Janusz Gołaszewski – Bioenergia w rolnictwie

Janusz Gołaszewski

Centrum Badań Energii OdnawialnejUniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

ul. M. Oczapowskiego 8, 10-719 OlsztynEmail do korespondencji: [email protected]

Internet

Racjonalizacja wykorzystania biomasy rolniczej

Tezy wyjściowe wykładu przedstawionego podczas XII Konferencji „Bioenergia w rolnictwie” MTP, Poznań, 21 stycznia 2016 r.

mailto:[email protected]

Pojęcia:

• Biomasa

• Agroleśnictwo - uprawy agroleśne• SRC – Short Rotation Coppice,

• SRWC – Short Rotation Woody Crops (2-4 …)• SRF – Short Rotation Forestry (8-15 …)

• Biorafineria (zintegrowana!)

• Biogospodarka – przemysł biomasy

Internet

11581362

1524 1509

1993

2556

3082

4416

190 239 255 232 252 356 410

821

0

1000

2000

3000

4000

5000

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Odnawialne źródła energii razem

Biomasa

Moc zainstalowana, MW

Moc zainstalowana koncesjonowanych elektrowni biomasowych na tle odnawialnych źródeł energii w Polsce (Urząd Regulacji Energetyki – stan na dzień 30 września 2015)

1 008(38 elektrowni)

2014

5 962

1 033

6 518

2015

Produkcja energii elektrycznej w Polsce: 165 TWh, w tym:• biomasa i biogaz: 5.2%• e. wiatrowa: 3.1%• e. wodna: 1.5%

48.137.4

51.8

85.2

53.8

18.6 35.5 8.5

8.0

6.6

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

EU-27 DE SE PL AT

Pozostałe OZE

Inna biomasa

Surowce drzewne i

odpady drzewne

Struktura produkcji energii pierwotnej ze źródeł odnawialnych w wybranych krajach Unii Europejskiej (Źródło: Eurostat 2011 [nrg_1071a])

Internet

Struktura zużycia energii pierwotnej w UE i w Polsce (GUS, 2013)

Udział OZE w Polsce• 2004: 2.1% • 2011: 8.3% • 2015: 11.8%

Źródło: opracowanie własne na podstawie: 10 years of renewable energy progres. REN21 Report

Globalnie:Technologiczny progres zainstalowanej mocy w odnawialnych źródłach energii, 2004 – 2013

Woda Wiatr Biomasa Fotowoltaika Energia odnawialnarazem

Jaka nauka wynika z danych związanych z podwojeniem produkcji energii z OZE w ostatnim dziesięcioleciu, w tym z biomasy?

• Ostatnie 10-lecie: dobry przykład na to, jak zorientowanie polityki na problem OZE może stymulować rozwój tych źródeł

• Odkrycie (lub ponowne odkrycie) nowych procesów konwersji biomasy do energii użytecznej

• Potencjał zasobowy w odpadach (w części organicznych), które można konwertować do energii użytecznej

• Przetworzenie biomasy do energii jest tylko jednym z wielu rozwiązań w racjonalizacji wykorzystania biomasy

Naturalne otwarcie do gospodarki opartej na biomasie – biogospodarka

Interakcja sił sprawczych rozwoju biogospodarkiŹródło: opracowanie własne na podstawie Golden J. R. Handfield. „Why biobased? Opportunities in the Emergin Bioeconomy.” USDA BioPrefered

EU – wizja przemysłu biomasy do 2020

− udział procesów przetwórstwa biomasy wrośnie do 25% (2% in 2005); stopa wzrostu rynku bioproduktów – 5.3% rocznie

− wartość dodana biochemikaliów : >200 mld EUR

− tylko nowy rynek związany z chemicznym przetwórstwem biomasy szacuje się na : 40 mld EUR i90000 nowych miejsc pracy

w odniesieniu do biomasy rolniczej:− 75 mld l bioetanolu

przy konkurencyjnych kosztach,

− wartość dodana ok.15 mld EUR dodatkowych dochodów w rolnictwie

TRENDY GLOBALNE

populacja, zamożność społeczeństw, walka z głodem, zrównoważony biznes

populacja, zamożność społeczeństw, walka z głodem, zrównoważony biznes

CZYNNIKI ZEWNĘTRZNE

SYST

EMO

WE

SPR

ZĘŻE

NIE

ZW

RO

TNE

prz

esu

wan

ie ś

rod

ków

, nie

zam

ierz

on

e ko

nse

kwen

cje,

od

po

rno

ść, r

ynki

SUROWCE BIOMASOWEwodne i lądowe

ŻYWNOŚĆ

ludzie, zwierzęta, pasza

(PÓŁ)PRODUKTY

farmaceutyki, chemikalia,

enzymy

ENERGIA

paliwa, elektryczność, transport (lądowy

morski, powietrzny)

DOBRA FINALNE

plastik, odzież, samochody,

budownictwo, papier, ...

