Rola biomasy i polskiego rolnictwa w realizacji Pakietu energetycznego

Pierwszą silną podstawą rozpoczynającej się rewolucji energetycznej na świecie jest stanowisko Stanów Zjednoczonych, które uważają, że nie wolno dłużej finansować niedemokratycznych państw naftowych (i gazowych) – Iranu, Arabii Saudyjskiej, Wenezueli i Rosji – za pomocą wysokich cen ropy naftowej (i gazu). Stanowisko to skutkuje w USA gwałtownym rozwojem produkcji biopaliw i wzrostem cen ziemi (w niektórych stanach ziemia zdrożała w 2006 r. o ponad 30%).

Drugą mocną podstawą tej rewolucji jest projekt strategii UE, ogłoszony w marcu 2007 r., który z rozproszonej energetyki odnawialnej czyni jeden z najważniejszych filarów rozwojowych bezpieczeństwa energetycznego Unii, a jednocześnie główne narzędzie zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych. W rezultacie Wielka Brytania zaproponowała już obniżkę emisji CO₂ do 2050 r. o 60%, a Niemcy o 80%.

Trzecim fundamentem jest światowy wybuch innowacyjnych technologii energetycznych, prowadzący do ich uniwersalizacji tych technologii, czyli zwiększający skokowo ich podatność na konkurencję.

Potencjał rolnictwa energetycznego jest duży. Obecnie z jednego hektara kukurydzy jesteśmy w stanie wyprodukować rocznie 5 tys. m³ biometanu, z półtora miliona hektarów 7,5 mld m³, czyli nieznacznie mniej niż obecnie wynosi cały polski import gazu ziemnego, a więcej niż import tego paliwa z Rosji. Zatem należy poświecić rozwojowi agroenergetyki przynajmniej tyle wysiłku i tyle pieniędzy, ile poświęcaliśmy w latach 2006 i 2007 dywersyfikacji zasilania Polski w gaz ziemny, bo to jest problem o tej samej wadze z punktu widzenie bezpieczeństwa energetycznego. Dodatkowo jest to problem o kluczowej wadze dla bezpieczeństwa ekologicznego oraz ze względu na sytuację wsi i rolnictwa. (Sprawą otwartą jest wykorzystanie potencjału postępu biotechnologicznego w uprawach energetycznych oraz wykorzystanie innych niż kukurydza roślin energetycznych nadających się do zgazowania fermentacyjnego. Na przykład wydajność topinamburu, dla którego są w Polsce już wstępne wyniki uprawy i oceny przydatności energetycznej, jest ok. czterokrotnie większa niż kukurydzy.

Ciekawa jest odpowiedź na pytanie, co nam daje produkcja biometanu, który może być na skutek uniwersalizacji technologii energetycznych wykorzystany z jednakową skutecznością techniczną, w transporcie samochodowym i w agregatach kogeneracyjnych małej i bardzo małej mocy, produkujących energię elektryczną i ciepło? Otóż ww. 5 tys. m³ biometanu z hektara można porównać z rocznym zużyciem gazu ziemnego na mieszkańca Polski, wynoszącym ok. 0,3 tys. m³. Wynika z tego, że 1 ha kukurydzy wystarcza do pokrycia ponad 15-krotnego zapotrzebowania na gaz ziemny w całej gospodarce (procesy przemysłowe, energetyka zawodowa i przemysłowa, ciepłownictwo, zużycie w sektorze usług, zużycie przez ludność), przypadającego na statystycznego Polaka.

 Ponadto z punktu widzenia bezpieczeństwa energetycznego ważne jest inne porównanie. Z jednego ha uzyskujemy ilość biometanu potrzebną do produkcji skojarzonej ok. 17 MWh energii elektrycznej i ok. 90 GJ ciepła. Są to ilości wystarczające do pokrycia ok. siedmiokrotnego zapotrzebowania na energię elektryczną i ok. sześciokrotnego zapotrzebowania na ciepło w całej gospodarce, przypadającego na statystycznego Polaka. (Dla porównania jeden hektar zapewnia obecnie żywność dla ok. trzech Polaków).

