Pelety z biomasy wierzby i ślazowca
– wyniki podjętych prób produkcji
Biomasa przeznaczona do celów energetycznych pochodzi głównie z odpadów leśnych, przemysłu drzewnego, tartaków oraz pielęgnacji zieleni miejskiej. Coraz więcej uwagi poświęca się jednak polowym uprawom roślin energetycznych, które w przyszłości mają potencjalnie uzupełniać braki biomasy odpadowej, a docelowo stanowić jej główne źródło.
Biomasa jako paliwo odnawialne – w porównaniu do kopalin np. węgla kamiennego czy oleju opałowego – pod względem właściwości fizykochemicznych jest mniej atrakcyjna. Związane jest to m.in. ze zbyt małą gęstością biomasy, co utrudnia transport, magazynowanie oraz dozowanie do kotłów. Ponadto szeroki przedział jej wilgotności (od kilku do nawet 60%) oraz niska wartość opałowa na jednostkę objętości powodują utrudnienia w dystrybucji biomasy w postaci pierwotnej.
W związku z powyższym coraz więcej uwagi poświęca się zagadnieniom ujednolicania i uszlachetniania biomasy stałej poprzez proces peletyzacji. Dzięki kompaktowaniu biomasy zwiększa się jej gęstość, zmniejsza zawartość wody oraz podnosi koncentracja energii w jednostce objętości tego biopaliwa.
Jak już wspomniano, obecnie do produkcji pelet używa się głównie surowców odpadowych w postaci trocin z przemysłu drzewnego. W przyszłości jednak możliwe będzie uzupełnienie podaży biomasy do produkcji pelet z surowców roślinnych, pozyskiwanych z polowych plantacji roślin energetycznych: przede wszystkim wierzby (Salix spp.) i ślazowca (Sida hermaphrodita R.).
Przeprowadzone badania
W doświadczeniach polowych, zlokalizowanych w Stacji Dydaktyczno-Doświadczalnej Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie, badano produktywność wierzby z gatunku Salix viminalis w czteroletnim cyklu zbioru oraz ślazowca pensylwańskiego w jednorocznym cyklu zbioru.
Pędy wierzbowe zebrano w okresie zimowym i określono plon biomasy z jednostki powierzchni. Następnie pędy ułożono w stertę w celu dosuszenia. Jednoroczne pędy ślazowca skoszono w grudniu, określono plon i wilgotność pozyskanej biomasy. Pozyskana z doświadczeń polowych biomasa wierzby i ślazowca została rozdrobniona na zrębki i przetransportowana do zakładu Max-Parkiet w Żurominie. Następnie surowiec ten został dosuszony w suszarni bębnowej. Kolejnym etapem było mielenie wysuszonych zrębków obu gatunków. Rozdrobniony surowiec poddano procesowi peletyzacji na urządzeniu o wydajności jednej tony pelet na godzinę.
Uzyskany produkt poddano analizom laboratoryjnym. Ponadto przeprowadzono analizę ekonomiczną produkcji pelet z drewna Salix spp. oraz biomasy Sida hermaphrodita R. w oparciu o dane uzyskane z zakładu peletyzacji oraz założenia własne. Założono, że surowiec w postaci zrębków zostanie zakupiony przez zakład peletyzacji w cenie 10 zł/GJ. Koszty transportu na odległość 50 km poniesie kupujący. Produkcja pelet prowadzona była na dwóch zmianach.
Plon świeżej masy czteroletnich pędów wierzbowych w doświadczeniu wyniósł 48,3 t/ha/rok (tab. 1). Wilgotność drewna w momencie zbioru pędów wynosiła 48%. Obliczony plon suchej masy drewna wyniósł 24,99 t/ha/rok.
Tab. 1. Plon świeżej masy, wilgotność oraz plon suchej biomasy uzyskany z czteroletnich pędów wierzby oraz jednorocznych pędów ślazowca
Źródło: badania własne
Ślazowiec pozyskiwany z doświadczenia po zakończeniu okresu wegetacji w grudniu plonował na poziomie 17,1 t/ha/rok świeżej masy (tab. 1). Wilgotność pozyskanej biomasy wynosiła średnio 25%. Plon suchej masy wyniósł więc 12,82 t/ha/rok.