Kosz

ty ś

rod

ow

isko

we

Produkcja

Czas

obecnie w przyszłości

liniowy

zrównoważony

zrównoważony - cyrkulacyjny

Przejście bioprzemysłu od modelu liniowego do cyrkulacyjnego

Wyk

orz

ysta

nie

Dys

tryb

ucj

a

Prz

etw

órs

two

Mat

eria

ł bio

Restoracjazasobów

Ponowneprzetwórstwo, recykling

Ponownewykorzystanie

i redystrybucja

Konserwacja, naprawa

Przejście bio-przemysłu od modelu gospodarki liniowej do cyrkulacyjnej

• take-make-dispose (wykorzystaj zasób naturalny-wytwórz-wyrzuć)• 3R: reduce-reuse-recycle (redukcja-ponowne wykorzystanie-recykling)• 4R: reduce-reuse-recycle-recovery (redukcja-ponowne wykorzystanie-recykling-odtworzenie)

produktzasoby

koproduktprodukt ubocznyodpadskładnik mineralny

… im krótsza cyrkulacja, tym mniejsze oddziaływanie środowiskowe …

NP

KN

P

K

N

PK

N

P

N

P

K

N

P

K

N

PK

N

P

N

PK

N P

K

N

PK

N

P

N K

Czas

Zasoby

Produkt

Odpad

Przykład systemu liniowego: model „od kołyski do grobu” (Cradle to Grave)

Źródło: własne na podstawie Stahel (1982)

NP

KN

P

K

N

PK

N

P

N

P

K

N

P

K

Czas

Redukcja wykorzystania zasobów

Ponowne wykorzystanie:– mniejsza produkcja

– przedłużone życie produktu– wymagane są dodatkowe nakłady energii

Recykling

Zasoby

Produkt

Odpad

W kierunku zrównoważoności: model 3R

N

PK

N

P

N

P

K

N

P

K


Czas

• Dywersyfikacja produktowa• Energia z OZE

Regeneracja zasobów,Odtworzenie zasobów mineralnych

Zasoby

Produkt

Odpad

Przypadek gospodarki cyrkulacyjnej: model „od kołyski do kołyski” (Cradle to Cradle)

NP

KN

P

K

NP

KN

P

K

NP

KN

P

K

„odpad jest żywnością”


Gospodarka cyrkulacyjna

― odtwórcza/odnawiająca zasoby naturalne― w gospodarce cyrkuluje materia dwojakiego rodzaju: biologiczna i techniczna

Przesłanki wyjściowe: 1) energia: wykorzystanie OZE zamiast konwencjonalnych paliw kopalnych2) dywersyfikacja produktowa – (eko) systemy wydajne i elastyczne3) kreowanie polityki, w tym finansowej, poprzez interwencjonizm państwowy

„Cradle to Cradle” – gospodarka zapętlona procesami wytwórczymi, kompatybilność między:― środowiskiem: oszczędność zasobów, redukcja składowanych odpadów, …― gospodarką: efektywność wykorzystania zasobów, konkurencyjność, …― kwestiami społecznymi: zdrowie, większe możliwości zatrudnienia, …

Protoplasta: Walter R. Stahel

Gospodarka cyrkulacyjna

1976: … bogactwo/jakość życia powinny być oddzielone od konsumpcji zasobów

1982: … zapętlona gospodarka w oparciu o przedłużony cykl życia produktów i odnowę zasobów

2006: … sprzedaż produktów jako usług

Promotor:

2010: … fundacja Ellen MacArthur

Koncepcja gospodarki cyrkulacyjnej wynika z rolnictwa i terminu „zrównoważonego rolnictwa” (wprowadzony przez rodzinę Rodales w USA)

1. Stahel W.R., G. Reday. 1976. The Potential for Substituting Manpower for Energy. Report to the European Commision.2. Stahel W.R. 1982. The product-Life Factor. 3. Stahel W.R. 2006. The Performace Economy.4. Rodale R. 1990. Sustainability: An Opportunity for Leadership. In Sustainable Agricultural Systems, ed. by Clive A. Edwards, et al.

Ankeny IA: Soil and Water Conservation Society.Opole, 8 października 2014 r.

RAFINERIA BIORAFINERIA

Opracowanie własne na podstawie: Kamm B., Gruber P.R., Kamm M. 2010. Biorefineries – Industrial Processes and Products. Status Quo and Future Directions. Wiley-VCH Verlag GmBH & Co. KGaA.