Rolnictwo energetyczne będzie w kolejnych latach obszarem bardzo intensywnego rozwoju biotechnologii środowiskowej (ukierunkowanej na utylizację biomasy odpadowej), biotechnologii w obszarze upraw roślin energetycznych, wyspecjalizowanej teleinformatyki dla potrzeb energetyki rozproszonej oraz nowoczesnych rozproszonych technologii energetycznych (w postaci biogazowni, agregatów kogeneracyjnych, samochodów hybrydowych, ogniw paliwowych). Należy przy tym podkreślić, że bariera przy wchodzeniu na większość z rynków wymienionych innowacyjnych technologii jest jeszcze stosunkowo niska i całkowicie do pokonania przez polską naukę, przemysł, rolnictwo, wieś i energetykę.

Krótkofalowo rolnictwo energetyczne skompensuje skutecznie brak reelektryfikacji wsi. Zatem ograniczy pogłębiającą się barierę rozwojową wsi w postaci nieadekwatności (do szybko rosnących potrzeb) infrastruktury w postaci wiejskich sieci elektroenergetycznych. Ponadto umożliwi milionom mieszkańców wsi uczestnictwo w korzyściach z przebudowy energetyki, w szczególności z elektroenergetyki, na bardziej konkurencyjną.

Długofalowo rolnictwo energetyczne zapewni wsi polskiej włączenie się w jeden z wielkich obszarów innowacyjności gospodarki w ogóle. Będzie to wynikać m.in. stąd, że skala inwestycji jednostkowych w rolnictwie energetycznym jest stosunkowo niewielka (nakłady na takie inwestycje są rzędu kilku, najczęściej blisko dziesięciu, milionów złotych). Zatem w początkowej fazie rozwoju rolnictwa energetycznego będzie możliwe podmiotowe uczestnictwo w jego rozwoju małych inwestorów na skalę pojedynczych wsi, co jest niemożliwe w energetyce dużej skali.

Szacuje się, że rozwój energetyki rozproszonej (biogazowni i systemów kogeneracyjnych) w gminach rolniczych może spowodować napływ komercyjnych inwestycji z tego tytułu na obszary wiejskie z kapitałem 50 mld zł w perspektywie 2020 r. To upodmiotowi na trwałe wieś w obszarze elektroenergetyki i ciepłownictwa. Oczywiście rolnictwo energetyczne w części stanowiącej bazę surowcową dla przemysłu biopaliw umożliwi dodatkowo mieszkańcom wsi uczestnictwo w korzyściach ze zmiany struktury rynku paliw dla potrzeb transportu.

Rolnictwo jako sektor może skorzystać na rozwoju branży rolnictwa energetycznego – zarówno w perspektywie krótkofalowej, jak i długofalowej.

Krótkofalowo rozwój rolnictwa energetycznego zapewnia polskiemu rolnictwu opłacalne ekonomicznie wykorzystanie dwóch do trzech mln hektarów gruntów odłogowanych (wyłączonych z upraw) oraz ugorów i nieużytków. Jest to ok. 10 do 15% użytków rolnych w Polsce.

Natomiast długofalowo tworzy ono fundamentalną podstawę pod trwałą opłacalność produkcji rolnej, polegającą na rozszerzeniu możliwości zbytu produkcji rolnej na dwa wielkie i newralgiczne rynki: żywnościowy i energetyczny. Restrukturyzacja polskiego rolnictwa, realizowana w takiej perspektywie masowego rozwoju opłacalnych upraw energetycznych, może w przyszłości doprowadzić do przeznaczenia na te uprawy od 4 do 6 mln hektarów gruntów ornych i gruntów odłogowanych (obecnie) oraz ugorów i nieużytków. Ponadto pozwoli na wykreowanie z tego tytułu rocznych przychodów rolników na poziomie od 10 do 15 mld zł (wg obecnego poziomu cen). W perspektywie długofalowej bardzo ważne jest także to, że rozwój rolnictwa energetycznego może być wykorzystany przez Polskę do aktywnego włączenia się w nieuchronny proces wygaszania po 2013 r. Wspólnej Polityki Rolnej w Unii, z korzyścią dla Polski i dla Unii.

