Ekspertyza
advertisement
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego AGROINŻYNIERIA GOSPODARCE Ekspertyza Odnawialne źródła energii uzupełnieniem energetyki w rolnictwie Prof. dr hab. inż. Jan Pabis Instytut Technologiczno - Przyrodniczy w Falentach Oddział w Warszawie Warszawa 2011 Publikacja dostępna w serwisie: www.agengpol.pl Spis treści 1. Wstęp ............................................................................................................................ 3 2. Zasoby odnawialnych źródeł energii .............................................................................. 5 3. Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w rolnictwie................................................ 9 3.1. Kolektory słoneczne w produkcji rolniczej ................................................................. 9 3.2. Suszarnictwo produktów rolniczych ........................................................................ 12 3.3. Produkcja warzyw pod osłonami ............................................................................. 14 3.4. Wykorzystanie biomasy na cele energetyczne. ...................................................... 15 3.5. Biopaliwa .................................................................................................................. 17 3.6. Siłownie wiatrowe .................................................................................................... 19 3.7. Ogniwa fotowoltaiczne ............................................................................................. 20 3.8. Pompy ciepła ........................................................................................................... 21 3.9. Elektrownie na małych ciekach wodnych ................................................................ 23 3.10. Energia geotermalna ............................................................................................... 24 4. Zintegrowane systemy energetyczne ............................................................................25 5. Podsumowanie ..............................................................................................................27 6. Literatura .......................................................................................................................28 2 1. Wstęp Stały wzrost zużycia energii i paliw, wzrost cen nośników energii oraz ograniczone, a wręcz malejące zasoby paliw kopalnianych, przyczyniły się w znacznym stopniu do poszukiwania zastępczych, a zarazem uzupełniających źródeł energii. Drugim bardzo ważnym powodem poszukiwania jest wzrost zanieczyszczenia naturalnego środowiska emisją do atmosfery stałych i gazowych produktów spalania. Takimi uzupełniającymi źródłami energii są odnawialne źródła energii, tj. energia słońca, energia wiatru, energia rzek, energia cieplna pochodząca ze spalania biomasy, drewno, słoma, odpady z produkcji rolniczej, biogaz, biopaliwa oraz energia geotermalna. Według prognoz i zaleceń Unii Europejskiej udział ten w Polsce powinien wzrosnąć do 7,5% w 2010 r. i do 14,0% w 2020 r. W Polsce w ostatnich 5 latach wzrosło znacznie wykorzystanie odnawialnych źródeł energii, jak też w porównaniu do lat 2005, wzrosła kilkakrotnie liczba producentów kolektorów słonecznych, kotłów do spalania biomasy, siłowni wiatrowych i pomp ciepła Udział rolnictwa w ogólnokrajowym bilansie energetycznym nie jest duży. Zużycie energii wynosi ok. 6,0% na produkcję rolniczą i ok. 9,5% na całe rolnictwo, łącznie z mieszkańcami wsi. W porównaniu do wielu dziedzin gospodarki narodowej, rolnictwo ma bardzo dobre warunki wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Rolnictwo posiada duże zapotrzebowanie na niskotemperaturowe źródła energii, stosunkowo niskie jeszcze zanieczyszczenie atmosfery, duży potencjał energetyczny odnawialnych źródeł energii, szczególnie w zasobach biomasy, która w procesie spalania może być przetwarzana na energię cieplną oraz jako biopaliwa. Szacuje się, że zasoby energii pochodzącej z biomasy tj. drewno, słoma, biopaliwa wynoszą 500 PJ rocznie, co przy całkowitej produkcji energii w Polsce wynoszącej ok. 4000 PJ rocznie umożliwiłoby pokrycie krajowych potrzeb energetycznych o ok. 12,5%, eliminując spalanie ok. 17,0 mln ton węgla rocznie [Tymiński 1997]. Kolektory słoneczne mogą być wykorzystywane do podgrzewania wody do celów technologicznych, sanitarnych, domowych, nawadniania roślin uprawianych pod osłonami (szklarnie, tunele foliowe), podgrzewania powietrza w urządzeniach suszarniczych, w przechowalniach produktów rolniczych oraz ogrzewania pomieszczeń domowych i produkcyjnych. Odnawialne źródła energii mogą wspomagać tradycyjne źródła energii w zintegrowanych systemach energetycznych np. w układach: kolektor słoneczny z siłownią wiatrową, instalacją biogazową z kotłem do podgrzewania wody opalanych węglem, gazem lub drewnem. Siłownie wiatrowe znajdują w ostatnich latach coraz szersze zastosowanie w praktyce. W Polsce pracuje obecnie ok. 150 siłowni wiatrowych o mocach od 60 kW do 150 kW. Moc zainstalowanych siłowni wiatrowych wzrosła z 70 MW w 2006 r. do 123 MW w 2008 r. i do 175 MW w 2009 r. Wyniki prac naukowo -badawczych prowadzonych w Polsce od ponad 30 lat wykazały, że w niektórych technologiach produkcji rolniczej zastosowanie kolektorów słonecznych do podgrzewania powietrza w suszarnictwie produktów rolniczych jak też w produkcji warzyw pod osłonami, pozwala na zaoszczędza nie ok. 20 - 30% energii cieplnej, pochodzącej z tradycyjnych źródeł [Pabis J. 1987, Tymiński J. 1997]. Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii ma wpływ nie tylko na bilans energetyczny kraju, ale ma także istotne znaczenie społeczne, mianowicie chodzi o tworzenie nowych miejsc pracy, większe wykorzystanie powierzchni gruntów na produkcję surowców przetwarzanych na biopaliwa oraz tworzenie upraw tzw. roślin energetycznych. Obecnie zużycie energii w krajach rozwiniętych wynosi 18000 kWh/ rok na jednego mieszkańca, podczas gdy w Polsce wynosi ono ok. 7000 kWh/ rok na jednego mieszkańca [Mikielewicz 1998] W Polsce ok. 75,0% energii uzyskujemy ze spalania węgla, który to powoduje największe zanieczyszczenie naturalnego środowiska. Kraje rozwinięte produkują ok. 10,0% energii z węgla. Zapylenie produktami spalania wynosi w Polsce 6,2 t/km2 rok, a produkcja tlenku siarki ok. 1 t/km2 rok. Podczas spalania ok. 112 mln ton węgla rocznie we wszystkich elektrowniach polskich powstaje ponad 330 mln ton produktów spalania, co w przeliczeniu na jednego mieszkańca Polski wynosi ok. 8,4 kg w ciągu roku. Minęło już ponad 50 lat, kiedy to zaczęto interesować się w Polsce odnawialnymi źródłami energii w produkcji rolniczej. W latach 1958/60 w Instytucie Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa, a w dalszych latach w Instytucie Budownictwa, Mechanizacji i 3 Elektryfikacji Rolnictwa rozpoczęto pierwsze próby budowy siłowni wiatrowych i kolektorów słonecznych do podgrzewania powietrza. W wyniku badań modeli kolektorów słonecznych w 1963 r. opracowano i zbudowano w IBMER pierwszy w Polsce, i zarazem jeden z pierwszych w Europie kolektor słoneczny o powierzchni 40 m2 do podgrzewania powietrza w suszarce zielonek i słony lnianej. Natomiast pierwsze kolektory do podgrzewania wody użytkowej zaczęła produkować firma Metaloplast w Bielsku Białej w 1970 r. W latach 1970/78 nastąpiło zahamowanie realizacji prac badawczych. W latach 1979/80 wznowiono prace badawcze i konstrukcyjne wykorzystania w rolnictwie niekonwencjonalnych źródeł energii. W latach 1980 – 1990 ok. 30 placówek naukowo-badawczych, wyższych uczelni i zespołów konstrukcyjnych przemysłu zajmowało się wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii, siłowniami wiatrowymi, instalacjami biogazowymi, pompami ciepła, w tym 10 placówek ukierunkowanych było na realizację prac badawczych dla potrzeb rolnictwa. W tym okresie wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii zajmował się IBMER, Instytut Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej, Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku, Instytut Techniki Budowlanej w Warszawie, Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, SGGW, Akademie Rolnicze w Krakowie, Wrocławiu, Lublinie, Szczecinie oraz Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie. W latach 1980 - 1990 wykonano w IBMER i innych placówkach badawczych kilkanaście konstrukcji kolektorów słonecznych, siłowni wiatrowych, instalacji biogazowych, pomp ciepła i ogniw fotowoltaicznych z których to większość została wdrożona do praktyki. W latach 1982 do 1985 w ramach programu regionalnego w Europie UNIJP/FAO realizowano prace badawcze, konstrukcyjne i technologiczne z zakresu niekonwencjonalnych źródeł energii, a od 1985 r. program ten został rozszerzony o zintegrowane systemy energetyczne. Koordynatorem ww. programu w Polsce był IBMER. Do 1990 r. kolektory słoneczne opracowane w IBMER zostały wdrożone w 32 gospodarstwach rolnych indywidualnych, państwowych i spółdzielczych, o łącznej powierzchni 8000 m2 kolektorów powietrznych i 350 m2 kolektorów do podgrzewania wody użytkowej. W tym też okresie opracowano w IBMER kilka dokumentacji i prototypów siłowni wiatrowych, produkowanych później w skali przemysłowej W IBMER opracowano kilka dokumentacji instalacji biogazowych o pojemności komór fermentacyjnych 50, 100 i 200 m3. Należy zaznaczyć, ze pierwszą w Polsce instalację biogazową wykonano w 1979 r. W IBMER opracowano również biogazownię rolniczą z dwustopniową fermentacją do utylizacji gnojowicy i ścieków z przetwórstwa oraz produkcje biogazu.. W latach 1985/90 realizując w IBMER Problemy Rządowe, kontynuując współpracę z INDP/FAO rozwinięto prace badawcze i projektowe w zakresie zintegrowanych źródeł energetycznych [Pabis J. 1993]. W wyniku tych prac wdrożono w 11 gospodarstwach rolniczych, w tym 1 w gospodarstwie wojskowym obiekty zintegrowanych systemów energetycznych. Jednym z ciekawych projektów był projekt przewoźnych kolektorów słonecznych z instalacjami do mycia na poligonach wojskowych. W latach 1985 - 2000 zorganizowano w IBMER i na wyższych uczelniach ponad 30 konferencji krajowych i zagranicznych. We wspomnianym okresie opracowano kilkadziesiąt artykułów w czasopismach naukowych, popularno-naukowych i konferencyjnych, jak też opracowano kilka rozpraw doktorskich i habilitacyjnych. Z przekształconego w 1994 r. Centrum Energetycznego Komisji Europejskiej w ramach Unii Europejskiej z siedzibą w Elblągu powstało Bałtyckie Centrum Energii Odnawialnej EC BREC przy IBMER. Z prac badawczych, konstrukcyjnych i wdrożeniowych największe dotychczas osiągnięcia spośród wyższych uczelni ma Szkołą Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, gdzie już w latach 1983/84 interesowano się odnawialnymi źródłami energii, prowadząc prace badawcze modeli i prototypów produkowanych w Polsce kolektorów słonecznych i układów automatycznego sterowania pracą kolektorów do podgrzewania wody instalowanych w punktach skupu mleka W latach 1999/2000 opracowano i wdrożono w Regionalnym Centrum Edukacji Ekologicznej zlokalizowanym w Bolimowskim Parku Krajobrazowym obiekt wyposażony w zintegrowany system energetyczny do podgrzewania wody użytkowej. Obiekt wyposażony jest w baterię kolektorów słonecznych o powierzchni 40 m2 i pompę ciepła z gruntowymi wymiennikami ciepła. Dalszymi ośrodkami akademickimi, zajmującymi się odnawialną problematyką jest Akademia Rolnicza w Lublinie na Wydziale Techniki Rolniczej, gdzie w wyniku prac 4 badawczych wdrożono do praktyki kilka rozwiązań kolektorów słonecznych do urządzeń suszarniczych oraz siłowni wiatrowych. Również na Akademii Rolniczej w Krakowie na Wydziale Techniki Rolniczej i Energetyki Rolnictwa prowadzi się ciekawe prace badawcze z zakresu wykorzystania kolektorów słonecznych w produkcji warzyw pod osłonami, akumulacji energii cieplnej. Podobnymi problemami zajmuje się Centrum Helio-Ekostruktur przy Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN, powstałe w 1991 r. oraz Polskie Towarzystwo Inżynierii Słonecznej, będące członkiem Międzynarodowego Towarzystwa Inżynierii Słonecznej (ISES). W ostatnich latach wzrosło w Polsce zainteresowanie wykorzystania biopaliw, produkowanych z rzepaku oraz wykorzystaniem biomasy do produkcji energii cieplnej. Problematyką tą zajmuje się od kilku lat IBMER w zakresie projektowania BIORAFINERII oraz technologii i spalania biomasy oraz od 2000 r. SGGW Wydział Inżynierii Produkcji. Należy stwierdzić, że w ostatnich latach można odnotować znacznie szybszy, niż dotychczas, rozwój niekonwencjonalnych źródeł energii. Obecnie na rynku znajdują się kolektory wodne produkowane w kilkunastu firmach zagranicznych i kilku krajowych. Na wybrzeżu rozpoczęto instalować kilkanaście siłowni wiatrowych. W ostatnich latach dopłaty oraz preferencyjne kredytowanie instalacji kolektorów słonecznych w budownictwie indywidualnym sprawiły, że następuje szybszy, wzrost inwestycji z 15 w 2010 r. do 1275 w 2011 (Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej). Przedstawione w skrócie przykłady wskazują, że rolnictwo posiada dobre warunki oraz znaczne zasoby surowcowe, umożliwiające produkcję energii, będącej uzupełnieniem potrzeb energetycznych. 