UPRAWA WIERZBY ORAZ INNYCH WIELOLETNICH ROŚLIN ENERGETYCZNYCH

W POLSCE – DOŚWIADCZENIA UNIWERSYTETU WARMIŃSKO-

MAZURSKIEGO

Mariusz J. Stolarski

Katedra Hodowli Roślin i Nasiennictwa, Wydział Kształtowania Środowiska

i Rolnictwa, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

Wprowadzenie

Wybrane wieloletnie rośliny energetyczne w badaniach UWM prowadzone w systemie SRWC i Eko-Salix

Produkcyjność gatunków i jakość biomasy

Łańcuch logistyczny oraz technologie zbioru testowane w doświadczeniach UWM

Efektywność energetyczna produkcji

Podsumowanie

PLAN PREZENTACJI

Eksperymenty polowe UWM z SRWC i Eko-Salix Bałdy, Łężany, Obory, Tomaszkowo

Łężany

Bałdy

Obory

Badania prowadzone od 1992 roku inicjatorzy badań: prof. dr hab. Stefan Szczukowski prof. dr hab. Józef Tworkowski

Tomaszkowo

UWM

Decyzja Dyrektora Centralnego Ośrodka Badania Odmian Roślin Uprawnych w sprawie przyznania hodowcy wyłącznego prawa do odmiany:

1. nazwa hodowlana „UWM 063”, nazwa ostateczna „Sprint”. Odmiana wpisana do Księgi Ochrony Wyłącznego Prawa, nr O 2147, z dnia: 05.02.2007 (Szczukowski S., Tworkowski J., Przyborowski J.A., Stolarski M.)

2. nazwa hodowlana „UWM 067”, nazwa ostateczna „Start”. KOWP, nr O 2148, z dnia: 05.02.2007 (Szczukowski S., Tworkowski J., Przyborowski J.A., Stolarski M.)

3. nazwa hodowlana „UWM 146”, nazwa ostateczna „Turbo”. KOWP, nr O 2149, z dnia: 05.02.2007 (Szczukowski S., Tworkowski J., Przyborowski J.A., Stolarski M.)

4. nazwa hodowlana „UWM 099”, nazwa ostateczna „Monotur”. KOWP, nr O 2210, z dnia: 26.01.2009 (Szczukowski S., Tworkowski J., Przyborowski J.A., Stolarski M.)

5. nazwa hodowlana „UWM 144”, nazwa ostateczna „Kortur”. KOWP, nr O 2213, z dnia: 26.01.2009 (Szczukowski S., Tworkowski J., Przyborowski J.A., Stolarski M.)

6. nazwa hodowlana „UWM 145”, nazwa ostateczna „Oltur”. KOWP, nr O 2214, z dnia: 26.01.2009 (Szczukowski S., Tworkowski J., Przyborowski J.A., Stolarski M.)

7. nazwa hodowlana „UWM 196”, nazwa ostateczna „Tur”. KOWP, nr O 2215, z dnia: 26.01.2009 (Szczukowski S., Tworkowski J., Przyborowski J.A., Stolarski M.)

8. Tymczasowe wyłączne prawo do odmiany UWM 006 (TO 1843) z dnia: 05.04.2013 (Szczukowski S., Tworkowski J., Stolarski M.J., Sulima P., Przyborowski J., Krzyżaniak M.)

9. Tymczasowe wyłączne prawo do odmiany UWM 043 (TO 1844) z dnia: 05.04.2013 (Szczukowski S., Tworkowski J., Stolarski M.J., Sulima P., Przyborowski J., Krzyżaniak M.)

1. Patent P Nr 213441. Sposób zakładania plantacji wierzby, Urząd Patentowy

Rzeczypospolitej Polskiej, Warszawa 18.03.2013 r., Patent trwa od: 17.06.2008 (UWM w Olsztynie, Szczukowski S., Tworkowski J., Stolarski M.)