Obecnie najgorszym rozwiązaniem z możliwych jest realizowany program konsolidacji sektorowej w elektroenergetyce, polegający na kontynuacji technologicznej, czyli na budowie wielkiej elektroenergetyki systemowej z wielkimi źródłami węglowymi, realizowanymi w tradycyjnych technologiach spalania. Wymaga to bowiem istotnej rozbudowy sieci przesyłowych, co oddala tę elektroenergetykę od odbiorcy i wyłącza go w dużym stopniu z decydowania o swojej sytuacji.

Ogólnie specyfika poszczególnych sektorów kompleksu paliwowo-energetycznego, w szczególności elektroenergetyki, w żadnym wypadku nie może być obecnie wzmacniana, natomiast musi być osłabiana. Odwrócenie programu dla elektroenergetyki i przejście do etapu osłabiania sektorowości w całym kompleksie paliwowo-energetycznym wymaga na poziomie rządu daleko idącej współpracy między ministerstwami. To pociąga za sobą bardzo poważną konsekwencję. W krótkim czasie musi się ukształtować w rządzie nowy podmiotowy układ kompetencji. W szczególności chodzi tu o nowy typ powiązania kompetencji Ministerstwa Gospodarki i Urzędu Regulacji Energetyki z kompetencjami ulokowanymi w Ministerstwach: Rolnictwa i Rozwoju Wsi (obszar rolnictwa energetycznego), Środowiska (zarządzanie rozdziałem uprawnień do emisji CO₂), Rozwoju Regionalnego (wykorzystanie funduszy unijnych), Finansów (koordynacja podatku akcyzowego w obszarze energetyki) oraz Skarbu Państwa (nadzór właścicielski nad przedsiębiorstwami energetycznymi).

 Podkreśla się, że w nowym rządzie niezbędna współpraca między ministerstwami jest prawdopodobna. Jeśli w pierwszych miesiącach nie zostanie ona nawiązana, to z upływem czasu możliwość taka będzie szybko malała.

Poniżej przedstawiono oszacowanie (własne) rynków końcowych w 2007 r. energii elektrycznej, ciepła i paliw transportowych. W przypadku energii elektrycznej i ciepła podano także oszacowanie rynków produkcji (czyli rynków końcowych powiększonych o straty sieciowe i potrzeby własne):

·         Energia elektryczna, zużycie/produkcja – 106/140 TWh (ok. 350 TWh w paliwie pierwotnym).

·        Ciepło ogółem, zużycie/produkcja – 750/850 PJ (ok. 350 TWh w paliwie pierwotnym): w tym: systemy sieciowe: 350/450 PJ., a ogrzewanie indywidualne: 400/400 PJ.

·         Transport, zużycie paliw płynnych (ok. 150 TWh w paliwie pierwotnym): benzyna – 4,2 mln ton, olej napędowy – 6,4 mln ton oraz LPG: 1,5 mln ton.

 

Przyjęte założenia dotyczące wielkości polskich rynków końcowych energii w 2020 r. w ujęciu eksperckim stanowią dobry punkt wyjścia do prowadzonych tu ocen, ale mają bardzo otwarty charakter i powinny być bezustannie weryfikowane, a zatem:

W zakresie struktury udziału energii odnawialnej na końcowym rynku energii elektrycznej w 2020 r. założono, że zielona energia elektryczna będzie produkowana w Polsce w 2020 r. z energii wiatrowej i wodnej oraz z biomasy odpadowej, ale przede wszystkim będzie to jednak energia produkowana w źródłach skojarzonych, opalanych biometanem pozyskiwanym z roślin energetycznych. Przyjęta struktura jest następująca.

