Janusz Gołaszewski – Bioenergia w rolnictwie
-
Upload
dinhkhuong -
Category
Documents
-
view
223 -
download
4
Transcript of 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.
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
Źródło: własne na podstawie Stahel (1982)
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”
Źródło: własne na podstawie Stahel (1982)
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
Odpady, pozostałości
2 etap
Odpady, pozostałości
3 etapBioenergia
3 główny bioprodukt
2 główny bioprodukt
1 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)
CENTRUM BADAŃ ENERGII ODNAWIALNEJUNIWERSYTET WARMIŃSKO-MAZURSKI W OLSZTYNIE
10-719 Olsztyn, ul. M. Oczapowskiego 8, tel. (089) 523 43 97 e-mail: [email protected]
„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”
CENTRUM BADAŃ ENERGII ODNAWIALNEJUNIWERSYTET WARMIŃSKO-MAZURSKI W OLSZTYNIE
10-719 Olsztyn, ul. M. Oczapowskiego 8, tel. (089) 523 43 97 e-mail: [email protected]
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