ODMIANY WIERZBY HODOWLI UWM W OLSZTYNIE

Salix

Populus

Robinia pseudoacacia Sida hermaphrodita Helianthus tuberosus Silphium perfoliatum Helianthus salicifolius Miscanthus x giganteus Miscanthus sinnensis Miscanthus sacchariflorus Spartina pectinata

Wybrane wieloletnie rośliny energetyczne w badaniach UWM prowadzone w systemie

SRWC i Eko-Salix

SRWC (a) i Eko-Salix (b)

Badania cech termo-fizycznych i chemicznych biomasy

BAZA SUROWCA

Składowanie,

przetwórstwo,

magazynowanie (baloty,

bele, zrębki, pelet, brykiet)

Efektywność

technologii

uprawy i zbioru

LCA,

Obieg GHG

Hodowla

nowych

odmian

Obieg wody Uwarunkowania

społeczno-

ekonomiczne

Bioróżnorodność (fito

i entomofauna)

PLANTACJA

BL - Biomasa

lignocelulozowa (Robinia akacjowa,

Wierzba, Topola)

transport ZAKŁAD

KONWERSJI transport

Schemat badań w zakresie produkcji biomasy lignocelulozowej i jej logistyki do zakładu konwersji [Stolarski 2010]

Produkcyjność gatunków i jakość biomasy

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0

Miscanthus x giganteus

Miscanthus sacchariflorus

Miscanthus sinensis

Spartina pectinata

Sida hermaphrodita

Helianthus tuberosus

Silphium perfoliatum

Reynoutria japonica

Reynoutria sachalinensis

Salix viminalis

Salix dasyclados

Rosa multiflora

Mean

t/ha/year

d.m.

Species

Produkcyjność wybranych gatunków w badaniach UWM

[Tworkowski i in. 2010]

Zmiany wilgotności średnio dla rodzaju biomasy w różnych terminach zbioru [Stolarski et al. 2010]

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

XI XII I II III IV

%

month

wood semi-wood straw

Zmiany zawartości popiołu średnio dla rodzaju biomasy w różnych terminach zbioru [Stolarski et al. 2010]

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

XI XII I II III IV

% d.m.

month

wood semi-wood straw

Zmiany wartości opałowej średnio dla rodzaju biomasy w różnych terminach zbioru [Stolarski et al. 2010]

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

XI XII I II III IV

MJ kg-1

month

wood semi-wood straw

Czynnik I – trzy gatunki roślin

Willow (Salix viminalis), clone UWM 006,

Poplar (Populus nigra x P. Maximowiczii Henry cv. Max-5),

Black locust (Robinia pseudoacacia).

Dwuczynnikowe doświadczenie [Stolarski et al. 2014c]

Czynnik II – Spopsób wzbogacenia gleby

Lignina (L) -13.3 Mg ha-1,

Nawożenie minerale (F) - N:P:K = 90:13:50 kg ha-1,

Mikoryza (M),

Lignina + Nawożenie minerale (L + F),

Mikoryza + Nawożenie minerale (M + F),

Lignina + Mikoryza (L + M),

Lignina + Mikoryza + Nawożenie minerale (L + M + F),

Kontrola bez wzbogacania (C).

Plon suchej biomasy po trzecim roku wegetacji [Stolarski et al. 2014c]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 Mg ha-1 year-1

Wartość energetyczna plonu po trzecim roku wegetacji [Stolarski et al. 2014c]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200 GJ ha-1 year-1

Właściwości termofizyczne biomasy robinii akacjowej, topoli i wierzby

po dwóch latach wegetacji [Stolarski et al. 2013]

Gatunek

Sposób

wzbogacenia

gleby

Wilgotność (%) Zawartość

popiołu (% s.m.)

Ciepło spalania

(MJ kg-1 s.m.)

Wartość opałowa

(MJ kg-1)