2. Zasoby odnawialnych źródeł energii Energia słońca Słońce emituje olbrzymi strumień cieplny wynoszący 3,86 x 102b W. Tylko część tego strumienia ciepła dociera do powierzchni kuli ziemskiej i wynosi on 1,9x 1017 W, co odpowiada gęstości strumienia ciepła 1350 W/m2. Energia promieniowania słonecznego docierająca do powierzchni Ziemi zależy od szerokości geograficznej, pory roku, pory dnia, zachmurzenia nieba oraz zanieczyszczenia atmosfery. Na skutek zjawisk pochłaniania i rozpraszania w atmosferze, zachodzących nawet przy bezchmurnym niebie (pochłanianie promieniowania przez parę wodną, ozon, dwutlenek węgla, pył) do powierzchni Ziemi dociera promieniowanie słoneczne o zmniejszonym natężeniu. Polska położna jest w strefie klimatu umiarkowanego między 49o a 54,5o szerokości geograficznej północnej, toteż ilość energii docierającej do 1 m2 powierzchni ziemi wynosi 930 1163 kWh/m2 w ciągu roku. Liczba godzin rocznego nasłonecznienia w Polsce waha się od 1726 h na północy (Suwałki)do 1467 h na południu (Zakopane), średnio 1600 h rocznie. Największy dopływ energii słonecznej w Polsce występuje na Wybrzeżu oraz we wschodniej części kraju, a najniższy na południu Polski. W praktyce dla projektowania słonecznych instalacji grzewczych, istotne są sumy dzienne promieniowania słonecznego w poszczególnych miesiącach roku. Największy potencjał energii słonecznej w Polsce przypada na pierwsze półrocze (75%), a na drugie półrocze (50%).Energia słoneczna uzyskiwana z kolektorów słonecznych zależy nie tylko od pory roku, pory dnia, położenia geograficznego, pogody, ale również od kąta pochylenia kolektora do poziomu lub pionu. Dla praktycznych obliczeń bardzo istotną, jest znajomość ilości energii promieniowania słonecznego, przypadająca na powierzchnię kolektorów pochylonych pod różnymi kątami do powierzchni poziomej [Pabis J. 1987]. Od 2005 r. datuje się szybki wzrost wykorzystania kolektorów słonecznych do podgrzewania wody użytkowej. W roku 2005 zainstalowano w Polsce 126 tys. m2 o łącznej mocy 181 TJ, a w 2010 r. 934 tys. m2 kolektorów słonecznych o łącznej mocy 1345 TJ. Obecnie 20 liczących się na rynku producentów oferuje sprzedaż kolektorów płaskich i próżniowych do podgrzewania wody. Biomasa. Pod pojęciem biomasy rozumiemy materie pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, substancje pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także przemysłu przetwarzającego ich produkty oraz inne części odpadów, które ulegają biodegradacji. Biomasa jest materią organiczną zawartą w organizmach roślinnych lub zwierzęcych. Biomasę pochodzenia roślinnego lub 5 zwierzęcego można wykorzystać na cele energetyczne przez spalanie, fermentację metanową (biogaz) produkcję biopaliw lub na produkcję nawozów przez kompostowanie. Może ona pochodzić z celowego działania człowieka w uprawach roślinnych tj. zboża, rzepak, burak cukrowy, ziemniaki, z plantacji wikliny, plantacji traw, produkcji sadowniczej, zieleni miejskiej, odpadów leśnych oraz jako organiczne pozostałości i odpady z produkcji rolniczej, [ Pabis J. 2002], tj: - pozostałości roślin uprawowych np. słoma zbożowa, słoma rzepakowa, słoma kukurydziana, osadki kukurydzy i inne, - odpady w produkcji leśnej i przemyśle drzewnym, - odpady zwierzęce, (tłuszcze z mięsa wieprzowego, wołowego, kurzego), odchody, gnojowica, - odpady organiczne komunalne. Biomasa w produkcji rolniczej może być wykorzystana w szerokim zakresie do celów energetycznych poprzez jej spalanie, tj: drewna opałowego, odpadów drewna w produkcji leśnej i przemyśle drzewnym, słomy, traw w różnego rodzaju piecach, kotłach wodnych i parowych, podgrzewaczach powietrza, stosowanych do ogrzewania domów mieszkalnych, kotłowni osiedlowych, suszarnictwie rolniczym, przetwórstwie rolno-spożywczym, owocowowarzywnym do ogrzewania szklarni i tuneli foliowych oraz w innych technologiach produkcji rolniczej. Biomasa może też być wykorzystana do produkcji energii cieplnej na drodze pirolizy i gazyfikacji drewna i odpadów drewna w postaci trocin, wiórów, zrębków i kory, [Tymiński 1997, Grzybek 2002]. Do celów energetycznych wykorzystywane są również odchody zwierzęce, oczyszczalnie ścieków, wysypiska śmieci, odpady w produkcji roślinnej na drodze fermentacji metanowej, z której uzyskuje się biogaz oraz bardzo dobry nawóz. [Romaniuk, Głaszczka 2002].Biogaz uzyskiwany z spalania biomasy, stosowany jest do ogrzewania pomieszczeń w budynkach mieszkalnych, pomieszczeń produkcyjnych, podgrzewania wody użytkowej oraz w silnikach spalinowych. W ostatnich latach nastąpił szybki rozwój stosowania biopaliw, uzyskiwanych z przetwarzania nasion roślin oleistych na paliwa płynne oraz etanolu (spirytusu odwodnionego), uzyskiwanego z przetwarzania zbóż, ziemniaków, buraków i melas [Grzybek 200]. Rolnictwo może być potencjalnym dostawcą nośników energetycznych w postaci stałej tj. drewno, słoma i trawy, w postaci ciekłej tj. oleje roślinne, w postaci gazowej tj. biogaz z odchodów zwierzęcych i produkcji roślinnej. Szacuje się [Pabis J. 2002], że zasoby energii pochodzącej z biomasy wynoszą w Polsce ok. 500 PJ/rok, co przy całkowitej produkcji energii w Polsce wynoszącej ok. 4000 PJ/rok umożliwiłoby pokrycie potrzeb energetycznych w kraju o ok. 12,5%, eliminując spalanie ok. 17,0 mln ton węgla. Produkcja drewna w Polsce oceniana jest na ok. 22 mln m3 rocznie, z czego na drewno opałowe przypada ok. 3,8 mln m3 rocznie. W przemyśle drzewnym odpady drewna wynoszą ok. 12,0 mln m3 rocznie, z czego na cele energetyczne można wykorzystać 50,0% tj. 6,0 mln m3 rocznie. Z cięcia sadów [prześwietlania] i drzew z terenów miejskich i rekreacyjnych można uzyskać dodatkowo ok. 1,0 mln m3 rocznie. Łącznie na cele energii cieplnej można by wykorzystać ok. 7,0 mln m3 odpadów drewna rocznie, co jest równoznaczne ze spalaniem ok. 5,5 mln ton węgla rocznie lub ok. 4000 PJ energii cieplnej. Stanowi to ok. 2,5% całkowitego zużycia energii cieplnej w Polsce. Wg Wójcickiego [2001] energia cieplna ze spalania biomasy [drewna i ich odpadów] wynosiła w 2000 r. 55 PJ/rok, a wg prognoz w 2010 r. ma wynosić 65 PJ/rok. Zasoby słomy z uprawy zbóż, rzepaku i kukurydzy szacuje się na ok. 30 mln ton rocznie o potencjale energetycznym 495 PJ. Zakładając, że na cele energetyczne można by przeznaczyć 10% ogólnych zasobów, to pozyskana ze spalania biomasy energia cieplna wynosiłaby 49,5 PJ rocznie [Pabis J. 2002]. Oleje roślinne mogą być mieszane z olejem napędowym lub stanowić jego zamiennik, z 1,0 tony nasion rzepaku uzyskuje się 370 kg oleju. Zakładając wykorzystanie 50% zbioru rzepaku na paliwo płynne, to z 1,6 mln ton rzepaku w Polsce, można uzyskać 630 tys. ton oleju o wartości energetycznej 7,7 PJ. Warunki glebowe w Polsce pozwalają na produkcję rzepaku na ok. 30% powierzchni użytków rolnych. Wg prognoz w 2030 r. [Grzybek 2001] przewiduje się przeznaczenie na cele energetyczne, uprawy rzepaku o pow. 500 tys. ha, z której można wyprodukować 485 tys. ton biopaliwa o wartości energetycznej 17 PJ. Alkohol produkowany z ziemniaków, buraków cukrowych, 6 zbóż, melasy i owoców może być wykorzystywany na cele energetyczne, jako dodatek do benzyn. Polskie rolnictwo może wyprodukować surowce do wytwarzania ok. 250 mln l alkoholu przeznaczonego na cele napędowe o średniej wartości opałowej 27 MJ/kg i wartości energetycznej 5,4 PJ w ciągu roku. Prognozy wzrostu potencjału produkcji etanolu zakładają, że do 2030 r. ilość energii, uzyskana z produkcji etanolu będzie wynosiła 16,9 PJ. W wyniku fermentacji metanowej płynnych odchodów zwierzęcych, ścieków miejskich i wysypisk śmieci uzyskuje się biogaz. Największe możliwości produkcji biogazu mają gospodarstwa rolne. Wg Romaniuka [2000],w gospodarstwach rolnych powstaje ok. 38 mln m2 gnojowicy i 51 mln ton obornika. Pozyskiwana rocznie objętość obornika wynosi 85 mln m3. .Z 1m3 płynnych odchodów, z których można uzyskać przeciętnie 20 m3 biogazu, a z 1 m3 obornika 30 m3 biogazu. Rocznie z odchodów zwierzęcych można uzyskać 33,10 mln m3 biogazu. Wg Myczki [1995], możliwości te są większe i mogą wynosić ok. 38 mln m3 biogazu o wartości energetycznej 8,75 PJ. W Polsce jest ok. 800 zorganizowanych wysypisk o powierzchni ok. 2900 ha. Z wysypiska o powierzchni 15 ha i masie składowanych odpadów ok. 180 tys. ton, można uzyskać w ciągu roku 20 - 60 GWh energii cieplnej [Nowakowski 1995]. Prognozuje się, że z 100 wysypisk potencjał energetyczny wyniesie rocznie 7,2 PJ, a łączny potencjał energetyczny pozyskiwanego biogazu w Polsce może wynosić ok. 16 PJ. Do roku 2009 zainstalowanych było w Polsce 125 biogazowni, z których na biogazownie rolnicze przypada tylko 6 instalacji Siłownie wiatrowe. Wykorzystanie energii wiatru datuje się od ponad 2000 lat. Najwięcej siłowni wiatrowych wykorzystywanych było w rolnictwie do osuszania mokradeł, nawadniania pól, napędu młynów zbożowych, pił do cięcia drewna i tłoczenia oleju. Obecnie, siłownie wiatrowe wykorzystywane są do produkcji energii elektrycznej, napędu pompowni wiatrowych, napędu kompresorów do natleniania wód w zbiornikach wodnych i jeziorach oraz w zintegrowanych systemach energetycznych do współpracy z innymi odnawialnymi i tradycyjnymi źródłami energetycznymi. Prąd elektryczny, wytwarzany przez elektrownię wiatrową, po dostosowaniu wymaganego standardu pod względem częstotliwości napięcia, jest kierowany do transformatora głównego, a następnie do podstacji. Podstacja jest połączona z linią przesyłową wysokiego napięcia, rozprowadzającą energię elektryczną po kraju. Większość elektrowni wiatrowych pracuje w ciągu roku od 3000 – 5000 godzin. Zalety elektrowni wiatrowych są oczywiste nie dymią i nie powodują zanieczyszczenia atmosfery tlenkami siarki czy azotu, ani nie wytwarzają ozonu. ale mają też i wady: wirujące śmigła zabijają ptaki lub wydają nieprzerwanie nużący szum. Do rejonów o średnich warunkach wiatrowych należy zaliczyć: Nizinę Mazowiecką, część Kotliny Sandomierskiej, Beskid Żywiecki i Śląski, część województwa lubelskiego i rzeszowskiego oraz okolice górskie, gdzie prędkość wiatru wynosi 5-5 m/s przy potencjale 1000 - 1250 kWh/m2 rok. Powierzchnia kraju, spełniająca warunek wykorzystania energii wiatru, szacowana jest na ok. 3000 km2. Przy średnim rocznym wykorzystaniu siłowni wiatrowych ok. 1500 godz./rok wytworzona energia na tę powierzchnię może wynosić 12 GWh/rok. Ponad 30% obszaru Polski posiada korzystne warunki wykorzystania energii wiatru. rejonami gdzie występują najkorzystniejsze warunki wiatrowe są: wybrzeże, pobrzeże słowińskie, suwalszczyzna, północna część województwa warszawskiego i poznańskiego. W tych rejonach średnioroczna prędkość wiatru wynosi 5-6 m/s przy potencjale energetycznym 1250 - 2000 kWh/m2 rok (powierzchnia jaką zataczają w czasie obrotu skrzydła wirnika siłowni wiatrowej). Prognozy rozwoju odnawialnych źródeł energii w Polsce [Szeptycki 2001] zakładają, że w rolnictwie od 2010 r. wykorzystanie energii wiatru wyniesie z 2,0 PJ/rok, do 8,0 PJ/rok w 2020 r. W 2009 r. liczba instalacji wiatrowych wynosiła 282 o mocy 2189 MW i rocznej produkcji energii 800 GWh. Wody geotermalne. Wody geotermalne występują w Polsce na obszarze 251000 km2. Na tym obszarze znajduje się ok. 6687 km3 wód geotermalnych o potencjale energetycznym 34,7 mld t.p.u. (ton paliwa umownego) [Sokołowski 2002]. Polska należy do krajów o średnich zasobach wód geotermalnych. Wg Mikielewicza[1998], dotychczas zbadane i udokumentowane wody geotermalne występują głównie: 7 2 - na obszarze Niżu Polskiego o zasobach 6225 km wód geotermalnych i temperaturach 20 oC–120 o C, zawierających energię cieplną rzędu 32,4 mld t.p.u, (ton paliwa umownego), - na obszarze zapadliska karpackiego o zasobach 360 km 2 wód geotermalnych i temperaturach 35o C - 120 o C, zawierających energię cieplną 1,5 mld t.p.u, - w rejonie Karpat Polskich o zasobach ok. 100 km2 wód geotermalnych i temperaturach 35o C - 120 o C, zawierających energię cieplną ok. 700 mln t.p u. Obecnie w Polsce eksploatowanych jest 6 zakładów geotermalnych. Energia cieplna pozyskiwana z wód geotermalnych zrosła z 900 TJ w 2005 r. do 1500 TJ w 2009 r. Pompy ciepła. W przyrodzie znajdują się źródła ciepła o stosunkowo niskich temperaturach, które można wykorzystać. Jeżeli temperatura źródła ciepła nie jest wysoka rzędu. 