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) Wyszczególnienie Polska Niemcy UE – 27 Biomasa stała 85,3 37,4 48,1 Promieniowanie sł. 0,1 7,1 3,7 E. wodna 2,7 4,7 16,3 E. wiatrowa 13,4 9,5 Biogaz 1,8 16,1 6,3 Biopaliwa ciekłe 5,8 11,7 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

Biogazownie – korzyści dla rolnictwa Wzrost zapotrzebowania na surowce rolnicze – substraty do produkcji biogazu, co warunkuje zróżnicowanie źródeł dochodów dla rolnictwa. Wzrost zapotrzebowania na pracę - prace polowe, zbiór, transport ziemiopłodów, obsługa biogazowni. Zagospodarowanie produktów ubocznych i odpadów z produkcji rolnej i przemysłu rolno-spożywczego. Pozyskanie wartościowego i taniego nawozu w postaci pofermentu. Pozyskanie czystej i taniej energii cieplnej – o ile jest możliwość jej racjonalnego wykorzystania. 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 Odpady 7 % Kiszonki 49 % Nawozy naturalne 43 % 77 % 14 % 8 % Masa substratów Wartość energetyczna substratów (sucha masa organiczna) oooo

Użytki rolne wykorzystywane w Niemczech pod produkcję na cele energetyczne

Efektywność biogazu i biopaliw płynnych

Wartość nawozowa osadu pofermentacyjnego z biogazowni Wyszcz. Gnojowica bydlęca Substrat Gnoj. bydlęca + s. rośliny Gnoj. trzody Surowse roślinne Sucha masa (%) 9,1 7,3 5,6 7,0 pH 8,3 Stosunek C/N 10,8 6,8 5,1 6,4 N ogólny kg/ tonę 4,1 4,6 4,7 N - NH4 kg/ tonę 1,8 2,6 3,1 2,7 P2O5 kg/ tonę 1,9 2,5 3,5 K2O kg/ tonę 5,3 4,2 5,0 Materia organiczna kg/tonę 74 53 41 51

Wartość składników nawozowych zawartych w pofermencie Zawartość kg/tonę pofermentu Cena zł/ kg składnika Wartość składników nawozowych zł/ t pofermentu N 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

Waloryzacja rolniczej przestrzeni produkcyjnej w woj Waloryzacja rolniczej przestrzeni produkcyjnej w woj. lubelskim wg IUNG-PIB Polska – 66,6

Rolnictwo woj. lubelskiego na tle kraju Lp. Wyszczególnienie Woj. lubelskie Polska (100%) 1. Powierzchnia UR w tys. ha 1.376 9,5% 2. Liczba gospodarstw (pow. 1 ha) w tys. 173 12,4% 3. Średnia powierzchnia gospodarstwa w ha 7,7 10,2 4.. Struktura bszarowa ( %) gospodarstw 0 - 1 ha 2,7 2,4 1 - 5 ha 50,8 51,3 5 - 20 ha 40,5 36,9 20 - 50 ha 5,0 7,2 powyżej 50 ha 1,0 2,2 5. Pracujący w rolnictwie [osób/100 ha UR] 22,4 16,3 6. Ludność mieszkująca na obszarach wiejskich w % 53,3 38,6

Struktura zasiewów (śr. 2011-2013) Wyszczególnienie Województwo lubelskie Polska Udział w strukturze zasiewów [%] Zboża ogółem 78,0 73,5 - w tym pszenica i jęczmień 38,7 30,3 Rośliny oleiste 5,1 8,1 Ziemniak 3,2 3,6 Burak cukrowy 3,1 1,9 Rośliny pastewne 4,8 8,6 Źródło: opracowanie własne na podstawie danych GUS

Globalna produkcja roślinna w jedn. zboż./ha (2010-2012) j. zb. • ha-1 UR < 35,0 35,0 – 40,0 40,1 – 45,0 45,1 – 50,0 > 50,0 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

