Technologia zbioru roslin energetycznych.indd
advertisement
Technologie zbioru roślin energetycznych pod redakcją Aleksandra Lisowskiego WYDAWNICTWO SGGW Warszawa 2010 © Copyright by Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2010 Autorzy rozdziałów: Jarosław Chlebowski: Jacek Klonowski: Aleksander Lisowski: Tomasz Nowakowski: Adam Strużyk: Michał Sypuła: 4, 4, 1, 2, 4, 4, 5, 5, 4, 3, 5, 5, 6, 6, 5, 4, 6, 6, 7 7 6, 7, 10 5, 6, 7 7, 8, 9 7 Pracę wykonano w ramach projektu badawczego zamawianego nr PBZ-MNiSW – 1/3/2006 pt. „Nowoczesne technologie energetycznego wykorzystania biomasy i odpadów biodegradowalnych (BiOB) – konwersja BiOB do energetycznych paliw gazowych”, realizując zadanie „Opracowanie wielowariantowej technologii zbioru wierzby krzewiastej”, finansowane przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w latach 2007–2010 Recenzenci: prof. dr hab. Kazimierz Dreszer prof. dr hab. Stefan Szczukowski Opracowanie redakcyjne – Jan Kiryjow Redaktor techniczny – Elżbieta Wojnarowska ISBN 978-83-7583-222-8 Wydawnictwo SGGW ul. Nowoursynowska 166, 02-787 Warszawa tel. (22) 593 55 20 (-22; -25 – sprzedaż), fax (22) 593 55 21 e–mail: [email protected] www.wydawnictwosggw.pl Druk: Agencja Reklamowo-Wydawnicza A. Grzegorczyk, www.grzeg.com.pl Spis treści Ważniejsze oznaczenia stosowane w pracy ................................................ Przedmowa ............................................................................................... 5 7 1. Wstęp ................................................................................................ 9 2. Rośliny energetyczne ......................................................................... 10 3. Właściwości fizyczne materiału roślinnego ......................................... 3.1. Wytrzymałość mechaniczna łodyg ............................................. 3.2. Charakterystyka pociętego i zmielonego materiału roślinnego .... 3.3. Właściwości aerodynamiczne materiału rozdrobnionego ............ 25 25 53 63 4. Technologie zbioru ............................................................................ 4.1. Termin zbioru ........................................................................... 4.2. Mechanizmy ścinające ............................................................... 4.3. Techniki zbioru ......................................................................... 77 77 78 82 5. Zbiór wierzby i topoli w krótkiej rotacji .............................................. 85 6. Maszyny do zbioru wierzby ................................................................ 91 7. Zbiór traw i bylin ............................................................................... 111 8. Modelowe technologie zbioru wierzby ................................................. 116 8.1. Założenia do modelu ................................................................. 117 8.2. Technologie zbioru wierzby ........................................................ 119 9. Koszty zbioru roślin energetycznych w świetle wyników badań .......... 126 10. Podsumowanie .................................................................................. 132 Literatura ................................................................................................. 134 Streszczenie ............................................................................................. 143 Summary ................................................................................................. 145 3 Ważniejsze oznaczenia stosowane w pracy Symbol Znaczenie Af powierzchnia plantacji Jednostka ha bm szerokość robocza maszyny m bp szerokość pakietu (wiązki) m C1i, C2i, C3i współczynniki charakteryzujące podatność kół na poślizg – d średnica próbki m db średnica komory prasowania (beli) m dp szerokość komory zwijania pakieciarki Ejt, Ejc, Ejg energia jednostkowa cięcia, ściskania, zginania fd, fp współczynnik oporu toczenia po drodze, polu Femp statystyka Fischera-Snedecora Ft, Fc, Fg siła cięcia, ściskająca, zginająca (całkowita) m J·m–2 – N Fte, Fce, Fge siła cięcia, ściskająca, zginająca (w zakresie