Tab. 2. Charakterystyka zrębków wierzby oraz ślazowca użytych do produkcji pelet
Źródło: badania własne
Charakterystykę zrębków wierzbowych i ślazowca zamieszczono w tab. 2. Wilgotność zrębków wierzbowych do produkcji pelet wynosiła 31%, a ich gęstość nasypowa 198,8 kg/m3. Wilgotność i gęstość nasypowa zrębków ślazowca były niższe w porównaniu do zrębków Salix spp. odpowiednio o 6% i 98,6 kg/m3. Wartość opałowa zrębków wierzbowych wynosiła 2,38 GJ/m3, a ślazowca 1,26 GJ/m3.
Proces produkcji pelet z biomasy Salix spp. oraz Sida hermaphrodita R. przebiegał prawidłowo. Stwierdzono, że biomasa obu gatunków może być z powodzeniem wykorzystywana do produkcji pelet.
Tab. 3. Podstawowe parametry pelet z wierzby i ze ślazowca
Źródło: badania własne
Wilgotność pelet z wierzby i ślazowca była zbliżona (tab. 3). Natomiast zawartość popiołu w peletach wytworzonych z biomasy ślazowca (3,43%) była ponad dwukrotnie wyższa niż w tych z wierzby (1,38%). Ciepło spalania pelet z Salix spp. wynosiło 18 708 kJ/kg, a z Sida hermaphrodita R. 18 247 kJ/kg, wartość opałowa z kolei odpowiednio 16 883 i 16 036 kJ/kg. Gęstość nasypowa pelet z biomasy Salix spp. wynosiła 635,6 kg/m3, natomiast z Sida hermaphrodita R. była o ponad 100 kg niższa (517,2 kg/m3). Wartość opałowa 1 m3 pelet wierzbowych kształtowała się więc na poziomie 10,73 GJ, a ślazowca 8,3 GJ.
Tab. 4. Koszty produkcji jednej tony pelet [zł/t] na bazie surowca pozyskanego z wierzby i ślazowca
Źródło: badania własne
Całkowity koszt wytworzenia jednej tony pelet z biomasy czteroletnich pędów wierzby wyniósł 317,16 zł/t (tab. 4). Natomiast koszt wytworzenia jednej tony pelet z biomasy ślazowca był nieznacznie wyższy i wyniósł 323,84 zł/t.
W strukturze kosztów produkcji pelet z badanych gatunków roślin największy udział stanowiły koszty związane z zakupem surowca. Wynosiły one u wierzby 50,6% całkowitych kosztów produkcji, natomiast u ślazowca 47,82% (patrz rysunek). Na drugim miejscu znajdowały się koszty związane z suszeniem surowców, które wynosiły odpowiednio 21,13 i 18,96%. W dalszej kolejności znalazły się koszty związane z transportem biomasy do zakładu peletyzacji, które w przypadku wierzby wynosiły 6,91%, a ślazowca 12,3% kosztów całkowitych. Ta znaczna różnica w kosztach transportu surowców wynikała z prawie dwukrotnie większej gęstości nasypowej zrębków Salix spp. w porównaniu do zrębków Sida hermaphrodita R. Pozostałe koszty w przypadku peletyzacji biomasy obu gatunków kształtowały się na zbliżonym poziomie.
Struktura procentowa kosztów produkcji jednej tony pelet z wierzby i ze ślazowca
Źródło: badania własne
Pelety z trocin
Jak wykazano we wcześniejszych badaniach własnych, koszty produkcji pelet z suchych trocin (10% wilgotności) drewna dębowego wynosiły 189,44 zł/t. W Polsce na liniach o wydajności 3 t/godz., gdzie do produkcji pelet używane są świeże trociny o wilgotności od 50 do 60%, koszty produkcji tego paliwa zawierają się w przedziale od 240 do 350 zł/t.
Dla porównania, w Austrii produkcja pelet z mokrych trocin na liniach o wydajności od 16 894 do 70 956 ton rocznie kształtuje się na poziomie od 79,6 do 94,6 euro/t. Natomiast koszty produkcji pelet z suchych trocin na liniach o wydajności od 430 do 23 652 ton rocznie zawierały się w przedziale od 51,8 do 149,5 euro/t.