Robinia

akacjowa

C 47.77±0.28 d 1.68±0.04 d 19.40±0.03 e 8.97±0.08 ab

L 46.38±0.08 e 2.16±0.01 b 19.53±0.04 d 9.34±0.04 a

F 48.08±0.02 d 2.67±0.15 a 19.85±0.00 bc 9.14±0.00 a

M 46.65±0.41 e 1.82±0.01 d 19.42±0.03 e 9.22±0.11 a

Średnio 47.22±0.61 c 2.08±0.31 a 19.55±0.15 c 9.17±0.12 a

Topola

C 53.33±0.37 a 1.88±0.07 cd 19.93±0.01 b 8.00±0.08 cd

L 53.64±0.51 a 1.96±0.04 c 19.88±0.01 b 7.91±0.12 d

F 54.48±1.27 a 2.22±0.02 b 20.05±0.03 a 7.80±0.30 d

M 53.09±0.24 a 2.00±0.01 c 20.06±0.00 a 8.11±0.05 cd

Średnio 53.64±0.66 a 2.01±0.10 b 19.98±0.06 a 7.95±0.15 c

Wierzba

C 50.17±1.32 c 1.29±0.04 f 19.89±0.05 b 8.69±0.27 b

L 51.67±0.65 b 1.52±0.03 e 19.82±0.02 c 8.32±0.16 c

F 50.57±0.01 c 1.33±0.09 f 19.58±0.03 d 8.45±0.01 bc

M 51.96±0.39 b 1.49±0.05 e 19.92±0.05 b 8.30±0.11 c

Średnio 51.09±0.77 b 1.41±0.09 c 19.80±0.11 b 8.44±0.16 b

Skład elementarny biomasy robinii akacjowej, topoli i wierzby po dwóch

latach wegetacji (% s.m.) [Stolarski et al. 2013]

Gatunek

Sposób

wzbogacenia

gleby

C H S N Cl

Robinia

akacjowa

C 51.66±0.13 c 6.28±0.02 a 0.059±0.000 b 1.16±0.01 c 0.019±0.001 b

L 49.80±0.00 e 6.14±0.03 b 0.058±0.002 b 1.21±0.01 b 0.016±0.001 d

F 50.76±0.14 d 6.13±0.03 b 0.073±0.002 a 1.70±0.05 a 0.024±0.001 a

M 51.03±0.27 d 6.24±0.00 b 0.057±0.001 b 1.14±0.00 c 0.017±0.001 c

Średnio 50.81±0.55 c 6.20±0.05 a 0.061±0.005 a 1.30±0.18 a 0.019±0.003 a

Topola

C 53.14±0.09 a 6.30±0.09 a 0.028±0.001 c 0.55±0.01 e 0.005±0.001 f

L 52.52±0.07 b 6.15±0.06 b 0.032±0.001 b 0.57±0.00 e 0.003±0.000 g

F 52.56±0.31 b 6.15±0.01 b 0.035±0.001 ab 0.65±0.01 d 0.005±0.001 f

M 52.39±0.07 b 6.17±0.01 a 0.032±0.002 b 0.51±0.01 f 0.008±0.001 e

Średnio 52.65±0.26 a 6.19±0.06 a 0.032±0.002 b 0.57±0.04 b 0.005±0.001 c

Wierzba

C 50.73±0.19 d 6.02±0.10 c 0.031±0.004 bc 0.45±0.02 g 0.008±0.001 e

L 50.77±0.06 d 6.15±0.01 b 0.029±0.001 c 0.56±0.01 e 0.004±0.001 g

F 51.58±0.22 c 6.17±0.04 b 0.037±0.003 ab 0.42±0.00 g 0.008±0.001 e

M 51.04±0.14 d 6.08±0.02 bc 0.034±0.001 b 0.48±0.01 f 0.005±0.001 f

Średnio 51.03±0.29 b 6.11±0.06 b 0.032±0.003 b 0.48±0.04 c 0.006±0.001 b

Łańcuch logistyczny oraz technologie zbioru dendromasy testowane w doświadczeniach

UWM

Zakład przetwórstwa biomasy

Przepływ biomasy i

energii Przepływ środków

finansowych

Producent biomasy

Zakład konwersji

Użytkownicy energii i bioproduktów

Łańcuch obiegu biomasy, energii i środków finansowych [Stolarski 2012]

Efektywność energetyczna produkcji dendromasy

Specyfikacja/Odmiana Start Tur Turbo UWM

006

UWM

035

UWM

043

UWM

155

Nakłady (GJ/ha) 19.4 14.4 19.7 30.4 16.6 26.4 13.7

Plon energii (GJ/ha) 344.6 191.6 341.5 727.4 259.7 585.4 138.8

Zysk energii (GJ/ha) 325.2 177.2 321.8 697.0 243.0 559.0 125.2

Wybrane wskaźniki energetyczne uprawy siedmiu klonów i odmian wierzby w trzyletnim cyklu zbioru, do bramy

gospodarstwa [Stolarski i in. 2014b]

0

5

10

15

20

25

Start Tur Turbo UWM 006

UWM 035

UWM 043

UWM 155

Wskaźnik ef. energetycznej

Specyfikacja

Odległość

(km) Start Tur Turbo UWM

006

UWM

035

UWM

043

UWM

155

Wskaźnik

EE

25 17.0 12.8 16.5 22.5 15.0 20.9 9.9

50 16.2 12.4 15.8 21.2 14.4 19.7 9.6

100 14.9 11.6 14.5 18.9 13.3 17.8 9.1

200 12.8 10.3 12.5 15.7 11.6 14.9 8.3

Wskaźnik efektywności energetycznej uprawy odmian i klonów wierzby w zależności od odległości transportowej do zakładu

konwersji [Stolarski in. 2014b]