10 - 30°C np.: temperatura wody w morzach, rzek ach, jeziorach, ziemi, powietrza otoczenia, powietrza w budynkach inwentarskich, podczas chłodzenia mleka, w przetwórstwie rolno -spożywczym w szklarniach, to ciepło zawarte w tych źródłach można odzyskać częściowo za pomocą pomp ciepła. Pompy ciepła znane są od kilkudziesięciu lat, a pierwsze rozwiązania konstrukcyjne zaczęto realizować w latach trzydziestych. Podstawy teoretyczne działania pomp ciepła opracował i przedstawił w 1852 r. profesor z Uniwersytetu w Glasgow w Szkocji Wiliam Thompson znany jako Lord Kelvin. Nazwa pompy ciepła wywodzi się od analogii do pompy wodnej, która za pomocą energii dostarczonej z zewnątrz może przekazywać ciecz z niższego poziomu na poziom wyższy. Zasada działania pompy ciepła jest analogiczna do działania chłodziarki. Pompa ciepła i chłodziarka realizują ten sam obieg termodynamiczny zwany „lewobieżnym”, w odróżnieniu od silnika cieplnego pracującego w obiegu „prawobieżnym”. Różnica pomiędzy pompą ciepła a chłodziarką polega na sposobie przenoszenia ciepła. Zadaniem chłodziarki jest przenoszenie ciepła z układu o temperaturze niższej od temperatury otoczenia do układu o temperaturze wyższej od temperatury otoczenia kosztem energii doprowadzonej z zewnątrz. Zadaniem pompy ciepła jest pobieranie ciepła przy niższej temperaturze, doprowadzenie energii i wykonywanie pracy, co pozwala na podwyższenie temperatury czynnika krążącego w obiegu oraz wykorzystanie ciepła, które może być odebrane przy temperaturze wyższej od temperatury otoczenia. W praktyce stosowane są pompy sprężarkowe i absorpcyjne. Moc zainstalowanych pomp ciepła w zakładach geotermalnych wzrosła z 100 MW w 2005 r. do 200 MW w 2009 r. Wg prognoz do 2020 r. moc pomp ciepła ma wzrosnąć do 518 MW. Energia wodna. Potencjał energetyki wodnej w Polsce nie jest wysoki. Składają się na to niskie opady i nizinne położenie Polski. Teoretyczny potencjał energetyczny zasobów wodnych określany jest na 23 – 25 TWh/a, [Stehler 2002], a techniczny na 12 – 13 TWh/a, [Sowinski 1997]. Największe zasoby znajdują się w dorzeczu Wisły(68%), pozostałe należą do Odry i rzek Przymorza. Obecnie w Polsce czynnych jest 12 elektrowni wodnych przepływowych o mocach powyżej 5 MW i 570 małych elektrowni wodnych (MEW) o mocach poniżej 5 MW. Całkowita produkcja energii elektrycznej w 2000 r. wynosiła ok. 2500 GWh. W Polsce większość MEW pracuje z siecią państwową. Po roku 1981 zgodnie z uchwałą Rady Ministrów nr 192 nastąpił rozwój MEW. Po roku 1981 uruchomiono kilkadziesiąt MEW rocznie, a pod koniec 1995 r. pracowało 107 MEW będących własnością energetyki i 264 MEW będących własnością prywatną lub spółek i spółdzielni. Przedstawione w skrócie zasoby odnawialnych źródeł energii pozwalają na ocenę stanu obecnego, jak też prognozowanie ich rozwoju w dalszych latach. Wg Wójcickiego [2007] w tabeli 1 przedstawiono stan i prognozy udziału rolnictwa w krajowym bilansie potrzeb bezpośrednich nośników energetycznych i wykorzystanie odnawialnych źródeł energii. 8 Tabela 1. Stan i prognoza udziału rolnictwa w krajowym bilansie potrzeb bezpośrednich nośników energetycznych i wykorzystanie odnawialnych źródeł energii Liczba jednostek w roku Rodzaj parametru prognozy J. m 1996 Krajowe potrzeby energetyczne PJ 4150 Potrzeby energetyczne rolnictwa PJ 342 Udział rolnictwa w potrzebach % 8,2 energetycznych kraju Potrzeby energetyczne wsi i rolnictwa PJ 1060 Udział wsi i rolnictwa w potrzebach energetycznych % 25,5 kraju Krajowe wykorzystanie OZE PJ 145 Udział OZE w krajowym bilansie % 3,5 energetycznym Wykorzystanie OZE na wsi i w rolnictwie PJ 80 Wykorzystanie OAE w rolnictwie i rolniczych gospodarstwach PJ 47 domowych Udział OZE w bilansie % 7,5 energetycznym wsi i rolnictwa Udział OZE w bilansie % 13,7 energetycznym rolnictwa Źródło: Studia prognostyczne IBMER, 2005 r. 3. 2002 2005 2010 2020 2030 4250 320 7,5 4350 308 7,1 4600 290 6,3 5300 258 4,9 5900 230 3,9 1080 1010 1150 1280 1400 25,4 25,3 25,0 24,2 23,7 170 4,0 210 4,8 345 7,5 724 14,0 1180 20,0 90 100 145 273 385 49 52 60 78 83 8,3 9,1 12,7 21,3 27,5 15,3 16,9 20,7 30,2 36,0 Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w rolnictwie 3.1. Kolektory słoneczne w produkcji rolniczej Promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni Ziemi, oprócz decydującego wpływu na życie biologiczne ziemi, może być również wykorzystywane przez człowieka w różny sposób i dla różnych celów. Najczęściej energia słoneczna wykorzystywana jest w praktyce do podgrzewania wody użytkowej i powietrza. Jest ona również wykorzystywana do bezpośredniego przetwarzania na energię elektryczną w fotoogniwach, zwanych często ogniwami słonecznymi, Urządzeniami umożliwiającymi wykorzystywanie energii słonecznej są kolektory słoneczne zwane często instalacjami słonecznymi, jeżeli kolektory słoneczne wyposażone są w dodatkowe urządzenia towarzyszącej, tj. zbiorniki wodne akumulacyjne, pompy wodne, wentylatory. Nazwa „kolektor” wywodzi się od słowa łacińskiego „collectos”zbiór, bowiem energia cieplna przemiany promieniowania słonecznego zbierana jest w jedno miejsce z całej powierzchni kolektora. W zależności od czynnika będącego nośnikiem ciepła, kolektory dzielimy na: - kolektory powietrzne, - kolektory cieczowe. W kolektorach powietrznych w zależności od zastosowania i budowy można wyróżnić na stępujące rodzaje kolektorów: - kolektory odkryte, - kolektory zakryte. Kolektory dzielą się na: - kolektory o rozwiniętej powierzchni z absorberami płaskimi, falistymi, trapezowymi i płytowymi, - kolektory z absorberami porowatymi, - kolektory z absorberami tworzywowymi Kolektory cieczowe dzielą się na: - kolektory płaskie - płytowe, 9 - kolektory skupiające zwane również koncentrycznymi, - kolektory próżniowe. Pierwszy podział jest podziałem podstawowym, nie wyczerpuje jednak podziału na wiele innych rodzajów kolektorów powietrznych i cieczowych. Sprawność cieplna kolektorów zależy od rodzaju kolektora. Istnieje jednak możliwość znacznego zwiększenia sprawności cieplnej kolektorów nawet do 70 - 80% poprzez zastosowanie absorbera z rozwiniętą powierzchnią wykonanego z warstwy wiórek metalowych, skonstruowanym w IBMER, [Gołębiowski 1992]. Dotychczasowe badania kolektorów słonecznych do podgrzewania powietrza wskazują, że w warunkach krajowych w miesiącach letnich (maj – sierpień) możliwe jest uzyskanie przyrostu temperatury podgrzanego powietrza rzędu 4-12 K, zaś w kolektorze z rozwiniętą powierzchnią od 15-18 K. [Pabis J. Gołębiowski St. 1987]. Kolektory słoneczne wszystkich typów, zarówno do podgrzewania wody i podgrzewania powietrza, mogą być stosowane w rolnictwie w bardzo szerokim zakresie. Rolnictwo bowiem charakteryzuje się dużym zapotrzebowaniem na nisko temperaturowe źródła energii w różnych technologiach produkcji rolniczej oraz w gospodarstwach domowych, a mianowicie: - podgrzewanie wody użytkowej do celów technologicznych w technologiach produkcji żywności, do celów sanitarnych w gospodarstwach domowych, - podgrzewanie wody użytkowej do nawadniania i deszczowania roślin produkowanych pod osłonami (szklarnie i tunele foliowe), - podgrzewanie wody użytkowej w budynkach inwentarskich do przygotowywania paszy dla zwierząt oraz w zbiornikach wodnych hodowli ryb i narybku, - podgrzewania powietrza w urządzeniach suszarniczych oraz przechowalniach warzyw (obsuszania warzyw po zbiorze) i owoców, - podgrzewania powietrza w budynkach technologicznych (chlewnie, obory, stajnie, kurniki) i mieszkalnych, - zastosowanie ogniw fotowoltaicznych do napędu urządzeń sterujących, sygnalizacyjnych i aparatury kontrolno pomiarowej, - w energetycznych systemach zintegrowanych do współpracy z innymi odnawialnymi i, tradycyjnymi źródłami energii. (kolektory słoneczne z pompami ciepła i siłowniami wiatrowymi, kolektory słoneczne z biogazowniami i kotłami opalanymi węglem). Możliwości szerokiego zastosowanie kolektorów słonecznych w rolnictwie, uzasadnione jest nie tylko zapotrzebowaniem na energię cieplną, szczególnie niskotemperaturową w miesiącach letnich, ale również dobrymi warunkami do ich instalowania. Nie bez znaczenia jest również możliwość budowy systemem gospodarczym lub przez małe zakłady rzemieślnicze kolektorów do podgrzewania powietrza, z uwagi na ogólnie dostępny materiał na ich budowę oraz łatwość wykonania i montażu. Kolektory słoneczne najszersze zastosowanie znalazły w budynkach mieszkalnych. Na rysunku 1. pokazano przykładowo zastosowanie kolektora do podgrzewania wody użytkowej do celów sanitarnych [Pabis 1987]. Kolektory słoneczne cieczowe produkowane są przeważnie jako kolektory płaskie płytowe, zamknięte z jedną lub wieloma osłonami przezroczystymi. Ta instalacja słoneczna również pracuje w obiegu otwartym [bez wymiennika ciepła w zbiorniku akumulacyjnym]. Zgodnie z podziałem kolektorów, w praktyce stosowane są również kolektory skupiające, próżniowe, akumulacyjne oraz tworzywowe. Kolektory cieczowe stosowane są głównie do podgrzewania wody użytkowej do celów sanitarnych, wspomagania instalacji grzewczych budynków, podgrzewania wody technologicznej w przetwórstwie produktów rolniczych, podgrzewania wody do nawadniania roślin uprawianych w szklarniach, tunelach foliowych i ogrzewania podłoża oraz ogrzewania wody w basenach kąpielowych. Podczas pracy kolektora ze zbiornikiem wodnym magazynującym ciepłą wodę i jej recyrkulacji przez kolektor, można w ciągu dnia (8 - 10 h) uzyskać przyrost temperatury wody o ok. 30 - 40 K. Kolektory cieczowe pracują w obiegu naturalnym (grawitacyjnym), przy czym zbiornik wodny instalowany jest nad kolektorem lub w obiegu wymuszonym z zastosowaniem pompy wodnej. Zbiornik wodny w obiegu wymuszonym instalowany jest poniżej kolektora. Istnieją dwa rodzaje podgrzewania cieczy bezpośredni, kiedy ciecz z kolektora (absorbera płytowego 10 lub rurkowego) wpływa do zbiornika akumulacyjnego, a stamtąd pobierana jest przez użytkownika, lub pośrednio, kiedy w spiralnym rurkowym wymienniku ciepła zainstalowanym w zbiorniku akumulacyjnym krąży płyn nie zamarzający (borygo), ogrzewając wodę w zbiorniku akumulacyjnym. W zależności od zakresu podgrzanej wody użytkowej, kolektory dzielą się na 3 grupy: - nisko temperaturowe, w których podgrzewa się wodę do 100oC, - średniotemperaturowe, w których podgrzewa się wodę do temperatury 100-200oC, - wysokotemperaturowe, w których osiąga się temperatury do 200– 3000°C. Rys. 1. Kolektor słoneczny do podgrzewania wody w domu jednorodzinnym; 1-kolektor, 2-zbiornik wody, 3-dodatkowy zbiornik wody, 4-grzałka elektryczna, 5-piec opalany węglem, 6,7.8,9 pompy, 10-wanna, 11-natrysk 12-umywalka W pierwszej grupie stosuje się kolektory płaskie płytowe, natomiast w grupie drugiej i trzeciej kolektory skupiające. W rolnictwie istnieje duże zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową. Jest ona wykorzystywana przez cały rok, zarówno do celów sanitarnych w budynkach mieszkalnych, jak i w budynkach inwentarskich do mycia aparatury udojowej, do celów pielęgnacyjnych (mycia wymion przed dojeniem, mycia krów przed ocieleniem), weterynaryjnych, nawadniania roślin w gruncie i w produkcji warzyw pod osłonami. W warunkach wiejskich zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową o temperaturze 45oC w budynkach mieszkalnych wynosi 60 - 100 litrów na dobę na jednego mieszkańca, zaś w budynkach inwentarskich zapotrzebowanie na wodę o temperaturze 70-75oC wynosi 10 - 15 litrów na dobę na 1 stanowisko, [Tymiński 1997]. Całoroczną eksploatację umożliwiają tzw. układy pośrednie, w których w kolektorze ze zbiornikiem wodnym krąży (wymiennik rurkowy) płyn niezamarzający. Czynnik grzewczy niezamarzający z kolektora przepływa w wymienniku ciepła (wężownica) i podgrzewa wodę użytkową w zbiorniku będącym jednocześnie zbiornikiem akumulacyjnym. Obieg czynnika grzewczego może być grawitacyjny lub wymuszony pompą wodną. Oprócz możliwości stosowania tych układów w ciągu całego roku, absorbery tych kolektorów są odporniejsze na korozję. Kolektory pracujące w układzie grawitacyjnym nie wymagają automatyki, natomiast kolektory pracujące w układach wymuszonych wymagają automatycznego sterowania pracą pompy. W różnych porach roku, zwłaszcza podczas złej pogody gęstość strumienia energii słonecznej jest mała, co uniemożliwia uzyskanie wymaganej temperatury wody. W tym przypadku stosuje się zainstalowane w zbiorniku podgrzewacze elektryczne lub gazowe albo z dodatkowym zbiornikiem wodnym, ewentualnie mogą być stosowane wodne wymienniki ciepła w piecach, 11 opalanych paliwem stałym, ciekłym lub gazowym. W tabeli 2 zestawiono stosowanie kolektorów słonecznych w różnych systemach ogrzewczych. Tabela 2. Zastosowanie kolektorów słonecznych w różnych systemach ogrzewczych Dane