sprężystości) g przyspieszenie ziemskie N genom nominalne zużycie paliwa G ładowność Gl udźwig I biegunowy moment bezwładności przekroju próbki m4 k0i współczynnik prędkości krytycznej m–1 m∙s–2 g∙kW–1∙h–1 t, m3 t lp odległość punktów podparcia próbki m lb szerokość komory prasowania prasy zwijającej (długość beli) m mb, mc, ml, mm, mp,mpa masa beli, ciągnika; własna ładunku, maszyny, przyczepy, pakietu kg n stała charakteryzująca materiał – Pnom moc nominalna silnika W q dopuszczalny strumień masy Qt przepustowość maszyny t·h–1 Qw, plon roślin wilgotnych t·ha–1 Sc, St, Sg powierzchnia ściskania próbki, przekrój poprzeczny próbki w miejscu jej cięcia, zginania m2 sdi, spi droga dojazdu z pola do miejsca składowania i powrotna m – kg·s–1 sg standardowe odchylenie geometryczne (bezwymiarowe) temp statystyka t-Studenta vki, vk(i+1) prędkość krytyczna dla i-tej, i +1 frakcji cząstek m·s–1 vkai,vkgi środkowe i średnie wartości geometryczne przedziałów klasowych prędkości krytycznych dla i oraz i +1 frakcji cząstek m·s–1 5 Technologie zbioru roślin energetycznych vka,vkg średnia ważona arytmetyczna i geometryczna prędkość krytyczna cząstek mieszaniny m·s–1 vt, vtp prędkość teoretyczna przy nominalnej prędkości kątowej silnika, przy której WOM osiąga nominalną prędkość kątową m·s–1 Vpi natężenie strumienia powietrza dla i-tej frakcji cząstek m3·s–1 Vt pojemność skrzyni m3 w wilgotność roślin % Ww, Wz wydajność rozładunku, załadunku x, xg, xi, xi–1 odkształcenie (skok noża, ugięcie), średnia geometryczna wymiaru cząstek, przekątna otworu i-tego i powyżej i-tego sita m xR, x50 stałe określające zakres rozmiaru cząstek m x, y, z wymiary pryzmy m t·h–1 y odległość zewnętrznych włókien od osi obojętnej próbki m Y udział masowy materiału – Δlt, Δlc poprzeczna deformacja materiału roślinnego od siły cięcia, ściskającej m ηm, ηo sprawność mechaniczna, ogólna % ηp stopień wykorzystania pojemności % λg rzeczywisty współczynnik obciążenia silnika ρ, ρp gęstość ładunku, roślin w pryzmie 6 – kg·m–3 Przedmowa Tematem nadrzędnym monografii jest zagadnienie z zakresu odnawialnych źródeł energii, obejmujące problematykę technologii zbioru biomasy pozyskiwanej z roślin energetycznych. Scharakteryzowano drzewa i krzewy krótkiej rotacji, trawy i byliny, których uprawa jest ukierunkowana na potrzeby energetyczne. Przeanalizowano stan wiedzy z zakresu dostępnych technologii zbioru oraz specyficzne cechy konstrukcyjne maszyn do ścinania roślin i rozdrabniania materiału przeznaczanego do produkcji paliw formowanych. Na tle światowej oferty maszyn do zbioru roślin energetycznych w pracy zaprezentowano autorskie rozwiązanie konstrukcyjne ciągnikowej sieczkarni, które zgłoszono do Urzędu Patentowego, wykonane w ramach projektu badawczego zamawianego nr PBZ-MNiSW – 1/3/2006 pt. „Nowoczesne technologie energetycznego wykorzystania biomasy i odpadów biodegradowalnych (BiOB) – konwersja BiOB do energetycznych paliw gazowych”, realizując zadanie „Opracowanie wielowariantowej technologii zbioru wierzby krzewiastej”, finansowane przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w latach 2007–2010. Kierując się zatem potrzebami spełnienia wymagań związanych z realizowanym grantem, zaprezentowano modelowe technologie zbioru wierzby, które mogą być stosowane nie tylko w polskiej strukturze gospodarstw lub warunkach klimatycznych, ale także na innych kontynentach. Ich konsekwencją było opracowanie modeli matematycznych, zweryfikowanie w warunkach polowych oraz przedstawienie wyników badań symulacyjnych dla różnych parametrów wejściowych. Zaprezentowane w pracy wyniki dotyczą badań teoretycznych i eksperymentalnych, a odnoszą się do kosztów jednostkowych wytwarzania biomasy w postaci rozdrobnionej oraz zużycia paliwa i pracochłonności odniesionej do 1 t suchej substancji pozyskiwanej w sześciu analizowanych technologiach zbioru roślin energetycznych. Energetyczny aspekt oceny technologii zbioru pociągał za sobą potrzebę przedstawienia różnic we właściwościach fizycznych materiału z siedmiu rodzajów roślin: wierzby wiciowej, róży wielokwiatowej, miskanta olbrzymiego, ślazowca pensylwańskiego, spartiny