W zakresie sposobu wykorzystania biomasy uprawianej w 2020 r. przyjęte założenia mają charakter modelowy. Odwołuje się w nich do postępującej uniwersalizacji technologiczno-paliwowej, czyli wymagane udziały energii odnawialnej na wszystkich trzech rynkach końcowych energii zostaną zapewnione poprzez produkcję biometanu. Tym samym zakłada się:

·        zastosowanie najefektywniejszej obecnie biotechnologii, mianowicie zgazowania fermentacyjnego roślin energetycznych, ewentualnie z dodatkiem substratów w postaci biomasy odpadowej z produkcji rolnej oraz z przetwórstwa rolno-spożywczego, a także wykorzystanie biogazu lub biometanu (uzyskiwanego po oczyszczeniu biogazu). To założenie jest bardzo ostrożne (najprawdopodobniej do 2020 r. nastąpi komercyjne wdrożenie znacznie bardziej efektywnych biotechnologii, czyli zgazowania zielonej celulozy oraz bezpośredniej produkcji wodoru z biomasy).

·        dla zwiększenia ich przejrzystości, zastosowanie tylko wybranych technologii energetycznych w postaci: wykorzystania bezpośredniego biogazu uzyskiwanego z upraw energetycznych; zatłaczania biometanu do sieci gazu ziemnego. Ponadto stosowania, aż do pełnego wykorzystania potencjału produkcji ciepła i energii elektrycznej, agregatów kogeneracyjnych, zapewniających łączną sprawność konwersji energii pierwotnej na energię końcową u odbiorców energii elektrycznej i ciepła, wynoszącą 85%. Oprócz tego używanie, poza potencjałem produkcji skojarzonej, kotłów gazowych zapewniających łączną sprawność konwersji energii pierwotnej na ciepło u odbiorcy, wynoszącą 95%. Ważne będzie również użytkowanie samochodów CNG w miejsce samochodów zasilanych mieszankami paliw tradycyjnych i biopaliw płynnych, przy uwzględnieniu zmniejszonej sprawności wykorzystania paliwa transportowego, czyli biometanu, w stosunku do mieszanek płynnych o 20%.

Przyjęto, że krajowy potencjał ciepła produkowanego z biometanu w skojarzeniu określa się na podstawie struktury produkcji charakterystycznej dla gazowego agregatu kogeneracyjnego o mocy poniżej 1 MW_El,. zakładając, że energia elektryczna stanowi 35% w bilansie paliwa pierwotnego, a ciepło 50% (Straty stanowią 15% w paliwie pierwotnym).

Dalej szacuje się, że cała roczna energia elektryczna produkowana z biometanu jest wytwarzana w skojarzeniu (w 2020 r. będzie to 35 TWh). Wówczas ciepło wyprodukowane w 2020 r. w Polsce z biometanu w skojarzeniu wyniesie 50 TWh. Produkcja ciepła z energii odnawialnej poza produkcją skojarzoną będzie w takim przypadku w 2020 r. wynosić 55 TWh. 

 Sformułowane poniżej założenia dotyczące transformacji rolnictwa żywnościowego w rolnictwo energetyczne mają charakter zachowawczy. Odnoszą się one nie tyle do transformacji (rolnictwa żywnościowego w rolnictwo energetyczne), co do wykorzystania istniejących nadwyżek ziemi potrzebnej dla rolnictwa żywnościowego.