baseny o Typowy przyrost temperatury, C 0 - 10 Ogrzewanie Domy jednorodzinne c.w.u c.w.u + c.o 40 - 70 Domy wielorodzinne c.o 30 - 50 30 - 60 2 0,5 – 0,7 powierzchni 2 basenu, m 1–2m na osobę 0,1 – 0,3 m 2 na m powierzchni mieszkalnej Zależnie od potrzeb 250 - 300 300 - 500 100 - 300 300 - 500 Stopień zaspokojenia potrzeb, % Lato 70 - 95 40 – 60 max do 90 30 – 50 w zależności od lokalizacji 10 - 90 Zbiornik akumulacyjny zbiornik wodny, basen 200 – 1000 l ciśnieniowy ciśnieniowy ciśnieniowy lub akumulacja w gruncie Zalecana powierzchnia 2 kolektorów, m Energia użyteczna z kolektora 2 kWh/m / rok 2 3.2. Suszarnictwo produktów rolniczych W produkcji rolniczej, co roku suszy się ok. 5 mln. ton ziarna zbóż, ok. 4,0 mln. pasz zielonych, tytoniu, ziół, nasion warzyw i innych produktów rolniczych. W ostatnich latach ze wzrostem zainteresowania wykorzystaniem biomasy (odpady drewna, wiklina i inne uprawy roślinne) na cele energetyczne, powstała konieczność suszenia i tych surowców przed dalszym ich przetwarzaniem np. na brykiety lub pelety. Suszarnictwo rolnicze jest jednym z najbardziej energochłonnych procesów konserwacji produktów rolniczych, na które to zużywa się co roku ok. 0,7 - 1,2 mln. ton węgla ciekłym. Dotychczasowe prace badawcze [Pabis J. 1967, 1980,1987], [Pabis S. 1982], [Leszczyński M., Pabis J. 1980], [Riva, Mazzotto 1985], [Kozłowski 1987] wskazują, że zastosowanie do suszenia kolektorów słonecznych w nieskomplikowanych suszarkach podłogowych i silosach zbożowych umożliwia znaczne obniżenie zużycie paliwa w granicach 20 - 25%, a stosowanie stosunkowo niskich temperatur czynnika suszącego umożliwia uzyskanie lepszej jakości suszonych produktów, co ma istotne znaczenie podczas suszenia materiałów nasiennych oraz ziół i tytoniu jak też obniżenie emisji do atmosfery szkodliwych produktów spalania paliw tradycyjnych. Na rysunku 2 pokazano przykładowo zastosowanie płaskiego płytowego kolektora do suszenia ziarna zbóż na suszarce podłogowo kanałowej. Rys. 2. Kolektor słoneczny do suszenia ziarna zbóż na suszarce podłogowo-kanałowęj: 1-kolektor słoneczny, 2-podgrzewacz powietrza, 3-wentylator. 12 Powierzchnia czynna suszarki wynosi 60 m2 o możliwości suszenia ok. 30-30 ton ziarna zbóż i innych nasion. Dla uniezależnienia się od warunków atmosferycznych, zainstalowano do suszarki podgrzewacz powietrza o mocy cieplnej 60 kW, opalany węglem. Kolektory słoneczne mogą być również stosowane do suszenia ziarna zbóż w różnego rodzaju silosach zbożowych suszarniczych. Na rysunku 3 pokazano zastosowanie kolektora słonecznego do suszenia ziarna zbóż w silosie zbożowym o pojemności 30 ton. Podczas suszenia ziarna zbóż w silosie, przyrost temperatury powietrza otoczenia podczas suszenia wynosił średnio 5 K. Masa odparowanej wody z objętości 1 m3 ziarna w silosie wynosiła 0,92 kg wody na godzinę przy szybkości suszenia 37,0 kgH2O/h. Podczas suszenia ziarna zbóż w sierpniu, średnia gęstość strumienia ciepła wynosiła 300 W/m2 przy średnim przyroście temperatury powietrza 6 K. W ciągu roku oszczędność paliwa (węgla) wynosiła ok. 2000 kg. Z uwagi na zmienne warunki atmosferyczne, silosy zbożowe suszarnicze powinny być wyposażone w podgrzewacze powietrza opalane węglem, paliwem ciekłym lub w elektryczne podgrzewacze powietrza. Dotychczasowe wyniki badań krajowych i zagranicznych, zastosowania kolektorów słonecznych do suszenia ziarna zbóż w silosach zbożowych wskazują, że oszczędność energii cieplnej i paliw może wynosić 20 – 30%. W sezonie letnim średnia gęstość strumienia cieplnego uzyskanego z kolektora wynosi 400 – 430 W/m2, przy średnim przyroście temperatury powietrza 8 -10 K. W ciągu roku podczas suszenia ziarna zbóż w silosie oszczędność paliwa wynosi 12 - 15 ton węgla. Podgrzewacz powietrza, włączany jest w przypadku złej pogody, lub dogrzewa powietrze z kolektora przy zbyt niskich temperaturach powietrza otoczenia. Kolektory słoneczne mogą również znaleźć zastosowanie do suszenia tytoniu i zielonek wstępnie podsuszanych na pokosie. W porównaniu do tradycyjnych metod suszenia zielonek, na pokosie, kiedy to straty białka wynoszą 40 - 60%, suszenie zielonek wstępnie podsuszonych na pokosie od wilgotności względnej ok. 80,0% do 35 - 40% w ciągu 1 -2 dni, a następnie, wysuszenie jej na suszarkach podłogowo – rusztowych powietrzem nieogrzewanym z zastosowaniem wentylatorów osiowych, umożliwia obniżenie strat białka do ok. 15 - 20%, co w rezultacie prowadzi do zwiększenia plonu białka o 150 - 200 kg z 1 hektara i uzyskania zwiększenia produkcji mleka z 1 hektara o 1500 - 2000 litrów rocznie. Rys. 3. Zastosowanie kolektora słonecznego do suszenia ziarna zbóż w baterii 4 silosów zbożowych, każdy o pojemności 30 ton: kolektory słoneczne: 1-wentylator, 2-przewód powietrzny, 3,4-przewody powietrzne 4-silosy zbożowe, 5-kolektory słoneczne Do suszenia ziarna zbóż, nasion warzyw i obsuszania cebulek kwiatowych po zbiorze oraz podkiełkowywania ziemniaków przed sadzeniem na suszarce o powierzchni 70 m2, zastosowano kolektor słoneczny o powierzchni 144 m2. Badania kolektora oraz kilkuletnia eksploatacja wykazała bardzo dobre jego wykorzystanie ciągu roku, wynoszące 800 -1000 godzin. W sezonie letnim średnia gęstość strumienia cieplnego uzyskanego z kolektora wynosi 400 – 430 W/m2, przy średnim przyroście temperatury powietrza 8 -10 K. W ciągu roku podczas suszenia ziarna zbóż w silosie oszczędność paliwa wynosi 12 - 15 ton węgla. Podgrzewacz powietrza włączany jest w przypadku złej pogody lub dogrzewa powietrze z kolektora podczas zbyt niskich temperatur powietrza otoczenia. 13 Kolektory słoneczne mogą również znaleźć zastosowanie do suszenia tytoniu i zielonek wstępnie podsuszanych na pokosie. Średnia gęstość strumienia ciepła 300 W/m2, uzyskiwana w kolektorze gęstość strumienia cieplnego, umożliwia sezonową oszczędność węgla ok. 700 - 800 kg/rok. W porównaniu do tradycyjnych metod suszenia zielonek na pokosie, kiedy to straty białka wynoszą 40 - 60%, suszenie zielonek wstępnie podsuszonych na pokosie z od wilgotności względnej ok. 80,0% do 35 - 40% w ciągu 1 -2 dni, a następnie, wysuszenie jej na suszarkach podłogowo – rusztowych powietrzem nieogrzewanym z zastosowaniem wentylatorów osiowych, umożliwia obniżenie strat białka do ok.15 - 20%, co w rezultacie prowadzi do zwiększenia plonu białka o 150 - 200 kg z 1 hektara i uzyskania zwiększenia produkcji mleka z 1 hektara o 1500 - 2000 litrów rocznie. Zastosowanie kolektora słonecznego umożliwia również skrócenie czasu suszenia nieogrzewanym powietrzem, z ok. 100 - 120 godzin do ok. 50 - 60 godzin, co, pozwala na oszczędność ok. 500 - 600 kWh energii elektrycznej na napęd silnika elektrycznego wentylatora [Pabis J. 2002]. W tabeli 3 zestawiono porównanie suszenia lucerny i koniczyny powietrzem nie ogrzewanym i powietrzem ogrzanym z kolektora słonecznego. Tabela 3. Porównanie suszenia lucerny i koniczyny powietrzem nie ogrzanym i powietrzem ogrzanym z kolektora słonecznego Masa odparowanej Zużycie energii wody elektrycznej Sposób suszenia Powietrze nie ogrzewane 3,14 108 Kolektor słoneczny 7,72 37,4 3.3. Produkcja warzyw pod osłonami Jednym z warunków opłacalności uprawy warzyw w tunelach foliowych jest jak najwcześniejsze rozpoczęcie uprawy (pomidory, sałata - marzec, ogórki – kwiecień). Jest to możliwe tylko w ogrzewanych tunelach, ze względu na wymaganą temperaturę, która to powinna wynosić 12 - 15oC, gdyż foliowy płaszcz tunelu nie chroni roślin przed ich przemarzaniem podczas wiosennych przymrozków. Ogrzewanie tuneli foliowych paliwem stałym, ciekłym lub gazowym jest drogie. Wysokie koszty wynikają z dużych strat ciepła z wnętrza tunelu przez dużą powierzchnię płaszcza tunelu do otoczenia, podczas niskich zewnętrznych temperatur w miesiącach wiosennych. Ilość ciepła dostarczanego do tunelu foliowego powinna pokryć straty ciepła do otoczenia oraz uzyskać wewnątrz tunelu wymagane temperatury dla produkcji warzyw. Ilość ciepła zależy, zatem od zewnętrznych temperatur, wielkości tunelu foliowego, powierzchni płaszcza foliowego oraz wymaganych temperatur uprawy. Obecnie kolektory słoneczne, pompy ciepła, wymienniki ciepła oraz akumulatory ciepła mogą znajdować szerokie zastosowanie w produkcji warzyw pod osłonami (szklarnie, tunele foliowe). Znajdują tu zastosowanie kolektory do podgrzewania wody stosowanej do podgrzewania podłoża i nawadniania roślin oraz kolektory do podgrzewania powietrza wykorzystywanego do ogrzewania wnętrza szklarni i tuneli foliowych oraz ogrzewania i dotleniania podłoża. Z uwagi na uzależnienie kolektora słonecznego od warunków atmosferycznych, powinno stosować się tradycyjne metody podgrzewania, a kolektor słoneczny byłby wtedy uzupełniającym źródłem energii cieplnej, umożliwiającym obniżenie zużycia tradycyjnych paliw o ok. 20 - 30%, [Leszczyński M., Pabis J. 1991]. Najlepsze jednak efekty energetyczne i ekonomiczne można uzyskać podczas współpracy kolektorów słonecznych z innymi odnawialnymi źródłami energii w systemie zintegrowanym [Pabis J. 2002]. Wyniki prac badawczych, [Kurpaska, Gumkowski 2000], wykazały, że ogrzewanie tunelu foliowego, jak i utrzymanie odpowiedniej temperatury 14 podłoża, wpływa na optymalne warunki rozwoju roślin. W ostatnich latach na Wydziale Techniki i Energetyki Rolnictwa Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie prowadzi się interesujące prace z zakresu wykorzystania odnawialnych źródeł energii oraz akumulacji ciepła [Rutkowski, Kurpaska 2007, Latała 2010]. 3.4. Wykorzystanie biomasy na cele energetyczne. Pod pojęciem biomasy rozumiemy materie pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, która ulega biodegradacji, substancje pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także przemysłu przetwarzającego ich produkty oraz inne części odpadów, które ulegają biodegradacji. Biomasa jest materią organiczną zawartą w organizmach roślinnych lub zwierzęcych. Biomasę pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego można wykorzystać na cele energetyczne przez spalanie, fermentację metanową (biogaz), produkcję biopaliw lub na produkcję nawozów przez kompostowanie. Może ona pochodzić z celowego działania człowieka w uprawach roślinnych tj. zboża, rzepak, burak cukrowy, ziemniaki, z tzw. plantacji wikliny, plantacji traw, produkcji sadowniczej, zieleni miejskiej, odpadów leśnych oraz jako organiczne pozostałości i odpady z produkcji rolniczej [Pabis J. 2002], tj. - pozostałości roślin uprawowych np.: słoma zbożowa, słoma rzepakowa, słoma kukurydziana, osadki kukurydzy i inne, - odpady w produkcji leśnej i przemyśle drzewnym, - odpady zwierzęce, (tłuszcze z mięsa wieprzowego, wołowego, kurzego), odchody, gnojowica, - odpady organiczne komunalne. Do celów energetycznych wykorzystywane są również odchody zwierzęce, oczyszczalnie ścieków, wysypiska śmieci, odpady w produkcji roślinnej na drodze fermentacji metanowej, z której uzyskuje się biogaz oraz bardzo dobry nawóz. Biogaz uzyskiwany z spalania biomasy, stosowany jest do ogrzewania pomieszczeń w budynkach mieszkalnych, pomieszczeń produkcyjnych, podgrzewania wody użytkowej oraz w silnikach spalinowych. W ostatnich latach nastąpił szybki rozwój stosowania biopaliw uzyskiwanych z przetwarzania nasion roślin oleistych na paliwa płynne oraz etanolu (spirytusu odwodnionego), uzyskiwanego z przetwarzania zbóż, ziemniaków, buraków i melasy. Biomasa w produkcji rolniczej może być wykorzystana w szerokim zakresie do celów energetycznych na drodze jej spalania, tj: drewna opałowego, odpadów drewna w produkcji leśnej i przemyśle drzewnym, słomy, traw w różnego rodzaju piecach, kotłach wodnych i parowych, podgrzewaczach powietrza stosowanych do ogrzewania domów mieszkalnych, kotłowni osiedlowych, suszarnictwie rolniczym, przetwórstwie rolno - spożywczym, owocowo - warzywnym do ogrzewania szklarni i tuneli foliowych oraz w innych technologiach produkcji rolniczej. Biomasa może też być wykorzystana do produkcji energii cieplnej na drodze pirolizy i gazyfikacji drewna i odpadów drewna w postaci trocin, wiórów, Drewno opałowe twarde i miękkie, uzyskuje się z pni drzew, gałęzi i korzeni pociętych na kawałki o średnicy 5 - 10 cm i długości 15-35 cm. Oprócz pociętych części drzewa stosuje się i inne formy drewna tj. zrębki, trociny, korę, brykiety i pelety. Na proces spalania drewna, a szczególnie sprawność cieplną,, masę odpadów paleniskowych oraz emisje do atmosfery szkodliwych produktów spalania, mają wpływ właściwości fizyczne i cieplne drewna; Bardzo istotną właściwością drewna opałowego jest wilgotność względna. Po ścięciu drewna miękkich gatunków drzew liściastych wynosi 40 - 50%, a gatunków drzew twardych 35 - 45%, po wysuszeniu naturalnym w okresie letnim wilgotność względna może wynosić ok. 15%. Wilgotność