preriowej, słonecznika bulwiastego i rdestowca sachalińskiego. Ograniczenia wynikające z celów zawartych w zadaniu badawczym nie wyczerpują w pełni problematyki technologii zbioru roślin energetycznych. Z przedstawionego zakresu tematycznego wynika, że niniejsza publikacja jest przeznaczona zarówno dla pracowników naukowych z dyscypliny inżynieria rolnicza, jak i innych dyscyplin zajmujących się produkcją biomasy roślinnej i jej przetwarzaniem na cele energetyczne. Może być również wykorzystana przez studentów kierunków rolniczych, technicznych, a także ekonomicznych specjalizujących się w energetycznym wykorzystaniu biomasy roślinnej. Treści zawarte w niej mogą być również inspiracją dla producentów maszyn rolniczych oraz praktyków z rozwijającej się branży odnawialnych źródeł energii. 7 Technologie zbioru roślin energetycznych Niniejsza monografia jest efektem pracy zespołu badawczego pracowników Katedry Maszyn Rolniczych i Leśnych Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, którym serdecznie dziękuję za przeprowadzenie badań stacjonarnych i polowych oraz za przygotowanie oryginalnych stanowisk pomiarowych. Dziękuję również doktorantom i studentom, którzy brali czynny udział w badaniach na różnych etapach ich realizacji. Pragnę również podziękować pracownikom Wydziału Rolnictwa i Biologii SGGW za owocną współpracę oraz za możliwość przeprowadzenia eksperymentów w warunkach naturalnych na poletkach Stacji Doświadczalnej w Skierniewicach i pozyskania materiału roślinnego do wykonania badań w warunkach stacjonarnych. Bardzo serdeczne podziękowania składam koordynatorowi projektu zamawianego – dr. inż. Tomaszowi Golcowi za stworzenie dobrych warunków współpracy dla kilkunastu interdyscyplinarnych zespołów badawczych z całej Polski. Serdecznie dziękuję recenzentom, prof. dr. hab. Kazimierzowi Dreszerowi i prof. dr. hab. Stefanowi Szczukowskiemu, za cenne uwagi i porady, które przyczyniły się do udoskonalenia tej monografii. Aleksander Lisowski 8 1. WSTĘP Rośliny energetyczne, bogate w związki celulozowe i ligninowe, mogą być wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej lub cieplnej oraz do wytwarzania paliw zarówno ciekłych, jak i gazowych. Materiał roślinny można spalać w formie zrębków lub sieczki bądź po przetworzeniu w postaci brykietów lub peletów. Uprawy wykorzystywane na cele energetyczne pozwalają na zagospodarowanie nisko produktywnych bądź zdegradowanych terenów rolniczych, co ma duże znaczenie w naszym kraju, gdzie stężenie metali ciężkich w glebie na ponad 20% powierzchni użytkowanej rolniczo przekracza dopuszczalne normy. Technologie zbioru roślin przeznaczonych na cele energetyczne przechodziły przez różne etapy ewolucyjnego rozwoju. W początkowym okresie do zbioru roślin energetycznych wykorzystywano techniki stosowane w rolnictwie lub leśnictwie, w zależności od rodzaju rośliny. Sukcesywnie z nabywanym doświadczeniem modyfikowano zespoły robocze lub całe maszyny, a w dojrzałym etapie rozwoju tego segmentu rynku są oferowane specjalistyczne maszyny z nowoczesnymi rozwiązaniami układów roboczych i jezdnych. Obecna oferta rynkowa maszyn nie wyczerpuje dalszych możliwości rozwoju oraz doskonalenia technik i technologii zbioru roślin energetycznych. Mimo że teoretyczne możliwości stosowania nowoczesnych technologii zbioru są duże, to w praktyce w dalszym ciągu wykorzystuje się bardzo zróżnicowane techniki koszenia i przetwarzania biomasy. Dotyczy to zwłaszcza warunków polskich, gdzie uprawa roślin energetycznych jest bardzo rozproszona, a powierzchnie pojedynczych plantacji są skrajnie zróżnicowane i wynoszą od kilku arów do kilkuset hektarów. W zależności od przyjętej technologii zbioru stosuje się różne maszyny, które mogą być wyposażone w zespoły z zainstalowanymi mechanizmami ścinającymi, o specyficznych cechach funkcjonalnych, dostosowanych do rodzaju rośliny i cyklu zbioru. 