Zakłada się bowiem graniczną strukturę wykorzystania całego areału ziem uprawnych (ok. 16 mln ha), którym dysponuje Polska w następującej sposób: 75% dla potrzeb rolnictwa żywnościowego (12 mln ha) oraz 25% dla potrzeb rolnictwa energetycznego (4 mln ha). Jest to struktura, która może być wynikiem alokacji fundamentalnej (polegającej na częściowej transformacji rolnictwa żywnościowego w równoprawne rolnictwo energetyczne) i może pociągać za sobą zmianę relacji cen żywności i energii. Przy tym transformację rolnictwa żywnościowego w energetyczne łączy się ze stopniowym wygaszaniem Wspólnej Polityki Rolnej w UE po 2013 r. oraz z otwarciem unijnego rynku żywności na dostawy z krajów opóźnionych w rozwoju (w szczególności z Afryki). To oznacza, że Polska może zapewnić sobie istotny wzrost efektywności ekonomicznej rolnictwa, istotny wzrost bezpieczeństwa energetycznego, a także stabilizację cen energii, i to bez istotnego wzrostu cen żywności.

Dla uproszczenia dalszych oszacowań przyjęto produkcję biomasy w postaci kukurydzy. Założono bowiem, że obecna wydajność 50 ton/ha (co w przeliczeniu na biometan daje 5 tys. m³/ha) na skutek postępu biotechnologicznego w 2020 r. wyniesie ok. 80 ton/ha. W przeliczeniu na biometan da to wówczas 8 tys. m³/ha. Na tej podstawie można wyliczyć wydajność energetyczną z hektara, wyrażoną w MWh/ha, w następujący sposób:

wydajność = 8 tys. [m³/ha] x {36 [GJ/tys. m³] : 3,6 [GJ/MWh]} = 80 MWh/ha.

Ocena zasobów rolnych niezbędnych do realizacji celu udziału OZE

Przyjęte założenia pozwalają oszacować zasoby ziemi potrzebne do celów energetycznych w następujący sposób.

·        Do pokrycia wymaganego udziału energii odnawialnej na rynku paliw transportowych konieczna jest powierzchnia gruntów:

·        {30 TWh : 80 MWh/ha}: 0,8 = ok. 0,5 mln ha.

·        Do pokrycia wymaganego udziału energii odnawialnej na rynku energii elektrycznej i na rynku ciepła (35 TWh i 50 TWh, odpowiednio) produkowanych w skojarzeniu konieczna jest powierzchnia gruntów:

·        {(35 TWh + 50 TWh) : 80 MWh/ha}: 0,85 = ok. 1,3 mln ha.

 

·        Do pokrycia wymaganego udziału energii odnawialnej na rynku ciepła produkowanego w kotłowniach (55 TWh), poza źródłami kogeneracyjnymi, konieczna jest powierzchnia gruntów:

·        {55 TWh : 80 MWh/ha}: 0,95 = ok. 0,7 mln ha.

Z powyższego wynika, że łączna powierzchnia gruntów konieczna dla wypełnienia przez Polskę celów obligatoryjnych unijnego Pakietu energetycznego 3×20 jest istotnie mniejsza od założonej granicznej powierzchni gruntów możliwych do wykorzystania przez rolnictwo energetyczne (ok. 4 mln ha, ponad 20%).

Podkreśla się, że dokonane oszacowanie uwzględnia postęp biotechnologiczny, co jest całkowicie uprawnione. Bez postępu biotechnologicznego wypełnienie celów byłoby obarczone pewnym ryzykiem (łączna powierzchnia gruntów, konieczna do wypełnienia celów byłaby wówczas równa granicznej powierzchni możliwej do wykorzystania przez rolnictwo energetyczne). W tym miejscu warto podkreślić bardzo korzystną cechę rolnictwa energetycznego jako jednego z filarów bezpieczeństwa energetycznego. Otóż wzrost zapotrzebowania na energię może mieć w tym przypadku zawsze adekwatną odpowiedź w postaci wzrostu wydajności energetycznej z hektara. Podobna cecha nie występuje w przypadku takich wyczerpywalnych paliw jak ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel. Oczywiście w tym przypadku występuje mechanizm postępu technicznego w sferze wydobycia, który w ostatnich latach bardzo wyraźnie zwiększał zasoby ekonomiczne wymienionych paliw na świecie.

prof. dr hab. inż. Jan Popczyk
Politechnika Śląska, BioEnergia ESP