względna ma znaczny wpływ na dolną wartość opałową. Podczas spalania zrębków drewna sprawność cieplna pieców i kotłów zależy od ich wilgotności. Dlatego też zarówno obniżenie wilgotności zrębków od 60% do 15 - 20% na drodze ich naturalnego lub sztucznego suszenia, jak też i sposób przechowywania ma istotny wpływ na jakość paliwa. Wg Sztybera. [2001] przechowywanie zrębków drewna w dużych pryzmach o objętości od kilku do kilkudziesięciu tysięcy m3 i wysokości 10 - 12 m jest niewskazane, bowiem wewnątrz pryzm zachodzi proces samozagrzewania często do temperatur 50-70°C czemu towarzyszy 15 rozwój pleśni i grzybów oraz wtórne nawilgacanie się warstw powierzchniowych zrębów. Zjawisko to występuje przy różnych formach rozdrobnionego drewna, nawet przy stosowaniu wymuszonego przepływu nieogrzewanego powietrza przewietrzania podczas przewietrzania, dlatego tez należy suszyć zrębki w mniejszych pryzmach o wysokości 1,5 - 2,0 m powietrzem podgrzanym o temperaturze 3 - 6°C powy żej temperatury powietrza otoczenia (podwyższenie temperatury powietrza o 1,0 K powoduje obniżenie wilgotności względnej powietrza o 6%). Szybkość i jakość suszonych zrębów zależy od temperatury i prędkości przepływu powietrza przez warstwę zrębów w pryzmie, wysokości warstwy, rodzaju drewna, rozdrobnienia i jednorodności. Proces wymiany ciepła i masy (wody) podczas suszenia zrębków drewna zależy również od stanu powierzchni ich ścięcia. Wynika to z anizotropii drewna, którego ruch wody na zewnątrz, jak też i nawilgacanie wzdłuż włókien, jest znacznie większa niż w poprzek włókien. Zgniecenie powierzchni ścięcia tępym narzędziem zaślepia kapilary i utrudnia usuwanie wody ze zrębków. Innym sposobem przetwarzania biomasy drzewnej jest produkcja peletów i brykietów z wiór i trocin. Oprócz zrębków, brykietów i peletów wykorzystuje się do spalania korę z drzew, trociny i wióry. Paliwo z drzewa spalane jest w kotłach i piecach z ręcznym załadunkiem oraz w kotłach sterowanych automatycznie załadunkiem. W ostatnich latach, poszukując innych paliw stałych niż drewno z lasów, odpadów z przemysłu drzewnego i słoma biomasy, zwrócono uwagę na wierzbę. Sprawił to 10 krotnie szybszy wzrost masy niż np. sosny oraz wykorzystywanie wierzby w powstrzymywaniu erozji gleby, rekultywacji gleby, umacnianiu gruntu oraz jej korzystny wpływ na środowisko (biodegradacja metali z osadów ściekowych, ochrona cieków wodnych). Wg Dubasa [2003] na świecie występuje ok. 300 - 500 gatunków wierzby, w tym w Polsce 28 gatunków. Najpopularniejszymi gatunkami przeznaczonymi na cele energetyczne są: Salix viminalis i Salix purpura (wierzba konopiana). Na cele energetyczne można również wykorzystać rośliny wieloletnie z rodziny krzewów ślazowatych jak, np. ślazowiec pensylwański, z słonecznik bulwiasty oraz topinambur z rodziny astrowatych. Spośród traw wieloletnich, do celów energetycznych najbardziej jest przydatny miskant olbrzymi, miskant cukrowy, spartina preriowa oraz palczatka. Rośliny te pochodzą z Japonii i Indochin. Miskant olbrzymi osiąga wysokość 2,0 - 3,0 m, zaś miskant cukrowy 1,0 - 4,0 m. Spartina preriowa tworzy kępy o wysokości ok. 2,0 m, pochodzi z Ameryki Północnej. Palczatka tworzy również kępy o wysokości źdźbeł 1,0 - 2,50 m. Z wymienionych traw ze względu na wysokie plony ok. 20 t s m/ha na rok i długotrwałość plantacji ok. 20 lat, najszersze zastosowanie do celów energetycznych znalazł miskant olbrzymi. Wartość opałowa miskanta o wilgotności ok. 18,0% wynosi 15-17 MJ/kg. Spalanie miskanta, zebranego z powierzchni 1,0 ha przy plonie 30 ton suchej masy, równoważne jest spalaniu 20 ton węgla o wartości opałowej 25 MJ/kg. W produkcji ziarna zbóż i roślin oleistych oraz strączkowych uzyskuje się w Polsce ok. 30 mln ton słomy. Do niedawna słoma używana była w rolnictwie jako materiał ściółkowy w chowie zwierząt i jako składnik pasz. Począwszy od lat osiemdziesiątych nastąpił spadek zapotrzebowania na słomę w produkcji zwierzęcej i na cele nawozowe. Szacuje się, że nadwyżki słomy w ostatnich latach wynoszą średnio 1,0 -1,4 mln ton. W 2009 r. nadwyżka słomy, którą można wykorzystać na cele energetyczne wynosiła 2,6 mln ton [Grzybek 2010], co jest równoważne spalaniu 1,7 mln ton węgla. Spalanie 1,5 tony słomy odpowiada spalaniu 1,0 tony węgla. Słoma zbożowa lub rzepakowa zebrana z 1 ha przy plonie 3,5 - 3,8 t/ha umożliwia uzyskanie energii cieplnej równoważnej spalaniu 1,5 tony węgla. Masa słomy zbożowej zbieranej z powierzchni 5,0 ha umożliwia ogrzanie jednorodzinnego domu wiejskiego w okresie zimowym. Na rysunku 4 pokazano przykładowo piec do spalania rozdrobnionej słomy zainstalowany w Lubaniu [Gradziuk P. i in. 2002]. Wartość opałowa suchej słomy wynosi 16 – 17 MJ/kg. Za optymalną wilgotność słomy, jako paliwa, należy uznać wilgotność względną 18 - 20%. Nadmierna wilgotność słomy nie tylko ma wpływ na obniżenie się wartości opałowej, ale wpływa również na proces spalania i wzrost emisji zanieczyszczeń w spalinach. Słoma zawiera znaczne ilości chloru i azotu, a więc pierwiastków, które w procesie spalania powodują emisje tlenków azotu NOX a zawartość krzemu i potasu powoduje zapiekanie rusztów żużlem w paleniskach pieców i 16 kotłów oraz powstawanie korozji na metalowych elementach [Dreszer i in. 2003] . Emisje tlenków azotu są wyższe niż podczas spalania węgla. Rys. 4. Kotłownia opalana słoma o mocy 1 MW w Lubaniu Słoma może być spalana w postaci sieczki, sprasowanych balotów oraz w postaci pelet. W ostatnich latach wzrosło zainteresowanie wykorzystaniem traw do celów energetycznych. Łąki i pastwiska zajmują w Polsce 3,9 mln ha, co stanowi 20% użytków w rolnictwie. Wg Terlikowskiego[2010] wyniki badań wskazują, że potencjalna masa z trwałych użytków zielonych, możliwa do wykorzystania na cele energetyczne, wynosi 2,1 mln ton suchej masy o średniej wartości opałowej 14,8 MJ/kg. Jedna tona siana jest równoważna 0,615 tony węgla o wartości opałowej 24 MJ/kg. Spalenie zebranej biomasy z trwałych użytków zielonych w Polsce jest równoznaczne spaleniu 1,3 mln ton węgla. 3.5. Biopaliwa Produkcja biogazu W odróżnieniu od wykorzystania różnych rodzajów masy roślinnej na cele energetyczne do ich spalania tj. drewno, słoma, wierzba i trawy inną formą wykorzystania biomasy w postaci stałej, wilgotnej lub płynnej, tj odchody zwierzęce, ścieki komunalne i przemysłowe oraz różne odpady roślinne produkcji roślinnej uprawy roślinnej, jest produkcja gazu metanowego zwanego biogazem. Biogaz otrzymuje się na drodze fermentacji metanowej. Proces ten występuje samorzutnie w przyrodzie i znany był dawno człowiekowi, jako gaz gnilny, błotny, ściekowy lub kopalniany. Proces fermentacji biomasy zachodzi jednocześnie w dwu występujących etapach, a mianowicie fermentacji kwaśnej oraz fermentacji metanowej. Proces ten przebiega przy udziale dwu różnych rodzajów bakterii. W praktyce w krajach europejskich w instalacjach biogazowych fermentacja przebiega w temperaturach 30-40°C, bez potrzeby dod atkowego ogrzewania złoża biomasy Dotychczas najbardziej popularna jest fermentacja okresowa, polegająca na kilkumiesięcznym składowaniu odpadów w komorze fermentacyjnej, w tej fermentacji odpady powinny mieć konsystencję stałą. Fermentacja jest zmienna w czasie produkcji biogazu, wysoka na początku fermentacji i malejąca na końcu. Fermentacja przemienna odbywa się w dwu zbiornikach fermentacyjnych napełnianych przemiennie. Proces fermentacji trwa od kilku tygodni do kilku miesięcy. Obecnie w rolnictwie wprowadza się fermentację ciągłą, stosowaną od dawna podczas fermentacji w oczyszczalniach ścieków przemysłowych i komunalnych. Jednym z ośrodków naukowo – badawczych, zajmujących się od wielu lat badaniami procesów fermentacji metanowej, pozyskiwaniem biogazu i konstrukcjami biogazowni z odchodów zwierzęcych jest Instytut Budownictwa Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa w Warszawie. Tam też opracowano kilka pierwszych w Polsce konstrukcji biogazowni rolniczych [Romaniuk, Głaszczka 1996,1999]. Są to biogazownie z komorami fementacyjnymi stalowymi o pojemnościach 25 m3 i 2 x 25 m3, przeznaczonymi dla gospodarstw rolnych o obsadzie zwierząt 20 - 50 SD, biogazownie z komorą fermentacyjną 17 żelbetową o pojemności 100 m3, przeznaczoną dla gospodarstw o obsadzie 80 - 100 SD oraz biogazownie z komorą fermentacyjną o pojemności 200 i 500 m3 i jej wielokrotnością. Od 5 lat produkcja biometanolu oparta jest na wykorzystaniu osadów ściekowych (72%) reszta pochodzi z wysypisk. W 2010 roku zainstalowane było 125 biogazowni w tym: 46 z oczyszczalni ścieków, 73 ze składowisk i tylko 6 z odpadów w rolnictwie. W rolnictwie potencjał energetyczny z surowców do produkcji biogazu umożliwia wytwarzanie ok. 5 mld m3 biogazu rocznie. Potencjał surowcowy umożliwiłby zainstalowanie ok. 2000 biogazowni rolniczych. Produkcja biodiesla. W ostatnich latach wzrosło w świecie zainteresowanie wykorzystaniem biopaliw płynnych jako paliwo alternatywne i proekologiczne o parametrach porównywalnych z olejem napędowym. Najszerzej stosowane jest przetwarzanie nasion roślin oleistych (rzepak, słonecznik, soja) na paliwo płynne oraz przetwarzanie surowców roślinnych (zboża, buraki cukrowe) na alkohol. Polska jest liczącym się producentem rzepaku w Europie. Potencjał techniczny produkcji rzepaku wynosi ok. 1,6 mln ton rocznie, co jest równoważne z możliwością produkcji ok. 630 tys. ton biopaliwa. Wynosiłoby to ok. 7% zapotrzebowania na olej napędowy. Z jednej tony rzepaku, można uzyskać ok. 400 kg biopaliwa. Z jednego ha upraw rzepaku przy plonie 2,1 t/ha, w zakładzie produkcyjnym można otrzymać: - oleju 810 l, - biopaliwa 690 l, - śruty rzepakowej 1,3 t, - słomy rzepakowej 2 t. W praktyce stosowane są dwie technologie produkcji biopaliwa: - bezciśnieniowa (zimna, w której proces estryfikowanych olejów rzepakowych odbywa się pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze 20 - 70oC, z zastosowaniem katalizatorów alkalicznych, w wyniku czego powstaje ester metylowy (etylowy) i frakcja glicerynowa. - ciśnieniowa (gorąca), w której proces otrzymywanie estrów kwasów tłuszczowych odbywa się w sposób ciągły w temperaturze 240°C i ci śnieniu ok. 10 MPa. W wyniku procesu powstaje ester i frakcja glicerynowa. Technologia ta zastosowana jest w przemysłowych metodach produkcji. Wymaga ona znacznych nadmiarów metanolu w stosunku do oleju, który może być ponownie kierowany do procesu. W Polsce istnieją dwa kierunki produkcji biopaliw z estryfikowanego oleju rzepakowego. Jeden z nich zakłada produkcję czystego estru jako substytutu oleju napędowego, drugi zakłada mieszanie go z olejem napędowym w różnych proporcjach. Produkcja czystego estru może odbywać się w zakładach chemicznych posiadających odpowiednie linie produkcyjne. Natomiast produkcja estryfikowanego oleju rzepakowego, dodawanego do oleju napędowego, jest możliwa w rolnictwie w niewielkich zakładach produkcyjnych, zwanych agrorafineriami o możliwościach produkcji od 100 - 300 ton biopaliwa rocznie. W Polsce pierwsza agrorafineria zbudowana została w Mochełku k. Bydgoszczy przy współudziale IBMER o możliwości przetwarzania od 100 [Grzybek 2002]. Produkcja bioalkoholi. Etanol (spirytus odwodniony) dodawany do benzyn silnikowych zwiększa efektywność spalania, ogranicza emisję tlenków węgla, tlenków azotu i węglowodorów w spalinach oraz obniżają stężenie CO w spalinach. Alkohole, charakteryzując się wyższymi od większości składników węglowodorowych liczbami oktanowymi, obniżają znacznie udział takich składników spalin jak czteroetylek ołowiu i węglowodory aromatyczne, [Dreszer i in., 2003]. W Polsce dodawanie spirytusu odwodnionego do benzyn rozpoczęto już ponad 70 lat temu. Pierwszą produkcję przemysłową spirytusu odwodnionego rozpoczęto w Kutnie w 1928 r. W Polsce, jakość paliwa z dodatkiem etanolu określa ustanowiona w 1992 r. Polska Norma PN - 92/C – 096025, zezwalająca na dodawanie do benzyn 5% objętości etanolu. Taka ilość etanolu 18 wynikała ze stosowanych jeszcze przestarzałych konstrukcji samochodów. W miarę doskonalenia silników samochodowych norma ta może być powiększona do 10%. Na świecie produkcja etanolu stale rośnie. W USA produkcja etanolu wynosi ok. 2,0 mld litrów rocznie, w Brazylii 4,6 mld litrów. W krajach Unii Europejskiej produkuje się już znaczne ilości biopaliwa, we Francji ok. 300 tys. ton., we Włoszech 600 tys. ton, w Niemczech 300 tys. ton, w Belgii 600 tys. ton, w Danii 400 tys. ton i w Czechach 50 tys. ton. Wyprodukowany alkohol tworzy z wodą mieszaninę izotropową o składzie 97,1% objętości etanolu i 2,8% objętości wody. Taki alkohol nie może być stosowany jako dodatek do benzyn. Do odwodnienia alkoholu stosuje się benzen, benzynę wysokofrakcyjną, wapno palone, gips i inne związki wchłaniające wodę. Polska posiada duży i niewykorzystany potencjał produkcji alkoholi. Zakłady Przemysłu Spirytusowego są w stanie wyprodukować w ciągu roku ok. 40 mln litrów spirytusu odwodnionego, a w przyszłości znacznie większą ilość, pozwalającą na zaspokojenie potrzeb przemysłu rafineryjnego, produkującego benzyny silnikowe. W ostatnich latach podejmowane są w Europie i w Polsce również prace naukowo - badawcze nad biopaliwami drugiej generacji, do których zalicza się bioetanol otrzymywany z odpadowych olejów roślinnych, tłuszczów zwierzęcych oraz wszelkich odpadowych substancji pochodzenia organicznego. Takie prace badawcze prowadzone są od kilku lat w Oddziale Instytutu Technologiczno – Przyrodniczego w Strzeszynie – Poznaniu. Proces estryfikacji prowadzony jest na następujących surowcach, tj. olej posmażalniczy, smalec wołowo wieprzowy oraz smalec drobiowy [Golimowski 2010]. 