• samodzielna instalacja (zintegrowane procesy produkcyjne i energetyczne)

• w powiązaniu z zakładem przemysłowym przetwarzającym biomasę

• rozwinięcie działalności rafinerii np. petrochemicznej (integracja procesów rafineryjnych i bioprocesów)

• koncepcja małej biorafinerii, system rozproszony

np. ropa naftowa Biomasa

• 46% benzyna • 9% paliwa lotnicze• 26% diesel, etc.• 4% ciężkie oleje paliwowe• 3% asfalt• 1% oleje smarne• 11% inne produkty ok. 6000

Rafineria a biorafineria

Wartość biomasy

Opracowanie własne na podstawie: John Kettle, Göran Roos, Nafty Vanderhoek, Ali Harlin and Bruce Allender, 2012, Is the Australian Pulp and Paper Industry still at the crossroads?, APPITA Journal, In Press - presented at the 4th Nordic Wood Biorefinery Conference Helsinki, Finland, October 23-25, 2012NNFCC: http://www.slideshare.net/AHigson/the-uk-development-of-industrial-biotechnology-and-bioenergy-in-the-context-of-the-global-bioeconomy

Skala „tera”, wartość masowa (spalanie, energia elektryczna, cieplna)

Wzro

stw

artości

Red

ukc

ja

wo

lum

enu

Skala „giga”, wartość energetyczna (biopaliwa, platformy chemiczne)

Skala mikro, wartość molekularna (platformy chemiczne, bioplastiki, biopolimery, …)

Skala nano, wartość funkcjonalna przekształconych struktur molekularnych (farmaceutyki, kosmetyki, …)

Od skali produkcji „tera” do „nano”Od wartości produkcji niskiej do wysokiej

Biomasa

Odpady, pozostałości

1 etap


2 etap


3 etapBioenergia

3 główny bioprodukt



Kaskadowe wykorzystanie biomasy

Co z tego wynika dla rozwoju zielonej energetyki?

• inteligentne obszary wiejskie są szczególnie predysponowane do rozwijania programówdługoterminowych budowania regionalnej autonomii energetycznej poprzez:• generację energii z lokalnych źródeł• rozwijanie systemu prosumenta energetycznego (rozproszenie źródeł generacji energii)• poprawę efektywności energetycznej produkcji i przetwórstwa rolniczego (biogospodarka)• autozasilanie procesów produkcyjnych energią z OZE• reelektryfikacja

• inteligentne obszary miejskie, miejsko-wiejskie – aktywacja w kierunku redukcji zużycia zasobów i produkcji odpadów z jednoczesną maksymalizacją cyrkulacji zasobów w obrębie miasta:• zaopatrzenie energetyczne miast oraz inteligentne zarządzanie energią nie powinny być

celem samym w sobie• integracja działań w zakresie gospodarki energią, odpadami i wodą

• biomasa pierwotna nie może być traktowana jako źródło energii• racjonalizacja wykorzystania – ekstrakcja produktów w relacji wartości: wartość

funkcjonalna, „węglowa”, i ostatecznie energetyczna

• biorafineria i biogazownia – kluczowe instalacje przemysłu biomasy autozasilane własnymi odpadami i energią z OZE

Prognozy

Perspektywa 2030:Zintegrowana biorafineria lignocelulozowa – wytwarzanie wielu produktów z biomasy, w tym biopaliw lignocelulozowych II generacji i docelowo zastąpienie paliw kopalnych w transporcie oraz eliminowanie wykorzystania biomasy do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej w instalacjach wielkoskalowych.

Perspektywa 2050:Budowanie wartości dodanej biorafinerii poprzez kaskadowe wytwarzanie produktów. O efektywności ekonomicznej biorafinerii w pierwszej kolejności będą stanowiły zaawansowane bioprodukty eksploatowane z biomasy, w dalszej kolejności biopaliwa i bioenergia.

Perspektywa 2080:W rafinacji produktów, energii, i paliw nastąpi integracja procesów konwersji biomasy i paliw kopalnych.