Autorzy, porównując koszty produkcji pelet w Austrii i Szwecji, podają, że wyprodukowanie jednej tony pelet z mokrych trocin na linii o wydajności 3 t/godz. w Austrii wynosiły średnio 90,7 euro/t. Natomiast w Szwecji koszt produkcji pelet z mokrych trocin na linii o wydajności 10 t/godz. wynosił średnio 62,4 euro/t.
Podsumowanie
W procesie peletyzacji biomasy wierzby uzyskano ponad trzykrotne zwiększenie gęstości paliwa oraz 4,5-krotne zwiększenie koncentracji energii w jednostce objętości pelet w porównaniu do zrębków. Natomiast w przypadku peletyzacji ślazowca gęstość pelet w porównaniu do zrębków została zwiększona ponad pięciokrotnie, a koncentracja energii 6,5-krotnie.
Wykazano, że w procesie peletyzacji 79% całkowitych kosztów produkcji stanowiły koszty zakupu surowca, jego transport i suszenie. W przyszłości przy komercyjnej produkcji pelet szczególną uwagę należy zwrócić na możliwość obniżenia kosztów jego wytwarzania właśnie na tych etapach procesu produkcyjnego. Jedną z możliwości obniżenia kosztów peletyzacji jest produkcja surowca, czyli biomasy na własnych plantacjach polowych. Wówczas koszt zakupu surowca byłby równoważny z kosztem jego wytworzenia.
Koszty produkcji zrębków można obniżyć, maksymalizując plon z jednostki powierzchni poprzez zintegrowaną uprawę wysoko produktywnych klonów wierzby oraz ślazowca. Bardzo ważne jest, aby plantacje znajdowały się możliwie jak najbliżej zakładu peletyzacji biomasy, co znacznie obniży koszty transportu.
Jak wynika z badań własnych, należałoby również uwzględnić sposób dwufazowego zbioru pędów wierzby, uwzględniając naturalny proces ich suszenia (w wyniku działania słońca i wiatru). Ten sposób dosuszania pozwoli obniżyć wilgotność pędów z ok. 50 do poniżej 30%. Pozwoli to zredukować koszty związane z termicznym suszeniem mokrych zrębków w suszarni.
Przy produkcji pelet z biomasy ślazowca jednym z ważnych elementów wpływających na jej koszty wydaje się być termin zbioru biomasy, który z racji warunków pogodowych wpływa na jej wilgotność. Koszty produkcji pelet z biomasy obu gatunków można również obniżyć poprzez instalowanie linii produkcyjnych o dużej wydajności.
Źródła
dr inż. Mariusz Stolarski
Uniwersytet Warmińsko Mazurski w Olsztynie
Tytuł i śródtytuły od redakcji
Biomasa przeznaczona do celów energetycznych pochodzi głównie z odpadów leśnych, przemysłu drzewnego, tartaków oraz pielęgnacji zieleni miejskiej. Coraz więcej uwagi poświęca się jednak polowym uprawom roślin energetycznych, które w przyszłości mają potencjalnie uzupełniać braki biomasy odpadowej, a docelowo stanowić jej główne źródło.
Biomasa jako paliwo odnawialne – w porównaniu do kopalin np. węgla kamiennego czy oleju opałowego – pod względem właściwości fizykochemicznych jest mniej atrakcyjna. Związane jest to m.in. ze zbyt małą gęstością biomasy, co utrudnia transport, magazynowanie oraz dozowanie do kotłów. Ponadto szeroki przedział jej wilgotności (od kilku do nawet 60%) oraz niska wartość opałowa na jednostkę objętości powodują utrudnienia w dystrybucji biomasy w postaci pierwotnej.
W związku z powyższym coraz więcej uwagi poświęca się zagadnieniom ujednolicania i uszlachetniania biomasy stałej poprzez proces peletyzacji. Dzięki kompaktowaniu biomasy zwiększa się jej gęstość, zmniejsza zawartość wody oraz podnosi koncentracja energii w jednostce objętości tego biopaliwa.
