat, z którego wytwarzany jest biogaz. Paliwo to może być spalane w specjalnych silnikach, gdzie wytwarzana jest energia elektryczna i cieplna. Opracowywane są również technologie, które po doczyszczeniu biogazu pozwolą zatłaczać go bezpośrednio do sieci przesyłowych. Podstawową rośliną, z której przygotowuje się kiszonki wykorzystywane  w biogazowniach jest obecnie kukurydza. Plony tej rośliny przekraczają na ogół 50 t świeżej masy z ha, a z  jednej tony świeżej masy tego surowca można uzyskać 170-200 m3 biogazu. Do produkcji biogazu wykorzystane mogą być również kiszonki z słonecznika, traw, sorga, żyta zbieranego w fazie dojrzałości mleczno-woskowej, liści jak i korzeni buraka cukrowego. Wydajność biogazu z tych surowców jest zróżnicowana (rys. 1).

Rys. Produkcja biogazu z wybranych surowców roślinnych (m3/t.ś.m)


Źródło: Institut für Energetik und Umwelt gmbh. 2005. Biogaz - produkcja i wykorzystywanie. Leipzig: Interreg

Do najważniejszych parametrów surowca roślinnego wykorzystywanego do produkcji biogazu należy zaliczyć udział suchej masy, suchej masy organicznej, zawartość składników odżywczych (N, P, K) oraz ewentualnych substancji szkodliwie wpływających na proces fermentacji4. Z tak pozyskanego surowca przy braku obecności tlenu w czterech etapach (hydroliza, kwasogeneza, octanogeneza i metanogneza) powstaje mieszanina gazów, tak zwany biogaz. Składa się on z metanu CH4 (52-85 %), dwutlenku węgla CO2 (14-18 %), siarkowodoru H2S (0,08-5,5 %), wodoru H2 (0-5 %), tlenku węgla CO (0-2,1 %), azotu N2 (0,6-7,5 %) i tlenu O (0,1-0,2 %). Metan jest gazem bezwonnym i łatwopalnym. Niszczy warstwę ozonową dwudziestokrotnie silniej niż dwutlenek węgla, jednak spalany w specjalnych instalacjach nie jest szkodliwy dla środowisk. Wartość opałowa biogazu wynosi 20-27 MJ /m3 i jest niższa niż w przypadku gazu ziemnego (33 MJ/m3).

Kolejnym kierunkiem wykorzystania surowców roślinnych na cele energetyczne jest produkcja biopaliw płynnych. Już w 1900 r. na światowej wystawie w Paryżu Rudolf Diesel użył do napędu nowego silnika paliwa wytworzonego z orzeszków ziemnych. Obecnie w warunkach Polskich największe znaczenie ma produkcja biodiesla z nasion rzepaku, chociaż możliwe jest również jego pozyskanie z nasion lnianki, gorczycy, słonecznika. W Ameryce Północnej i Południowej największe znaczenie w produkcji biodiesla ma olej sojowy, a w Azji olej palmowy.

Z jednej tony nasion rzepaku można pozyskać około 370 kg biodiesla, co przy plonach rzepaku na poziomie 2,5-3 t/ha pozwala uzyskać produkcję tego paliwa z 1 ha na poziomie około 0,9-1,1 t/ha. Wartość energetyczna biodiesla wynosi około 36 MJ/kg.
Obecnie podejmuje się również próby produkcji biodiesla z hodowli alg.

gatunek
Plon (dt/ha)
Cukier / Skrobia (% s.m.)
Uzysk etanolu (l/dt)
Plon etanolu (l/ha)
Pszenica
36,3
59,5
38
1379
Pszenżyto
31,2
56,5
36
1123
żyto
22,1
54,5
35
773
kukurydza
60
65,0
42
2520
ziemniak
184
17,8
11
2024
burak c.
370
16
10
3700

Tabela 1. Ilość etanolu uzyskiwana z 1 ha przy średnich plonach w Polsce. (źródło: Kuś, IUNG-PIB, 2011)

Paliwa z produktów ubocznych

Ważne źródło paliw mogą stanowić również produkty uboczne pochodzące z rolnictwa, przemysłu rolno-spożywczego i innych gałęzi przemysłu. Obecnie podstawowym produktem ubocznym wykorzystywanym w procesie spalania do produkcji energii jest słoma różnych gatunków roślin zbożowych. Paliwo to jest spalane bezpośrednio w postaci bel zebranych z pola, może być również uszlachetniane poprzez formowanie brykietu lub peletu. Wartość energetyczna słomy w stanie suchym w zależności od gatunku wacha się na poziomie 17-17,5 MJ/kg2. Pomimo wielu zalet jakie posiada to paliwo, to jednak jedną z jej podstawowych wad jest znaczna zawartość chloru w biomasie. Pierwiastek ten ze względu na swoje właściwości chemiczne powoduje gwałtowną korozję chlorową urządzeń wykorzystywanych do spalania tego rodzaju biomasy. W celu ograniczenia tego niekorzystnego zjawiska słomę po omłocie ziarna należy pozostawić na kilka tygodni (2-3) na polu w celu wyługowania tego pierwiastka. 
Do spalania mogą być wykorzystane takie produkty uboczne jak: nieprzydatne do skarmiania siano, naturalny porost z odłogów, mączki mięsne, mączki kostne, tłuszcze, skóry, kości itp.

Również do produkcji biogazu wykorzystać można szereg produktów ubocznych rolnictwa i przemysłu rolno-spożywczego, których wybrane właściwości przedstawiono w tabeli 2.

Tabela 2. Przydatność różnych substratów do produkcji biogazu (źródło: Institut für Energetik und Umwelt gmbh. 2005. Biogaz – produkcja i wykorzystywanie. Leipzig: Interreg)

Również w przypadku paliw płynnych możliwa jest ich produkcja z produktów ubocznych. Etanol może być produkowany z melasy lub serwatki natomiast biodiesel z tłuszczów zwierzęcych (łój wołowy, smalec wieprzowy) i tłuszczów odpadowych (olej posmażalniczy, tłuszcze zjełczałe).

dr inż. Mariusz Matyka
Zakład Systemów i Ekonomiki Produkcji Roślinnej
Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa – Państwowy Instytut Badawczy w Puławach

Wartość opałowa węgla kamiennego w zależności od jakości wynosi 14-34 MJ/kg.
Wandrasz J. W., Wandrasz A. J.: Paliwa formowalne. Wyd. „Seidel-Przywecki” Sp. z o.o., Warszawa 2006.
Energia ze źródeł odnawialnych w 2010 r. GUS Warszawa, 2011.
Institut für Energetik und Umwelt gmbh. 2005. Biogaz – produkcja i wykorzystywanie. Leipzig: Interreg