3.6. Siłownie wiatrowe Siłownie wiatrowe mogą być wykorzystywane do bezpośredniego napędu maszyn roboczych, układów magazynujących energię mechaniczną lub do wytwarzania energii elektrycznej z przeznaczeniem jej na: - zasilanie odbiorników skojarzonych z prądnicą, - zasilanie odbiorników w lokalnej sieci elektroenergetycznej z magazynowaniem energii w celu zapewnienia ciągłości zasilania, - współpracę z innymi źródłami energii elektrycznej w celu osiągnięcia ciągłości zasilania w lokalnej sieci elektroenergetycznej, - przekazywanie w całości, lub tylko nadmiaru, do systemu elektroenergetycznego [Majka 1993]. Ze względu na sposób wykorzystania siłowni wiatrowych dzielimy je na: - elektrownie wiatrowe sieciowe „WES”, - elektrownie wiatrowe autonomiczne „WEA”, - pompownie wiatrowe „WP”, - siłownie wiatrowe uniwersalne „SW”. Dla pozostałych siłowni (WEA, WP, SW nazwy elektrowni przyjęte z języka angielskiego) warunki wietrzne ocenia się, na co najmniej 4 m/s, w zależności od rozwiązania konstrukcyjnego [Fugiel, 1994. Kukla 1997]. Elektrownie wiatrowe autonomiczne zasilają w energię elektryczną pojedynczych odbiorców (np. gospodarstwo rolne) Elektrownie takie mogą być również podłączone do sieci elektroenergetycznej w celu wyeliminowania problemu niedoboru energii elektrycznej, [Burzyński i in. 2000]. Pompownie wiatrowe wykorzystywane są do wspomagania systemów odwadniających tereny depresyjne na Żuławach [Turowski, Nowowiejski 1998], rekultywacji i przywracania życia biologicznego w końcowych odcinkach kanałów melioracyjnych, gdzie w celu dostatecznego jej natlenienia samoistny ruch wody jest niewystarczający. Innym sposobem wykorzystywania pompowni wiatrowych może być ich zastosowanie do uzupełniania oraz dodatkowego natleniania wody w stawach hodowli ryb [Turowski, Konieczny 2001]. Ponadto możliwe jest tradycyjne wykorzystanie pompowni do pompowania wody dla celów hodowli zwierzęcej, produkcji roślinnej i celów bytowych [Tymiński 1997].Siłownie wiatrowe uniwersalne można wykorzystać w wielu dziedzinach rolnictwa, w zależności od rozwiązania konstrukcyjnego. W procesach rolniczych, przetwórstwa rolnospożywczego, drobnym przemyśle zlokalizowanym na terenach wiejskich oraz w 19 gospodarstwach domowych, energia wiatru przetwarzana jest, przez uniwersalne siłownie wiatrowe Może być wykorzystana do: - ogrzewania i oświetlenia pomieszczeń inwentarskich, produkcyjnych i domowych, grzania wody technologicznej i dla potrzeb bytowych, - napędu urządzeń technologicznych i innych, np. wentylatorów do suszenia ziarna, siana i innych produktów rolnych, urządzeń do przygotowywania pasz, urządzeń do natleniania gnojowicy, itp. - napędu pomp wodnych dla pozyskiwania wody, nawadniania, odpompowywania wód depresyjnych, itp. napędu kompresorów, aeratorów do natleniania (napowietrzania) powierzchniowego i naddennego w zbiornikach chowu ryb, w jeziorach i innych ujęciach wodnych [Kukla 1997a, 1997b]. Na rysunku 5 pokazano wykorzystanie siłowni wiatrowej w gospodarstwie rolnym, współpracującej z kolektorem słonecznym [Szpryngiel 2003]. Rys. 5. Siłownia wiatrowa w gospodarstwie rolnym. Taki system energetyczny w gospodarstwie rolnym o pow. 10 – 15 ha, umożliwia pokrycie potrzeb na energię elektryczną wykorzystywaną do celów gospodarczych w zakresie 60 – 70%. W zbiorniku akumulatorowym kolektora słonecznego umieszczono 3 grzałki elektryczne o mocy 3 kW, podłączone do agregatu prądotwórczego siłowni wiatrowej o mocy 4 kW. umożliwia to dogrzanie wody w dni, o małym natężeniu promieniowania słonecznego. Taki układ pozwala na pokrycie zapotrzebowania na ciepłą wodę w 80%. Kolektor słoneczny o powierzchni 30 m2 wykorzystano do podgrzewania powietrza w suszarce podłogowej o pow. 25 m2 do suszenia ziarna zbóż, gryki, grochu oraz obsuszania cebuli po zbiorze. W celu wykorzystania suszarki w porze nocnej, w przewodzie tłoczącym wentylatora zainstalowano 4 grzałki elektryczne każda o mocy 500 W. 3.7. Ogniwa fotowoltaiczne Ogniwa fotowoltaiczne zwane też fotoogniwami są urządzeniami umożliwiającymi bezpośrednią przemianę światła słonecznego, w energię elektryczną. Działanie ogniw słonecznych oparte jest na zjawisku fotowoltaicznym polegającym na zmianie elektrycznych właściwości ciał pod wpływem promieniowania słonecznego promieniowania powstaje napięcie elektryczne. Obecnie istnieje kilka technologii produkcji ogniw fotowoltaicznych z krzemu, [Lange 2001], a mianowicie: -- technologia krzemu monokrystalicznego, - technologia krzemu polikrystalicznego, - technologia krzemu amorficznego. W praktyce pojedyncze stosowanie ogniw fotowoltaicznych, oprócz zegarków i kalkulatorów, jest rzadko stosowane. Dla uzyskania większej mocy elektrycznej baterie łączy 20 się w układy, które po umieszczeniu ich w ramkach pomiędzy dwoma szybami stanowią moduły fotowoltaiczne, z których to tworzy się systemy fotowoltaiczne. Wg Langego [2001] w praktyce istnieją trzy rodzaje systemów fotowoltaicznych: - autonomiczne - wyposażone w baterię akumulatorową, umożliwiające zasilanie w energię w porze nocnej oraz w dni pochmurne, stosowane na obszarach bez dostępu do sieci elektrycznej, - hybrydowe - autonomiczne zespoły fotoelektryczne, występujące w kombinacji z generatorem dieslowskim lub turbiną wiatrową, - podłączona do sieci - bez baterii, gdy sieć służy, jako magazyn energii elektrycznej. Sprawność modułów fotowoltaicznych nie powinna być mniejsza niż η ≥ 10,5% o napięciach ponad 13 V. Takie napięcia umożliwiają ładowania akumulatora. Wg Łepkowskiego [2003] ogólnodostępne na polskim rynku moduły fotowoltaiczne mają powierzchnię od 0,3 m2 do 1,0 m2 Stosowane są w transporcie drogowym, (sygnalizacja, znaki drogowe), transporcie morskim oraz w pojazdach słonecznych, a w rolnictwie do systemów nawadniania roślin oraz w wentylacji i klimatyzacji. 0,3 m2 do 1,0 m2. Moc modułów określa się w Watach mocy szczytowej (Wp), czyli parametrach jakie osiągają przy promieniowaniu słonecznym 1,0 kW/m2 i temperaturze powietrza otoczenia 25,0°C. Moce szczytowe w ww. jednostkach zaczynają się od 15 Wp do 120 Wp. (Watt peak), zdefiniowane jako moc dostarczona przez ogniwo w warunkach standardowych (STC Standard Testing Conditions), tj. przy promieniowaniu słonecznym 1000 W/m2 i temperaturze 25oC, [Pietruszko 2001]. Trwałość ogniw z krzemu monokrystalicznego wynosi ok. 25 lat, a ogniw z krzemu amorficznego ok. 8 -10 lat. Systemy fotowoltaiczne znajdują w praktyce coraz szersze zastosowanie. Najbardziej rozpowszechnione jest zastosowanie systemów fotowoltaicznych w elektronice. 3.8. Pompy ciepła O efektywności pracy pompy ciepła decyduje temperatura dolnego i górnego źródła ciepła. Efektywność ta określana jest współczynnikiem wydajności cieplnej lub wydajności cieplnej, COP (Coefficient of Performance) Podczas stosowania pomp ciepła, temperatura źródła dolnego nie powinna być wyższa niż 25°C, a górnego nie wy ższe niż 57°C Współczynniki wydajności cieplnej pomp sprężarkowych wynoszą od 2,5 do 6,0, natomiast pomp absorpcyjnych są znacznie niższe i wynoszą od 1,3 do 1,7. W praktyce najczęściej stosowane są pompy ciepła: - woda - woda ( W - W ), - woda - powietrze ( W - P ), - powietrze - woda (P - W ), - powietrze - powietrze ( P - P ). Pompy ciepła współpracują z wewnętrznymi i zewnętrznymi wymiennikami ciepła. Wewnętrzne wymienniki ciepła instalowane są wewnątrz budynku i przeznaczone są do przekazywania ciepła wewnątrz budynku lub wymianę ciepła wewnątrz budynku. Zewnętrzne wymienniki ciepła przeznaczone są do przekazywania ciepła ze źródła znajdującego się na zewnątrz budynku. W układzie woda - woda ciepło pobierane z wody w obiegu pompy ciepła przekazywane jest do wody w instalacji grzewczej. Woda w rzekach, jeziorach, morzu lub woda gruntowa stanowi źródło ciepła. Na głębokości kilkunastu metrów ( 12 -30 m) temperatura średnioroczna wody wynosi + 6 - 10oC, a temperatura wody gruntowej na głębokości 3 - 6 m wynosi średnio w ciągu roku 8 - 10°C. W układzie woda - powietrze, ciepło pobierane jest z wody i przekazywane za pośrednictwem pompy ciepła do instalacji grzewczych, ogrzewania pomieszczeń, klimatyzacji i ogrzewania wody użytkowej. W układzie powietrze - woda ciepło przekazywane jest z powietrza atmosferycznego lub z wnętrza budynków za pośrednictwem pompy ciepła do instalacji grzewczych, stosowanych do ogrzewania i klimatyzacji pomieszczeń, ogrzewania wody użytkowej. W układzie powietrze - powietrze ciepło z powietrza atmosferycznego lub z wnętrza budynków, przekazywane jest za pośrednictwem pompy ciepła do instalacji grzewczych, stosowanych 21 do ogrzewania pomieszczeń, klimatyzacji wewnątrz budynków i ogrzewania wody użytkowej. Pompy ciepła wykorzystywane są do odzysku ciepła z gruntu za pośrednictwem rurowych wymienników ciepła zagłębionych w ziemi. Na głębokości ok. 3 m w sezonie letnim średnie temperatury wynoszą 7 – 14°C. Pompy ciepła stosowane s ą również do współpracy z instalacjami geotermalnymi, kolektorami słonecznymi oraz z zintegrowanymi systemami energetycznymi. W produkcji rolniczej szerokie zastosowanie znajdują pompy ciepła do chłodzenia mleka [Pabis i in. 1989]. Pompy ciepła mogą pracować w różnych układach. tj, monowalentnym, biwalentnym, biwalentnym-równoległym i alternatywnym. W układzie monowalentnym pompa ciepła stanowi jedyne źródło ciepła o stałej i wysokiej temperaturze zasilając instalację grzewczą. W układzie biwalentnym pompa ciepła współpracuje z innymi urządzeniami grzewczymi, biwalentnym - równoległym pompa ciepła współpracuje również z innymi urządzeniami grzewczymi. Jeżeli pompa ciepła nie jest w stanie zapewnić uzyskania wymaganej temperatury, to następuje włączenie się pompy z innymi urządzeniami grzewczymi. W układzie alternatywnym pompa ciepła, w zależności od przeznaczenia, może pracować, jako urządzenia grzewcze i urządzenia chłodnicze. Jak już wspomniano, pompy ciepła mogą znaleźć w produkcji rolniczej szerokie zastosowanie. Podczas chłodzenia mleka poudojowego w schładzarkach nurnikowych oraz w zbiornikach od temperatury 37 do 4,0°C odbiera się z każdego litra mleka ok. 130 kJ. Na rysunku 6 pokazano możliwości wykorzystania pompy ciepła w rolnictwie i produkcji rolniczej, oraz odzysku ciepła ze zbiorników wodnych i rzek. Rys. 6 Możliwości wykorzystania pompy ciepła w rolnictwie Jak podaje Orliński i Piechocki [2000 ], podczas schładzania 1000 1 mleka pompa ciepła o mocy 12,2 kW i poborze mocy przez silnik sprężarki 2,7 kW może odzyskać ponad 34 GJ ciepła w roku. Wykorzystując ciepło do podgrzewania wody użytkowej uzyskuje się 22 przeciętnie z 1 litra schłodzonego mleka 0,6 litra podgrzanej wody do temperatury 45 - 50oC. Zastosowanie pomp ciepła w systemie wentylacyjnym w szklarniach, umożliwiło uzyskanie ok. 20% energii cieplnej, tj. ok. 13 kg oleju opałowego na 1 m2 powierzchni szklarni, a w produkcji pieczarek zastosowanie dwu pomp ciepła, każda o mocy 4,0 kW, współpracujących z podgrzewaczem opalanym olejem opałowym, umożliwiło uzyskanie obniżenia zużycia oleju opałowego z 30000 l/rok do ok. 13000 l/rok, przy okresie amortyzacji 4,5 roku. W budynkach inwentarskich zwierzęta wydzielają znaczne ilości ciepła, z którego część zużywana jest na utrzymanie odpowiedniego mikroklimatu, a część tracona jest podczas wentylacji pomieszczeń. W budynkach inwentarskich, oprócz ciepła zawartego w powietrzu w pomieszczeniach, można również odzyskać znaczne ilości ciepła z głębokiej ściółki. Opracowany przez Nawrockiego, [2004] i przebadany w IBMER w Strzeszynie system odzysku ciepła z głębokiej ściółki, z zastosowaniem pompy ciepła i rurowych wymienników ciepła, wykorzystany do kształtowania mikroklimatu w chlewni wykazał, że ilość ciepła zakumulowanego w podłożu wynosi 315 MJ/m3 ściółki. Z 6 kojców o powierzchni po 50 m2 każdy ilość odzyskanego ciepła wynosiła 12,4 kW. Podobne badania prowadzili Domagalski Z., Plaskot R., Podleski J., Rzeżnik W. [2011] Pompy ciepła mogą współpracować z wieloma odnawialnymi źródłami tj. siłowniami wiatrowymi, biogazowniami, źródłami geotermalnymi, urządzeniami grzewczymi do spalania biomasy oraz tradycyjnymi urządzeniami grzewczymi. 