Jak już wspomniano, obecnie do produkcji pelet używa się głównie surowców odpadowych w postaci trocin z przemysłu drzewnego. W przyszłości jednak możliwe będzie uzupełnienie podaży biomasy do produkcji pelet z surowców roślinnych, pozyskiwanych z polowych plantacji roślin energetycznych: przede wszystkim wierzby (Salix spp.) i ślazowca (Sida hermaphrodita R.).
Przeprowadzone badania
W doświadczeniach polowych, zlokalizowanych w Stacji Dydaktyczno-Doświadczalnej Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie, badano produktywność wierzby z gatunku Salix viminalis w czteroletnim cyklu zbioru oraz ślazowca pensylwańskiego w jednorocznym cyklu zbioru.
Pędy wierzbowe zebrano w okresie zimowym i określono plon biomasy z jednostki powierzchni. Następnie pędy ułożono w stertę w celu dosuszenia. Jednoroczne pędy ślazowca skoszono w grudniu, określono plon i wilgotność pozyskanej biomasy. Pozyskana z doświadczeń polowych biomasa wierzby i ślazowca została rozdrobniona na zrębki i przetransportowana do zakładu Max-Parkiet w Żurominie. Następnie surowiec ten został dosuszony w suszarni bębnowej. Kolejnym etapem było mielenie wysuszonych zrębków obu gatunków. Rozdrobniony surowiec poddano procesowi peletyzacji na urządzeniu o wydajności jednej tony pelet na godzinę.
Uzyskany produkt poddano analizom laboratoryjnym. Ponadto przeprowadzono analizę ekonomiczną produkcji pelet z drewna Salix spp. oraz biomasy Sida hermaphrodita R. w oparciu o dane uzyskane z zakładu peletyzacji oraz założenia własne. Założono, że surowiec w postaci zrębków zostanie zakupiony przez zakład peletyzacji w cenie 10 zł/GJ. Koszty transportu na odległość 50 km poniesie kupujący. Produkcja pelet prowadzona była na dwóch zmianach.
Plon świeżej masy czteroletnich pędów wierzbowych w doświadczeniu wyniósł 48,3 t/ha/rok (tab. 1). Wilgotność drewna w momencie zbioru pędów wynosiła 48%. Obliczony plon suchej masy drewna wyniósł 24,99 t/ha/rok.
Tab. 1. Plon świeżej masy, wilgotność oraz plon suchej biomasy uzyskany z czteroletnich pędów wierzby oraz jednorocznych pędów ślazowca
Wyszczególnienie | Wierzba | Ślazowiec |
| Plon świeżej masy (t/ha/rok) | 48,30 | 17,10 |
| Wilgotność w momencie zbioru (%) | 48,07 | 25,01 |
| Plon suchej masy (t/ha/rok) | 24,99 | 12,82 |
Źródło: badania własne
Ślazowiec pozyskiwany z doświadczenia po zakończeniu okresu wegetacji w grudniu plonował na poziomie 17,1 t/ha/rok świeżej masy (tab. 1). Wilgotność pozyskanej biomasy wynosiła średnio 25%. Plon suchej masy wyniósł więc 12,82 t/ha/rok.
Tab. 2. Charakterystyka zrębków wierzby oraz ślazowca użytych do produkcji pelet
Wyszczególnienie | Wierzba | Ślazowiec |
| Wilgotność (%) | 31,00 | 25,01 |
| Gęstość nasypowa (kg/m3) | 198,8 | 100,2 |
| Wartość opałowa (GJ/m3) | 2,38 | 1,26 |
Źródło: badania własne
Charakterystykę zrębków wierzbowych i ślazowca zamieszczono w tab. 2. Wilgotność zrębków wierzbowych do produkcji pelet wynosiła 31%, a ich gęstość nasypowa 198,8 kg/m3. Wilgotność i gęstość nasypowa zrębków ślazowca były niższe w porównaniu do zrębków Salix spp. odpowiednio o 6% i 98,6 kg/m3. Wartość opałowa zrębków wierzbowych wynosiła 2,38 GJ/m3, a ślazowca 1,26 GJ/m3.
Proces produkcji pelet z biomasy Salix spp. oraz Sida hermaphrodita R. przebiegał prawidłowo. Stwierdzono, że biomasa obu gatunków może być z powodzeniem wykorzystywana do produkcji pelet.