Efektywność energetyczna produkcji zrębków wierzby, w systemie

Eko-Salix w rotacji pięcioletniej loco plantacja (Tworkowski i in. 2011)

Wyszczególnienie

Obiekt

Leginy Kocibórz

Gęstość sadzenia (tys. szt./ha)

5,2 7,4 5,2 7,4

Nakłady energii (GJ/ha) 43,8 55,7 55,2 69,6

Wartość energetyczna plonu (GJ/ha) 404,8 521,6 640,2 812,8

Zysk energii skumulowanej (GJ/ha) 361,0 465,9 585,1 743,2

Wskaźnik energochłonność jednostkowej

(MJ/t) 866,6 854,5 689,6 685,2

Wskaźnik efektywności energetycznej

produkcji zrębków 9,2 9,4 11,6 11,7

PODSUMOWANIE

• Uprawa roślin w systemach SRWC i Eko-Salix umożliwia pozyskanie znaczących ilości biomasy ale należy pamiętać o prawidłowym doborze gatunku, odmiany i prowadzeniu plantacji.

• Jedno i dwuetapowe technologie zbioru biomasy dają szerokie możliwości jej pozyskania i dostaw do zakładów konwersji przez cały rok.

• Zysk energii może od kilku do ponad 20 razy przekraczać nakłady potrzebne na prowadzenie plantacji i zbiór biomasy w zależności od technologii produkcji i odległości transportowej.

Literatura

Krzyżaniak M. Stolarski M.J., Waliszewska B., Tworkowski J., Szczukowski S., Załuski D., Śnieg M. 2014. Willow

biomass as feedstock for an integrated multi-product biorefinery. Industrial Crops and Products, 58: 230-237.

Stolarski M.J., Krzyżaniak M., Śnieg M., Słomińska E., Piórkowski M., Filipkowski R. 2014. Thermophysical and

chemical properties of perennial energy crops depending on harvest period. International Agrophysic, 28: 201-211.

Stolarski M.J., Krzyżaniak M., Szczukowski S., Tworkowski J., Załuski D., Bieniek A., Gołaszewski J. 2014. Effect

of Increased Soil Fertility on the Yield and Energy Value of Short-Rotation Woody Crops. BioEnergy Research,

DOI 10.1007/s12155-014-9567-9

Stolarski M.J., Krzyżaniak M. Tworkowski J., Szczukowski S., Gołaszewski J. 2014b. Energy intensity and energy

ratio in producing willow chips as feedstock for an integrated biorefinery. Biosystems Engineering, 123: 19-28.

Stolarski M.J., Krzyżaniak M., Szczukowski S., Tworkowski J. 2014a. Efektywność energetyczna produkcji

biomasy wierzby w jednorocznym i trzyletnim cyklu zbioru. Fragm. Agron., 31(2): 88-95.

Stolarski, M. J., Szczukowski, S., Tworkowski, J., Wróblewska, H., Krzyżaniak, M. 2011. Short rotation willow

coppice biomass as an industrial and energy feedstock. Industrial Crops and Products, (33): 217-223.

Stolarski M.J., Krzyżaniak M., Szczukowski S., Tworkowski J., Bieniek A. 2014 c. Short rotation woody crops

grown on marginal soil for biomass energy. Pol. J. Environ. Stud., 23(5): 1727-1739.

Tworkowski J., Stolarski M., Szczukowski S., 2011. Efektywność energetyczna produkcji biomasy wierzby

systemem Eko-Salix. Fragmenta Agronomica, 28(4): 123-130

Stolarski M.J., Krzyżaniak M., Waliszewska B., Szczukowski S., Tworkowski J., Zborowska M. 2013.

Lignocellulosic biomass derived from agricultural land as industrial and energy feedstock. Drewno. Pr. Nauk.

Donies. Komunik, 56(189): 5-23

Stolarski M., Szczukowski S., Tworkowski J., Nosarzewska A. 2010. Ocena przydatności do celów energetycznych

biomasy wybranych gatunków roślin wieloletnich. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, 547: 327-338.

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

Prof. dr hab. inż. Mariusz J. Stolarski e-mail: mariusz.stolarski@uwm.edu.pl www.uwm.edu.pl/khrin

Phot. M. Stolarski