3.9. Elektrownie na małych ciekach wodnych Energię wody wykorzystywano już w starożytnej Grecji w drugim wieku pne. oraz w Babilonie i w Rzymie. Były to koła wodne o osi pionowej, wprawiane w ruch pod ciśnieniem strumienia wody, działającym na łopatki umieszczone na osi koła. Bardziej doskonałymi kołami wodnymi były koła zwane podsiębiernymi. Zanurzone w strumieniu przepływającej wody, wykonywały ruch obrotowy, napędzając różne urządzenia. W pierwszym wieku pne. w imperium rzymskim wprowadzono do użytku koła wodne zwane nasiębiernymi. Koła te wprawiane były w ruch strumieniem wody spadającej na łopatki koła z pewnej wysokości. Wyposażone w system różnych przekładni, stosowane były do napędu kamieni młyńskich. Spadek strumienia wody zwany „spadem,” uzyskiwano na tworzeniu różnicy poziomów cieku wodnego budowanej grobli przegradzającej ciek wodny. Różnice poziomów cieków wodnych wynosiły od 3 do kilkunastu metrów. W średniowieczu koła wodne wykorzystywane były w młynach zbożowych, w produkcji sukna do spilśniania (folusze), w kuźniach, tartakach i innych procesach produkcyjnych. Obecnie na świecie wykorzystuje się ok. 23% potencjału hydroenergetycznego. W Polsce wykorzystuje się jedynie 11% potencjału [Krzyżanowski, 1994].W okresie międzywojennym w Polsce istniało 6500 różnego rodzaju zakładów wykorzystujących energię wodną. W 1954 r. czynnych było 6330 zakładów, z czego po likwidacji w następnych latach pozostało tylko 650. Ostatnio cieszą się dużym zainteresowanie małe elektrownie wodne zwane MEW (małe elektrownie wodne),w odróżnieniu od dużych elektrowni wodnych. Określenie małe elektrownie wodne stosuje się do obiektów o zainstalowanej mocy do 5,0 kW. Elektrownie MEW dzielą się na: - mikro elektrownie wodne, - mini elektrownie wodne, - małe elektrownie wodne. W zależności od warunków eksploatacji, [Gołębiowski, Krzemień 1998], wyróżnia się trzy warunki eksploatacji MEW: - współpraca hydrozespołu, wyłącznie z siecią państwową. W układzie tym elektrownie pracują równolegle z siecią energetyczną, która decyduje o wielkości napięcia i częstotliwości, - praca samotna hydrozespołu na wydzieloną część energetyczną, zwaną siecią lokalną. Zadaniem elektrowni jest zasilanie odbiorców nie posiadających innego źródła energii elektrycznej. Praca MEW w tym układzie charakteryzuje się dużą zmiennością w czasie, 23 - współpraca z państwową siecią energetyczną oraz rezerwowe zasilanie wydzielonego sektora sieci lokalnej w przypadku braku napięcia w sieci państwowej. 3.10. Energia geotermalna Energia geotermalna określana jest jako naturalna nagromadzona energia cieplna w wnętrzu ziemi. Energia cieplna zakumulowana jest w gruntach, przestrzeniach porowatych skał w postaci wody i pary wody. Złoża geotermalne usytuowane są pod skałami nieprzepuszczalnymi. W wyniku wymiany ciepła na zasadzie przewodnictwa i konwekcji swobodnej, ciepło z jądra ziemi mającego temperaturę ok. 5000°C przemieszcza si ę w jej górne warstwy, tworząc złoża energii geotermalnej. Wzrost temperatury w głębi ziemi zależy od warunków geologicznych, sposobu ułożenia skał, zawartości wody w skałach i przewodnictwa cieplnego skał. Przyrost temperatury o 1 K, przypadający na głębokość mierzoną w metrach, nazywa się gradientem geotermicznym. W Europie stopień geotermiczny wynosi 33 m. Wzrost temperatury w głębi ziemi zależy również od sąsiedztwa wulkanów, jak też procesów rozpadu pierwiastków radioaktywnych. Wg Kapuścińskiego i in., [1997], w oparciu o gradient geotermiczny, można wyróżnić następujące typy obszarów geotermicznych: - obszary o normalnej wartości gradientu geotermicznego zmieniającego się w zakresie od kilku do ok. 40°C na kilometr (skały kr ystaliczne i obszary plafonowe), - obszary semitermalne o gradientach geotermalnych do 70°C na kilometr, - obszary hipertermalne. W klasie tej zawarte są specjalne tereny skorupy ziemskiej, gdzie anormalne wysokie temperatury występują blisko powierzchni ziemi. Wykorzystanie wód geotermalnych dzielą się na: - sztuczne systemy hydrotermalne obejmujące suche gorące skały, z których energia cieplna pozyskiwana jest na drodze wtłaczania i wypompowywania wody ze skał, Sokołowski., [2002] Ze względu na temperatury złoża geotermalne dzielą się na: - złoża wód geotermalnych, - złoża przegrzanej pary wodnej, - złoża nagrzanych suchych skał. - zimne (do 20oC), Wody geotermalne występują w Polsce na obszarze ok. 2511 km2 o pojemności 668 km3 i temperaturze od 25 – 150°C. Energia cieplna zawa rta w wodach geotermalnych na terenach Polski równoważna jest 34724 mld tpu (ton paliwa umownego).Wg Sokołowskiego, [2002] uzyskane z obliczeń potencjalne zasoby wód geotermalnych, energia cieplna w nich zawarta oraz równoważność ropy naftowej wynoszą: - w prowincji niżowej - 5904 mld m 3 - ( 19054 mln ton ropy ), - w prowincji podkarpackiej 34 mld m 3 - ( 1024 mln ton ropy ), - w prowincji karpackiej 100 mld m 3 - 5000 - ( 500 mln ton ropy ). Polska posiada bogate zasoby wód geotermalnych rozłożone równomiernie na znacznej powierzchni kraju. Najlepsze warunki występowania wód geotermalnych znajdują się na Niżu Polskim, podzielonym na okręgi geotermalne. Największe zasoby wód geotermalnych występują w okręgu Grudziądzko - Warszawskim i Szczecińsko - Łódzkim. Ciepło z wnętrza ziemi zaczęto wykorzystywać już w starożytności. W epoce brązu budowano łaźnie w Gruzji i Armenii. Do dzisiejszych czasów zachowały się pozostałości łaźni rzymskich. W Polsce wody geotermalne wykorzystywane były już w X wieku do celów leczniczych. W latach dwudziestych zbudowano baseny termalne w Ciechocinku. Obecnie wody geotermalne wykorzystywane są w uzdrowiskach tj, Lądek Zdrój, Duszniki Zdrój, Ciechocinek, Iwonicz Zdrój, Konstancin. Obecnie w eksploatacji znajdują się cztery zakłady geotermalne w Zakopanem, Pyrzycach, Uniejowie i w Mszczonowie. W Zakopanym czynne są cztery ujęcia wód geotermalnych o całkowitej mocy cieplnej 67,4 MW i temperaturach solanki na wypływie 72 - 82oC. Gorąca solanka przetłaczana jest przez wymiennik ciepła, gdzie oddaje ciepło 24 wodzie z sieci, a następnie tłoczona jest do złoża zlokalizowanego na głębokości 2000 3200 m. W Pyrzycach znajdują się dwa ujęcia geotermalne solanki na głębokości 1640 m głębokości wymiennikami ciepła i obiegiem powrotnym solanki do złoża. Temperatura solanki na wypływie wynosi 61 - 63°C. W Mszczonowie zakład geotermalny został zbudowany w 2000 r. Woda geotermalna wydobywana jest z odwiertu głębokości 1600 1700 m za pomocą wielostopniowej pompy głębinowej. Woda o temperaturze 44°C temperaturze z zastosowaniem absorpcyjnej pompy ciepła schładzana jest do temperatury 20 - 30°C, a nast ępnie przetłaczana jest do stacji uzdatniania, skąd rozprowadzana jest do użytkowników. W Uniejowie woda geotermalna o temperaturze 68°C wypływa z trzech odwiertów. Ciepłownia geotermalna współpracuje z kotłownią opalaną olejem opałowym. Kotłownia wykorzystywana jest do dogrzewania wody w okresie szczytowego zapotrzebowania na energię cieplną. Możliwości wykorzystania wód geotermalnych zależą od ich temperatury. Wody geotermalne o temperaturze powyżej 100°C, mog ą być wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej w elektrowni geotermalnej z turbiną parową, gdzie czynnikiem roboczym jest para wodna. Wody geotermalne o temperaturach 50 - 100°C wykorzystywane s ą do ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych, technologicznych, szklarni, hodowli zwierząt, hodowli ryb, zakładach przetwórstwa rolno - spożywczego i basenów kąpielowych. 4. Zintegrowane systemy energetyczne W odróżnieniu od stosowanych obecnie odnawialnych źródeł energii instalowanych w systemie rozproszonym (oddzielnie), stosowanie zintegrowanych systemów energetycznych umożliwia znacznie lepsze i szersze ich wykorzystanie w praktyce. Mogą one zapewnić ciągłą dostawę energii do gospodarstwa rolniczego. Zintegrowane systemy energetyczne oznaczają współpracę pomiędzy sobą kilku odnawialnych źródeł energii, lub odnawialnych źródeł energii z tradycyjnymi źródłami energetycznymi. Będzie to np. współpraca kolektora słonecznego z pompą ciepła i siłownią wiatrową, lub też współpraca ww. źródeł z podgrzewaczem powietrza opalanym węglem. Wyniki prac badawczych krajowych prowadzonych przez IBMER w latach 1985 – 1990 [Tymiński 1988, Pabis J. Rogulska 1991], oraz zagranicznych, [Jelonkowa i in. 1985] wykazały, że stosowanie zintegrowanych systemów energetycznych umożliwia uzyskanie ok. 10 - 20% więcej energii niż ze źródeł rozproszonych, a w niektórych technologiach np. w suszarnictwie produktów rolniczych do 30%. Energia uzyskiwana z odnawialnych źródeł ograniczona jest wieloma czynnikami tj. warunkami atmosferycznymi, porami roku i dnia, położeniami geograficznymi, sprawnościami cieplnymi, zasobami surowcowymi w przypadku biomasy oraz pokładami wód geotermalnych. Zintegrowane systemy energetyczne w porównaniu do źródeł rozproszonych pozwalają na większą elastyczność w sterowaniu, większe możliwości okresowej akumulacji ciepła, większą niezawodność systemu energetycznego, jak też ochronę naturalnego środowiska. Obiektem zastosowania zintegrowanego systemu energetycznego może być każde gospodarstwo rolne, wyodrębniona część gospodarstwa, grupa gospodarstw rolnych, jak też wszędzie tam, gdzie istnieje zapotrzebowanie na niskotemperaturowe źródła energii. Projektowanie zintegrowanego systemu energetycznego dla zadanego obiektu, warunków i technologii, musi być poprzedzone analizą szeregu czynników, mających bezpośredni wpływ na strukturę tego obiektu. Zintegrowany system energetyczny powinien bilansować potrzeby energetyczne gospodarstwa rolniczego przez zastosowanie różnych odnawialnych i tradycyjnych źródeł energii[Rogulska 1991]. Analizę można podzielić na etapy: pompy wodne, wentylatory transportery, aparatura kontrolno – pomiarowa i inne urządzenia techniczne. W projektowaniu zintegrowanych systemów energetycznych do analizy zapotrzebowania, produkcji energii i jej bilansowania wykorzystano w IBMER system SIENA (Sistemi Energetici Agricoli), składający się z trzech bloków [Rogulska, 1991, 1996]: W zestawieniu sumarycznym dla każdego układu urządzeń odnawialnych źródeł energii podawane są wskaźniki energetyczne i ekonomiczne: - ilości energii uzyskiwanej w danym systemie energetycznym, - stopnie pokrycia potrzeb energetycznych, 25 - całkowite koszty urządzeń zainstalowanych w systemie, - roczne koszty eksploatacji urządzeń i okres spłaty urządzeń. Na rys 7 i 8 pokazano schematycznie zintegrowane systemy energetyczne w Polsce, opracowane przez IBMER. Na rysunku 7 pokazano zintegrowany system energetyczny w gospodarstwie rolnym specjalizującym się w hodowli świń o obsadzie 160 sztuk oraz w produkcji ogrodniczej. Rys. 7. Zintegrowany system energetyczny w gospodarstwie hodowli świń i produkcji ogrodniczej Produkcja warzyw prowadzona jest w dwu szklarniach o powierzchni 600 m2 oraz w 7 tunelach foliowych o łącznej powierzchni 1200 m2. Zintegrowany system energetyczny został zaprojektowany z dwoma podsystemami, a mianowicie: - podgrzewanie wody użytkowej z zastosowaniem pompy ciepła oraz instalacji biogazowej (pojenie zwierząt, rozcieńczanie karmy, parowanie pasz oraz podgrzewanie wody dla celów socjalnych),- podgrzewanie wody z zastosowaniem kolektora słonecznego o powierzchni 30 m 2, oraz siłowni wiatrowej WE - 10 ze zbiornikiem akumulacyjnym wodnym o pojemności 3000 litrów i łącznej mocy grzejników elektrycznych 24 kW Oprócz wykorzystania siłowni wiatrowej do podgrzewania wody użytkowej, energia elektryczna wykorzystywana jest do podgrzewania gnojowicy w zbiorniku fermentacyjnym. Bilans energetyczny zintegrowanego systemu wykazał, że w ciągu roku obniżenie energii cieplnej uzyskiwanej z tradycyjnych źródeł uległa obniżeniu o 6,5%, co w przeliczeniu na zużycie węgla wynosi ok. 6,5 tony. Wyniki badań wykazały celowość rozwijania stosowania w praktyce zintegrowanych systemów energetycznych. Argumentem za stosowaniem tych systemów jest wykorzystanie lokalnych zasobów energetycznych tj biomasa, częściowe wyeliminowanie tradycyjnych paliw kopalnianych, z którymi wiąże się ograniczenie emisji do atmosfery oraz szkodliwych produktów spalania. Nie bez znaczenia jest wzrost zatrudnienia w środowisku wiejskim w zakresie lokalnej produkcji urządzeń, montażu instalacji i nadzoru podczas eksploatacji urządzeń. Obecnie wszystkie urządzenia techniczne odnawialnych źródeł energii produkowane są w skali przemysłowej oraz małych przedsiębiorstwach terenowych. Na rysunku 8 przedstawiono koncepcje modelowego zintegrowanego systemu energetycznego w gospodarstwie ogrodniczym [Pabis J. 1999]. 