Tab. 3. Podstawowe parametry pelet z wierzby i ze ślazowca
| Wyszczególnienie | Wierzba | Ślazowiec |
| Wilgotność (%) | 7,5 | 7,9 |
| Zawartość popiołu (%) | 1,38 | 3,43 |
| Ciepło spalania (kJ/kg) | 18708 | 18247 |
| Wartość opałowa (kJ/kg) | 16883 | 16036 |
| Gęstość nasypowa (kg/m3) | 635,6 | 517,2 |
| Wartość opałowa (GJ/m3) | 10,73 | 8,30 |
Źródło: badania własne
Wilgotność pelet z wierzby i ślazowca była zbliżona (tab. 3). Natomiast zawartość popiołu w peletach wytworzonych z biomasy ślazowca (3,43%) była ponad dwukrotnie wyższa niż w tych z wierzby (1,38%). Ciepło spalania pelet z Salix spp. wynosiło 18 708 kJ/kg, a z Sida hermaphrodita R. 18 247 kJ/kg, wartość opałowa z kolei odpowiednio 16 883 i 16 036 kJ/kg. Gęstość nasypowa pelet z biomasy Salix spp. wynosiła 635,6 kg/m3, natomiast z Sida hermaphrodita R. była o ponad 100 kg niższa (517,2 kg/m3). Wartość opałowa 1 m3 pelet wierzbowych kształtowała się więc na poziomie 10,73 GJ, a ślazowca 8,3 GJ.
Tab. 4. Koszty produkcji jednej tony pelet [zł/t] na bazie surowca pozyskanego z wierzby i ślazowca
Wyszczególnienie | Wierzba | Ślazowiec |
| Koszty inwestycyjne | 13,70 | 13,70 |
| Wyposażenie dodatkowe | 8,56 | 8,56 |
| Zakup surowca | 160,47 | 154,85 |
| Transport | 21,92 | 39,84 |
| Suszenie | 67,03 | 61,40 |
| Mielenie | 10,00 | 10,00 |
| Peletyzacja | 21,42 | 21,42 |
| Chłodzenie | 0,95 | 0,95 |
| Składowanie | 3,10 | 3,10 |
| Praca ludzi | 10,02 | 10,02 |
| Razem | 317,16 | 323,84 |
Źródło: badania własne
Całkowity koszt wytworzenia jednej tony pelet z biomasy czteroletnich pędów wierzby wyniósł 317,16 zł/t (tab. 4). Natomiast koszt wytworzenia jednej tony pelet z biomasy ślazowca był nieznacznie wyższy i wyniósł 323,84 zł/t.
W strukturze kosztów produkcji pelet z badanych gatunków roślin największy udział stanowiły koszty związane z zakupem surowca. Wynosiły one u wierzby 50,6% całkowitych kosztów produkcji, natomiast u ślazowca 47,82% (patrz rysunek). Na drugim miejscu znajdowały się koszty związane z suszeniem surowców, które wynosiły odpowiednio 21,13 i 18,96%. W dalszej kolejności znalazły się koszty związane z transportem biomasy do zakładu peletyzacji, które w przypadku wierzby wynosiły 6,91%, a ślazowca 12,3% kosztów całkowitych. Ta znaczna różnica w kosztach transportu surowców wynikała z prawie dwukrotnie większej gęstości nasypowej zrębków Salix spp. w porównaniu do zrębków Sida hermaphrodita R. Pozostałe koszty w przypadku peletyzacji biomasy obu gatunków kształtowały się na zbliżonym poziomie.
Struktura procentowa kosztów produkcji jednej tony pelet z wierzby i ze ślazowca
Źródło: badania własne
Pelety z trocin
Jak wykazano we wcześniejszych badaniach własnych, koszty produkcji pelet z suchych trocin (10% wilgotności) drewna dębowego wynosiły 189,44 zł/t. W Polsce na liniach o wydajności 3 t/godz., gdzie do produkcji pelet używane są świeże trociny o wilgotności od 50 do 60%, koszty produkcji tego paliwa zawierają się w przedziale od 240 do 350 zł/t.