Internet

Podsumowanie

1. Komplementarność produkcji biomasy z różnych źródeł (rolnictwo, leśnictwo, odpady organicznej)

2. Minimalizacja zużycia biomasy w energetyce wielkoskalowej

3. Implementacja biorafinerii w gospodarce kraju na wzór prosumenta – instalacje małoskalowe,

system rozproszony

4. Pozytywne oddziaływanie środowiskowe

5. Potencjał energetyczny i środowiskowy (fitoremediacyjny) zagospodarowania odpadów

6. Integracja procesów konwersji biomasy do bioproduktów – wymiar środowiskowy

7. Potrzeba stabilnej i konsekwentnej polityki sprzyjającej rozwojowi nowych metod przetwórstwa

biomasy z autozasilaniem procesów wytwórczych energią z OZE

8. Badania: bioprodukty – biogospodarka – bioekonomia (nowa nauka)

9. Efektywna gospodarka zasobami kopalnymi i odnawialnymi biomasy

Internet

„więcej z mniej”„Przyszłość należy do tych, którzy rozumieją, że wytwarzanie „więcej z mniej” jest poznawcze, perspektywiczne i trwałe, a przez to bardziej inteligentne a nawet konkurencyjne.”Źródło: Paul Hawken

Efemeralizacja„… wytwarzanie więcej i coraz więcej z mniej i coraz mniej dopóki ostatecznie będzie można wytwarzać wszystko z „niczego” … – siła sprawcza zaawansowania technologicznegoŹródło: Richard Buckminster Fuller

Wybrane aktywności Centrum Badań Energii Odnawialnej (CBEO) UWM w Olsztynie

• prosument (termin wprowadzony w Polsce w znaczeniu prosumenta energetycznego w projekcie CBEO z 2007 r.)

• kogeneracja rozproszona (termin rozpowszechniony w kraju poprzez projekt kluczowy POIG: 2009-2014)

• Bałtycki Klaster EkoEenergetyczny (BKEE) – integracja środowiska naukowego, samorządowego i gospodarczego

związanego z ekoenergetyką w regionie północno-wschodniej Polski (funkcjonuje od 2007 r.)

• wprowadzenie do Wikipedii terminologii związanej z efektywnością energetyczną w rolnictwie plus raporty (projekt AgrEE: PL, DE, NL, EL, PT, FI, DK)

• zbudowanie pierwszej w Polsce linii technologicznej do wytwarzania etanolu z drewna(program strategiczny NCBiR) oraz zainicjowanie pierwszych prac badawczych związanych z rozwojem koncepcji biorafinerii (aktualnie biorafineria cukrowa)

• oddziaływanie na politykę w kraju i UE związaną z OZE oraz przetwórstwem biomasy do energii i innych produktów• zespół ds. odnawialnych źródeł energii na obszarach wiejskich (MRiRW) – zakończono • zespół ds. gospodarki niskoemisyjnej (MG) – aktualnie • zespół ds. gospodarki niskoemisyjnej na obszarach wiejskich (MRiRW) – aktualnie • zespół ds. rozwoju alternatywnych źródeł energii przy Prezesie PAN – aktualnie• grupa robocza UE: CWG SCAR „Agriculture and Energy” – zakończono• grupa robocza UE: CWG SCAR „Integrated Biorefinery” – aktualnie • grupa robocza UE: EURO-Case „Bio-economy” - aktualnie

Projekt kluczowy nr POIG.01.01.02-00-016/08 "Modelowe kompleksy agroenergetyczne jako przykład kogeneracji rozproszonej opartej na lokalnych i odnawialnych źródłach energii"

Lider konsorcjum: IMP PAN

CBEO – koordynacja komponentu „bio”

CENTRUM BADAŃ ENERGII ODNAWIALNEJUNIWERSYTETU WARMIŃSKO-MAZURSKIEGO W OLSZTYNIE

10-719 Olsztyn, ul. M. Oczapowskiego 8, Tel. (089) 523 43 97 e-mail: [email protected]

projekt został nagrodzony 14 maja 2015 r. prestiżową światową nagrodą w zakresie

zrównoważonej energetyki


CENTRUM BADAŃ ENERGII ODNAWIALNEJUNIWERSYTET WARMIŃSKO-MAZURSKI W OLSZTYNIE

10-719 Olsztyn, ul. M. Oczapowskiego 8, tel. (089) 523 43 97 e-mail: [email protected]

31 36 42

72

101 107120

174

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

2007(Agreement)

2007 2008 2009 2010 2011 2013 2015 (stan na15-09-2015)

Liczba partnerów

77%

7%9% 7%

Struktura podmiotów

FIRMY

B+R

SAMORZĄD

IOB

• kujawsko-pomorskie• łódzkie• małopolskie• mazowieckie• pomorskie• warmińsko-mazurskie• wielkopolskie• zachodniopomorskie

Reprezentowane województwa(W-M: 18 jednostek, 6 firm)




„Energy Efficiency in Agriculture”