26 Rys. 8. Koncepcja zintegrowanego systemu energetycznego w gospodarstwie ogrodniczym W tym systemie zaproponowano: staw słoneczny i współpracującą z nim pompą ciepła w układzie woda - woda, kolektory słoneczne do podgrzewania powietrza i wody, ogniwa fotowoltaiczne, siłownię wiatrową, instalację biogazową, wykorzystującą odpady z produkcji roślinnej polowej i z szklarni oraz kocioł opalany biomasą. Podgrzana woda może być wykorzystana do nawadniania roślin i podgrzewania podłoża w produkcji szklarniowej, gospodarstwie domowym, a podgrzane powietrze do wspomagania w ogrzewaniu szklarni i tuneli foliowych, ogrzewania czynnika suszącego (powietrza) w suszarce nasion warzyw oraz w przechowalni warzyw do obsuszania warzyw korzeniowych po zbiorze. Siłownia wiatrowa stosowana jest do produkcji energii elektrycznej dla potrzeb budynku mieszkalnego i podgrzewania wody w zbiorniku akumulacyjnym. Gaz z instalacji biogazowej stosowany jest do ogrzewania szklarni, współpracując z kotłem opalanym biomasą. 5. Podsumowanie Zaprezentowane skrótowo przykłady wskazują, że rolnictwo ma bardzo dobre warunki wykorzystania wszystkich rodzajów odnawialnych źródeł energii. Produkcja rolnicza jak też gospodarstwa wiejskie posiadają duże zapotrzebowanie na niskotemperaturowe źródła energii (30 -50oC), w produkcji roślinnej, tj. suszarnictwie produktów rolniczych (zboża, nasiona warzyw, zielonka na siano, zioła, tytoń, biomasa), produkcji warzyw w szklarniach i tunelach foliowych, produkcji zwierzęcej, w lokalnych małych zakładach przetwórstwa rolno spożywczego, mleczarniach i gospodarstwach domowych. Jednocześnie rolnictwo posiada znaczne zasoby odpadów w produkcji rolniczej i leśnej, biomasy z plantacji wierzby, krzewów i traw oraz odpady w produkcji zwierzęcej, które to mogą być wykorzystane na cele energetyczne w postaci paliw stałych, ciekłych i gazowych. W ostatnich 5 latach, szczególnie w latach 2009 – 2011, obserwuje się w Polsce znaczny wzrost, wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Wyrazem tego jest liczba zainstalowanych kolektorów słonecznych do podgrzewania wody w budynkach mieszkalnych i przedsiębiorstwach produkcyjnych. W 2010 roku zainstalowane było 930 tys. m2 powierzchni kolektorów do podgrzewania wody użytkowej o energii 1300 TJ. a do 2015 roku zostanie zainstalowanych ok. 5 mln. m2 o energii 7300 TJ. Takie tempo wzrostu wykorzystania kolektorów wodnych należy uznać za pozytywne. Natomiast brak jest zupełnie zainteresowania rolników kolektorami do podgrzewania powietrza pomimo możliwej do uzyskania znacznej oszczędności energii cieplnej jak wykazały to prace badawcze prowadzone w IBMER. Niezadowalające jest też wykorzystanie pomp ciepła. Przewiduje się wzrost zapotrzebowania na biomasę (przetwarzaną na energię cieplną) stałą i biogaz z ok. 4400 ktoe w 2010 roku do 4850 w 2015 roku oraz geotermię z ok. 80 w 2010 roku do ok. 150 w 2015 roku. Stan obecny wykorzystania odnawialnych źródeł energii wskazuje, że najszybszy rozwój występuje w wykorzystaniu energii słonecznej w budownictwie mieszkaniowym i biomasy w dużych zakładach energetycznych. Natomiast w rolnictwie pomimo dobrych warunków i dużego zaplecza surowcowego, wykorzystanie odnawialnych źródeł energii jest 27 nadal niezadowalające. Wydaje się, że wynika to z trudności finansowych większości rolników, niedoskonałego i jeszcze zbyt wolnego jeszcze dopływu do rolników informacji fachowych o możliwościach, uzyskiwanych efektach energetycznych i ekonomicznych wynikających z wykorzystywania odnawialnych źródeł energii. W tym zakresie wzorem wyższych uczelni rolniczych, w których to od kilku lat wprowadzono wykłady z odnawialnych źródeł energii, należałoby w szkołach podstawowych i średnich przekazywać informacje o odnawialnych źródłach energii. Mając na uwadze zobowiązania Polski, wynikające z art. 4 ust. 1 dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady i Krajowego planu działania w zakresie energii ze źródeł odnawialnych, koniecznym jest szybsze niż dotychczas rozszerzenie zakresu badań naukowych podstawowych i stosowanych w placówkach naukowo badawczych i wyższych uczelnia rolniczych. Podejmowane są obecnie ciekawe prace badawcze np. z wykorzystania biomasy na cele energetyczne w Instytucie Technologiczno Przyrodniczym w Falentach na uniwersytetach przyrodniczych we Wrocławiu, Lublinie. Na SGGW w zakresie technologii zbioru, suszarnictwa biomasy i energii słonecznej , na Uniwersytecie Warmińsko - Mazurskim Olsztynie z biomasy i pomp ciepła, jak też i w innych ośrodkach naukowo – badawczych. Obecny stan wiedzy wskazuje, że koniecznym jest prowadzenie prac badawczych z zakresu magazynowania energii cieplnej, pochodzącej z odnawialnych źródeł energii, cech termofizycznych biopaliw stałych ciekłych i gazowych, wykorzystaniem odpadów w produkcji zwierzęcej, odzyskiem ciepła z wykorzystaniem pomp i wymienników ciepła. Celowym jest również doskonalenie techniki i technologii uprawy na plantacjach roślin przeznaczonych na biomasę, zbioru surowców i przetwarzania ich na paliwa. Zakres prac badawczych prowadzonych na wyższych, uczelniach mimo wysokiej wartości naukowej bardzo często ma charakter badań wycinkowych o dość wąskim zakresie, wynika to z zasadniczych zadań dydaktycznych oraz trudności finansowych. Podobna sytuacja ma miejsce również instytutach resortu rolnictwa Często ośrodki naukowo badawcze zajmują się podobną tematyką bez wymiany informacji miedzy prowadzącymi badania . Stan obecny oraz nakładane na Polskę zobowiązania przez UE w zakresie rozwoju odnawialnych źródeł energii w produkcji rolniczej i terenach wiejskich skłaniają do sformułowania wniosku, że resort rolnictwa powinien posiadać placówka naukowo – badawczą zajmującą się energetyką rolniczą w tym odnawialnymi źródłami energii, koordynując jednocześnie prace badawcze w Polsce. 6. Literatura Chochowski A., Czekalski D. 1990: Słoneczne instalacje grzewcze. Centralny Ośrodek Informacji i Budownictwa, Warszawa Domagalski Z. i in. 2011: Problemy Inżynierii Rolniczej nr 1 Dreszer K., Michałek R., Roszkowski A. 2003: Energia odnawialna – możliwości jej pozyskiwania w rolnictwie Polskie Towarzystwo Inżynierii Rolniczej. Kraków, Lublin , Warszawa Dreszer K., Niedziółka J. 2003: Energetyka rolnictwa. Wydawnictwo Akademia Rolnicza, Lublin Grzybek A. 2002: Biomasa jako alternatywne źródło energii. Wojewódzki Ośrodek Doradztwa Rolniczego. Warszawa Gołębiowski St. 1992: Wysoko sprawny kolektor do podgrzewania powietrza. Materiały z seminarium, IBMER. Warszawa Gogół W., Chochowski A., Pabis J., Wiśniewski G. 1993: Konwersja techniczna promieniowania słonecznego w warunkach krajowych. Ekspertyza Komitetu Termodynamiki i Spalania PAN. Warszawa Golimowski W. 2010: Wpływ parametrów estryfikacji tłuszczów odpadowych na sprawność procesu oraz jakość paliw wytwarzanych w gospodarstwach rolnych. Rozprawa doktorska. Instytut Technologiczno – Przyrodniczy. Warszawa Gradziuk P. i in. 2002: Biopaliwa. Akademia Rolnicza. Lublin Grzybowska A. 1999: Zasoby energii słonecznej w Polsce. Opracowanie wytycznych do lokalizacji i konstrukcji kolektorów słonecznych na obszarze Polski. IBMWR. 28 Warszawa Gudkowski S. 1991: Możliwości ogrzewania i dotleniania podłoża uprawowego w szklarni przy pomocy energii słonecznej. Materiały konferencyjne, SGGW, KTR PAN. Warszawa Hunder 2003: Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego. Przewodnik dla samorządów terytorialnych i inwestorów. EC BREC. IBMER. Warszawa Jelinkowa h., Prokop H., Pastorek Z. 1985: Integrated energy systems for two Czechoslovakian farms. FAO, CNRE. Bulletin nr 7 Kapuściński in. 1997: Zasady i metodyka dokumentowania zasobów wód geotermalnych i energii geotermalnej oraz sposoby odprowadzania wód zużytych. Poradnik metodyczny MOSZNiL Krajowy plan dzialania w zakresie energii ze źródeł odnawialnych,(projekt) GUS Warszawa. 2010 Krzyżanowski W. 1971: Turbiny wodne konstrukcja i zasady regulacji. WNT. Warszawa Kurpaska S. 2000: System ogrzewania podłoża ogrodniczego podgrzanym powietrzem. rozprawa habilitacyjna. Akademia Rolnicza. Kraków Kurpaska S. 2007: Obiekty pod osłonami – inżynieria i procesy. PWRiL. Poznań. Lange J. 2001: Energia słoneczna nie z tej ziemi, Czysta energia nr 4. ABRYS. Poznań Latała H. 2010: Wykorzystanie kolektorów słonecznych w produkcji ogrodniczej pod osłonami. Rozprawa habilitacyjna. Uniwersytet Rolniczy. Kraków Lewandowski J. 2002: Małe elektrownie wodne. Czysta energia nr 4 ABRYS, Poznań Machnikowski L. 1998: Koncepcja -budowa- zastosowanie. Małe elektrownie wiatrowe. Energia nr 7 Myczko A. 1995: Stan i perspektywy mechanizacji produkcji zwierzęcej. IBMER. Warszawa Nawrocki L. 2003: Wpływ odzyskiwania energii cieplnej z głębokiej ściółki na kształtowanie mikroklimatu w chlewni. Rozprawa habilitacyjna .IBMER. Warszawa Ney R., Sokołowski J. 1987: Wody geotermalne Polski i możliwości ich wykorzystania Nauka Polska nr 6. Warszawa Orliński J., Piechocki 2000. Możliwości zastosowania pomp ciepła w rolnictwie. Materiały konferencyjne. IBMER. Warszawa. Pabis J. 1999: Kolektory słoneczne uzupełniające źródło energii w rolnictwie. IBMER. Warszawa Pabis J. 2002: Możliwości wykorzystania energii słońca w rolnictwie – współdziałanie kolektorów słonecznych z innymi źródłami energii. Czysta Energia nr 10. ABRYS. Poznań. Riva M., Mazzotto F. 1985: Construction aspects for solar plants for drying installed in northen Italy. FAO. CNRE. Bulletin nr 7. Rogulska M. 1991: Zintegrowany system energetyczny – możliwości zastosowania w ogrodnictwie. Materiały konferencyjne. IMMER. Warszawa Sokołowski J. 2002: Zasoby energii geotermalnej w Polsce – zasoby wykorzystanie. Czysta Energia nr 7 AQBRYS. Poznań Sowinski A. 1997: Energia wodna w Polsce. Materiały konferencyjne. EC BREC/IBMER. Warszawa Stahler J.: Wybrane problemy rozwoju energetyki wodnej w Polsce. Materiały konferencyjne. Ogólnopolskie Forum Odnawialnych Źródeł Energii. Wyd. URM Szeptycki A. 2001: Odnawialne źródła energii szansa dla rolnictwa obszarów wiejskich. Materiały konferencyjne. IIBMER, ECBREC. Warszawa Szpryngiel M. 2003: Zintegrowane źródła energii odnawialnej w gospodarstwie rolnym. Czysta Energia. Nr 10. ABRYS. Poznań Sztyber J. 2001: Zagadnienie jakości zrębków drzewnych opałowych. Materiały konferencyjne. SGGW. Warszawa Terlikowski 2010: Biomasa z trwałych użytków zielonych jako źródło czystej energii. Materiały konferencyjne. XVI Międzynarodowa konferencja naukowa. Problemy intensyfikacji produkcji zwierzęcej z uwzględnieniem struktury obszarowej gospodarstw rodzinnych, ochrony środowiska i standardów UE 29 Tyminski J. 1997: Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w Polsce do 2030 roku – aspekty energetyczne i ekologiczne. IBMER. Warszawa Wiśniewski G., Gołębiowski St. Gryciuk M. 2001: Kolektory słoneczne poradnik wykorzystania energii słonecznej. Centralny Ośrodek informacji Budownictwa. Warszawa Wołoszyn M.A. 1992: Wykorzystanie energii słonecznej w budownictwie jednorodzinnym. Centralny Ośrodek Informacji Budownictwa. Warszawa Wójcicki Z. 2007: Poszanowanie energii i środowiska w rolnictwie i na obszarach wiejskich. IBMER. Warszawa Spis rysunków Rys. 1. Kolektor słoneczny do podgrzewania wody w domu jednorodzinnym; 1 - kolektor, 2 - zbiornik wody, 3 - dodatkowy zbiornik wody, 4 - grzałka elektryczna, 5 - piec opalany węglem, 6,7.8,9 - pompy, 10 - wanna, 11 - natrysk, 12 - umywalka. Rys. 2. Kolektor słoneczny do suszenia ziarna zbóż na suszarce podłogowo kanałowej: 1 - kolektor słoneczny, 2 -. Podgrzewacz powietrza, 3 – wentylator, 4 - kanał główny suszarki, 5 - kanały boczne. Rys. 3. Zastosowanie kolektora słonecznego do suszenia ziarna zbóż w baterii 4 silosów zbożowych, każdy o pojemności 30 ton: 1 - wentylator, 2 - przewód powietrzny, 3, 4 - przewody powietrzne, 4 - silosy zbożowe, 5 kolektory słoneczne. Rys. 4. Kotłownia opalana słoma o mocy 1 MW w Lubaniu. Rys. 5. Siłownia wiatrowa w gospodarstwie rolnym. Rys. 6. Możliwości wykorzystania pompy ciepła w rolnictwie. Rys. 7. Zintegrowany system energetyczny w gospodarstwie hodowli świń i produkcji warzyw w szklarni. Rys. 8. Koncepcja zintegrowanego systemu energetycznego w gospodarstwie ogrodniczym. Spis tabel Tab. 1 Stan i prognoza udziału rolnictwa w krajowym bilansie potrzeb bezpośrednich nośników energetycznych i wykorzystanie odnawialnych źródeł energii. Tab. 2. Zastosowanie kolektorów słonecznych w rożnych systemach ogrzewczych. Tab. 3. Porównanie suszenia lucerny i koniczyna powietrzem nieogrzewanym i powietrzem ogrzanym z kolektora słonecznego. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego AGROINŻYNIERIA GOSPODARCE 30