Dla porównania, w Austrii produkcja pelet z mokrych trocin na liniach o wydajności od 16 894 do 70 956 ton rocznie kształtuje się na poziomie od 79,6 do 94,6 euro/t. Natomiast koszty produkcji pelet z suchych trocin na liniach o wydajności od 430 do 23 652 ton rocznie zawierały się w przedziale od 51,8 do 149,5 euro/t.
Autorzy, porównując koszty produkcji pelet w Austrii i Szwecji, podają, że wyprodukowanie jednej tony pelet z mokrych trocin na linii o wydajności 3 t/godz. w Austrii wynosiły średnio 90,7 euro/t. Natomiast w Szwecji koszt produkcji pelet z mokrych trocin na linii o wydajności 10 t/godz. wynosił średnio 62,4 euro/t.
Podsumowanie
W procesie peletyzacji biomasy wierzby uzyskano ponad trzykrotne zwiększenie gęstości paliwa oraz 4,5-krotne zwiększenie koncentracji energii w jednostce objętości pelet w porównaniu do zrębków. Natomiast w przypadku peletyzacji ślazowca gęstość pelet w porównaniu do zrębków została zwiększona ponad pięciokrotnie, a koncentracja energii 6,5-krotnie.
Wykazano, że w procesie peletyzacji 79% całkowitych kosztów produkcji stanowiły koszty zakupu surowca, jego transport i suszenie. W przyszłości przy komercyjnej produkcji pelet szczególną uwagę należy zwrócić na możliwość obniżenia kosztów jego wytwarzania właśnie na tych etapach procesu produkcyjnego. Jedną z możliwości obniżenia kosztów peletyzacji jest produkcja surowca, czyli biomasy na własnych plantacjach polowych. Wówczas koszt zakupu surowca byłby równoważny z kosztem jego wytworzenia.
Koszty produkcji zrębków można obniżyć, maksymalizując plon z jednostki powierzchni poprzez zintegrowaną uprawę wysoko produktywnych klonów wierzby oraz ślazowca. Bardzo ważne jest, aby plantacje znajdowały się możliwie jak najbliżej zakładu peletyzacji biomasy, co znacznie obniży koszty transportu.
Jak wynika z badań własnych, należałoby również uwzględnić sposób dwufazowego zbioru pędów wierzby, uwzględniając naturalny proces ich suszenia (w wyniku działania słońca i wiatru). Ten sposób dosuszania pozwoli obniżyć wilgotność pędów z ok. 50 do poniżej 30%. Pozwoli to zredukować koszty związane z termicznym suszeniem mokrych zrębków w suszarni.
Przy produkcji pelet z biomasy ślazowca jednym z ważnych elementów wpływających na jej koszty wydaje się być termin zbioru biomasy, który z racji warunków pogodowych wpływa na jej wilgotność. Koszty produkcji pelet z biomasy obu gatunków można również obniżyć poprzez instalowanie linii produkcyjnych o dużej wydajności.
Źródła
- Grzybek A.: Potencjał biomasy możliwej do wykorzystania na produkcję pelet. „Czysta Energia” 6/2004.
- Kowalik P.: Perspektywy peletyzacji biomasy w Polsce. „Czysta Energia” 10/2002.
- Stolarski M.: Ekonomiczne aspekty produkcji pelet z surowców roślinnych. „Czysta Energia” 6/2004.
- Stolarski M.: Produkcja oraz pozyskiwanie biomasy z wieloletnich upraw roślin energetycznych. „Problemy Inżynierii Rolniczej” 3/2004.
- Stolarski M., Kisiel R., Szczukowski S., Tworkowski J.: Koszty produkcji pelet z biomasy wierzb krzewiastych. „Roczniki Nauk Rolniczych” Seria G, T. 90, Z. 2, 2003.
- Szczukowski S., Tworkowski J., Stolarski M.: Wierzba energetyczna. Plantpress. Kraków 2004.
- Thek G., Obernberger I.: Wood pellet production costs under Austrian and in comparison to Swedish framework conditions. “Biomass and Bioenergy” 27/2004.
dr inż. Mariusz Stolarski
Uniwersytet Warmińsko Mazurski w Olsztynie
Tytuł i śródtytuły od redakcji