(co/poly)generacja energii

destylacja, rektyfikacja

CO2

CO2

CO2

CO2

UWM • linia technologiczna wytwarzania etanolu z

drewna (zrębki wierzby, topoli, robinii) zlokalizowana w stacji dydaktyczno-doświadczalnej UWM w Bałdach

nawozypoprawiacze gleb

elektrycznośćciepło

Biorafineryjna platforma lignocelulozowa– konwersja biomasy do wielu produktów– zamknięta pętla cyrkulacji materii i energii

fermentacjaanaerobowa

biopaliwabiochemikaliabiomateriały

fermentacja alkoholowa

hydroliza

pretreatment

surowieclignocelulozowy

PROGRAM STRATEGICZNY – ZAAWANSOWANE TECHNOLOGIE POZYSKIWANIA ENERGII

ZADANIE NR 4 – „Opracowanie zintegrowanych technologii wytwarzania paliw i energii z biomasy, odpadów rolniczych i innych”



Source: Hans van Klink, project meeting, Olsztyn, January, 2015

ChemBeet: Biofuels and green chemicals from sugar beet through direct processing (Procesy biorafineryjne wytwarzania biopaliw i biochemikaliów z buraka cukrowego. )

Biorafineria cukrowa

Surowiec: całe rośliny buraka cukrowegoObróbka wstępna: Betaprocess

Source: Hans van Klink, project meeting, Olsztyn, January, 2015

Wytwórnia etanolu (NL) Betaprocess (NL) Hodowla glonów (PL)

Pilotażowe instalacje badawcze w skali technicznej

Biorafineria cukrowa

Surowiec: całe rośliny buraka cukrowegoObróbka wstępna: Betaprocess

ChemBeet: Biofuels and green chemicals from sugar beet through direct processing (Procesy biorafineryjne wytwarzania biopaliw i biochemikaliów z buraka cukrowego. )

Literatura – wybrane pozycje

Clark JH, Deswarte FEI. 2008. Introduction to Chemicals from Biomass. pp. 1-184. Wiley Series in Renewable Resources. Das H, Singh SK. 2004. Useful byproducts from cellulosic wastes of agriculture and food industry – a critical appraisal. Crit. Rev. Food Sci.

Nutr., 44(2): 77-89.Gołaszewski J. 2009. Renewables and Environmental Implications. Environmental Biotechnology 5(1): 11-24.Gołaszewski J, Żelazna K, Karwowska A, Olba-Zięty E. 2012. Conceptual framework of bioethanol production from lignocellulose for

agricultural profitability. Environmental Biotechnology, 8(1): 7-14.Hardcastle PD, Calder I, Dingwall l, Garrett W, McChesney I, Mathews J, Savill P. 2006. A review of the impacts of short rotation forestry. Final

Report on SRF by LTS International. Heller MC, Keoleiana GA, Mannb MK, Volk TA. 2004. Life cycle energy and environmental benefits of generating electricity from willow

biomass. Renewable Energy, 29: 1023-1042.Heller MC, Keoleiana GA, Volk TA. 2003. Life cycle assessment of a willow bioenergy cropping system. Biomass and Bioenergy, 25: 147-165.Jadczyszyn J., Faber A., Zalewski A. 2008. Wyznaczanie obszarów potencjalnie przydatnych do uprawy wierzby i ślazowca pensylwańskiego

na cele energetyczne w Polsce. Studia i Raporty IUNG-PIB, 11: 55-65.Lambert MS, Timpledon MT, Marseken SF. 2010. Short Rotation Forestry. VDM Publishing.Macqueen D, Korhaliller S. 2011. Bundles of energy. The case for renewable biomass energy. IIED, Natural Resource Issues No. 24.McKay H. (ed.) (2011) Short Rotation Forestry: review of growth and environmental impacts. Forest Research Monograph, 2, Forest

Research, Surrey, 212pp.Stolarski MJ. 2009. Agrotechniczne i ekonomiczne aspekty produkcji biomasy wierzby krzewiastej (Salix spp.) jako surowca energetycznego.

Rozprawy i Monografie, UWM Olsztyn, 148: 1-145.Stolarski, M.J., Krzyżaniak M., Łuczyński M., Załuski D., Szczukowski S., Tworkowski J., Gołaszewski J. 2015. Lignocellulosic biomass from

short rotation woody crops as a feedstock for second-generation bioethanol production. Ind. Crops Prod. (2015), http://dx.doi.org/10.1016/j.indcrop.2015.04.025

http://dx.doi.org/10.1016/j.indcrop.2015.04.025

Janusz Gołaszewski – Bioenergia w rolnictwie

Documents

Transcript of Janusz Gołaszewski – Bioenergia w rolnictwie