Obsada zwierząt w DJP·100/ ha UR (2011-2013) Rolnictwo woj. lubelskiego na tle Polski Obsada zwierząt w DJP·100/ ha UR (2011-2013) DJP • 100 ha-1 UR < 30,0 30,0 – 40,0 40,1 – 50,0 50,1 – 60,0 > 60,0 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%) 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 Sztuk w gosp. 1-9 10-19 20 - 29 30 - 49 50 - 99 >100 Polska 20 16 15 21 17 12 5,9 Czechy 0,4 0,5 1 2 95 123 Austria 3,3 11 29 32 10 Dania 0,1 0,3 97 134 Francja 0,2 4 23 71 45 Holandia 83 75 Niemcy 6 46 UE – 27 8 7 61 14 Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych EUROSTATU

Koncentracja chowu trzody chlewnej w 2010 Kraj Trzoda (%) w stadach Sztuk w gosp. 1-9 10-49 50-99 100 - 399 400 – 999 >1000 Polska 4 21 14 25 11 16,6 Czechy 0,3 1 6 88 120 Austria 2 3 30 49 Dania 0,1 95 506 Francja 0,2 5 17 77 45 Holandia 9 243 Niemcy 0,8 64 128 UE – 27 3,3 7 70 22,6 Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych EUROSTATU

Gospodarstwa rolne wg skali chowu bydła w woj. lubelskim (2010) Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych GUS

Gospodarstwa rolne wg skali chowu trzody chlewnej w woj Gospodarstwa rolne wg skali chowu trzody chlewnej w woj. lubelskim (2010) Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych GUS

Wydajność produkcji biogazu z wybranych substratów Źródło: Biogaz Zeneris

ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE BIOGAZOWNI - moc generatora 1000 kW en ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE BIOGAZOWNI - moc generatora 1000 kW en. elektrycznej Zapotrzebowanie substratów: Roczne Dzienne - gnojowica bydlęca (20 t /rok/szt. SD = 250 – 300 szt.) 5000 t 13,7 - obornik bydlęcy (10 t /rok/szt. SD = 500 szt. ) - kiszonka z traw (30 – 40 t/ha/rok = 80 – 100 ha) 3000 t 8,2 - kiszonka z kukurydzy (40 -50 t/ha = 160 – 200 ha 8000 t 21,9 RAZEM 21000 57,5 Osad pofermentacyjny 80 – 85% wprowadzonych substratów 17000 46,3

ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE BIOGAZOWNI (moc gen. 150 kW el) Zapotrzebowanie substratów: Roczne Dzienne - gnojowica bydlęca (ok. 40 SD) 750 t 2,1 - obornik bydlęcy (ok. 75 SD) - kiszonka z traw (11 – 15 ha) 450 t 1,2 - kiszonka z kukurydzy (24 – 30 ha) 1200 t 3,3 RAZEM 3150 8,6 Osad pofermentacyjny 2550 7,0

Cechy roślin przydatnych do produkcji biogazu Wysoka wydajność. Łatwa konserwacja biomasy. Łatwa mechanizacja całej technologii produkcji. Odpowiednia gęstość usypowa. Małe zagrożenie przez agrofagi. Dobre wykorzystanie nawozów. Małe wymagania płodozmianowe.

Rośliny najczęściej używane do produkcji biogazu Kukurydza. GPS ze zbóż ozimych (żyto, pszenżyto, pszenica). Słonecznik, sorgo. Burak c. i pastewny. Międzyplony (ozime i ścierniskowe). Trawy z gruntów ornych i użytków zielonych.

Wydajność metanu m3/ha i koszty jednostkowe

Skoszone i niezbierane 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 III pokos _ 114,9

Wpływ intensywności użytkowania na produkcję metanu z runi użytków zielonych (Amon i in., 2005) m3 · ha-1

Kukurydza mieszańce dostosowane do różnych siedlisk; 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. STIUTE OF SOIL SCIENCE AND PLANT CULTIVATION – NATIONAL RESEARCH INSTITUTE

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 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. 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. Funkcje i zadania uprawy roli ulegają zmianie wraz z wprowadzaniem do rolnictwa nowych środków produkcji. W przeszłości - redukcja zachwaszczenia i udostępnianie składników nawozowych. Obecnie ograniczanie erozji, spowolnienie mineralizacji próchnicy, ograniczenie strat wody itp. Obecnie powinna obowiązywać zasada: „Zabiegów uprawowych powinno się stosować tak dużo jak to jest konieczne, aby stworzyć uprawianej roślinie korzystne warunki wzrostu i rozwoju, a zarazem tak mało jak to jest możliwe”.

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.