9 2. ROŚLINY ENERGETYCZNE Dobór gatunków roślin do uprawy na plantacjach energetycznych zależy od warunków glebowo-klimatycznych i wyposażenia technicznego gospodarstwa oraz wymagań zakładów energetycznych odnośnie jakości biomasy (Faber i in. 2009). Dla energetyki zawodowej najbardziej przydatne jest drewno krzewów i drzew szybko rosnących, które po ścięciu łatwo odrastają, do których zalicza się wierzbę krzewiastą, topolę, robinię akacjową i różę wielokwiatową. Mniej przydatna jest biomasa bylin wieloletnich – ślazowca pensylwańskiego i słonecznika bulwiastego (topinamburu), a najmniej traw wieloletnich, wśród których rozważane są gatunki miskanta, prosa rózgowatego, palczatki Gerarda, spartiny preriowej, wydmurzycy wydłużonej i mozgi trzcinowatej. Osobną grupę stanowi rdestowiec sachaliński, należący do rodziny rdestowatych. Wymienione rośliny należą do grupy wieloletnich, co pozwala na zmniejszenie kosztów ponoszonych na zakładanie i prowadzenie plantacji. Niektóre z nich będą poniżej scharakteryzowane: albo z uwagi na bezpośrednie ich badanie przez autorów niniejszego opracowania, albo ze względu na teoretyczne możliwości ich rozwoju w warunkach klimatycznych Polski (np. topoli). Wierzba (Salix L.) Rejon występowania wierzby jest bardzo szeroki i obejmuje Europę, Azję i Amerykę Północną. W Polsce jest to roślina bardzo popularna i można ją spotkać na terenie całego kraju. Powszechnie rośnie na obrzeżach cieków wodnych i podmokłych terenach. Występuje w formie drzewiastej i krzewiastej. Zmiana formy może nastąpić w wyniku sposobu uprawy. Najpopularniejszym gatunkiem wykorzystywanym na cele energetyczne jest wierzba wiciowa (rys. 2.1), zwana również konopianką, charakteryzująca się bardzo szybkim przyrostem biomasy oraz odpornością na szkodniki i choroby (Dubas 2003, Król 2004). Wierzba wiciowa w uprawie na cele energetyczne jest zbierana w cyklach jedno-, dwu- lub trzyletnich. W zależności od stanowiska i wieku pędy osiągają do 6 m wysokości i średnicę do 80 mm. Młode pędy są wiotkie i bardzo giętkie, pokryte srebrzystymi włoskami, a z czasem zmieniają kolor na zielony lub szarawy. Intensywnie zielone liście o kształcie lancetowatym z widocznym żółtym nerwem mają długość 80–250 mm i szerokość 6–12 mm. Kwiatostanem są walcowate kotki kwitnące przed rozwojem liści (Godet 2000). W uprawie polowej 10 Rośliny energetyczne Rysunek 2.1. Wierzba wiciowa: lipiec, listopad wierzbę rozmnaża się wegetatywnie za pomocą sadzenia kawałków pociętych pędów długości 0,25 m i średnicy nie mniejszej niż 7 mm, zwanych zrzezami lub bardziej popularnie sztobrami. Zrzezy po posadzeniu ukorzeniają się i wypuszczają nowe pędy (Szczukowski i in. 2004, 2006). Najbardziej przydatnymi terenami do uprawy wierzby są stanowiska z glebami klas III, IV i V o dostatecznej wilgotności (Jasiulewicz 2009). Opady w uprawie wierzby są szczególnie istotne w okresie wiosennym, gdyż ich bark może skutkować wypadaniem roślin. Brak wody powoduje ograniczenie rozwoju systemu korzeniowego młodych roślin. Dlatego tak istotne jest, aby uprawa wierzby była prowadzona na glebach o odpowiednim poziomie wód gruntowych, zależnie od ich przepuszczalności. Przy planowaniu nasadzeń wierzby trzeba brać pod uwagę przewidywany system zbioru: jedno- czy dwufazowy. Zbiór maszynowy wymaga uwzględnienia wjazdu na pole ciężkich maszyn, bez niszczenia kołami karp świeżo ściętej wierzby. Przy zbiorze jednofazowym wierzbę sadzi się pasowo. Dwa rzędy w rozstawie 0,75–0,8 m i rozstaw pasów 1,25–1,5 m. Odległość roślin w rzędzie wynosi 0,4–0,5 m. Dla zbioru dwufazowego zaleca się rozstaw rzędów 0,7–0,8 m i odległość między roślinami w rzędach 0,4–0,45 m (Szczukowski i Tworkowski 2000, 2001, 2004, 2009). W celu ponownego odrastania pędów wierzby z karpy w następnym okresie wegetacji, po zakończeniu pierwszego roku uprawy, rośliny muszą być ścięte. Produktywność biomasy w pierwszym okresie wegetacji jest bardzo niska, gdyż roślina intensywnie rozbudowuje system korzeniowy kosztem części nadziemnej. Właściwy zbiór pędów wierzby możemy przeprowadzić po zakończeniu drugiego roku wegetacji, od drugiej połowy listopada do końca marca. Fizycznym znakiem do rozpoczęcia zbiorów jest opadnięcie liści z łodyg. Z jednego hektara plantacji wierzby można pozyskać 10–15 t suchej biomasy. Topola (Populus L.) Topola (rys. 2.2) jest powszechnie znanym w naszym kraju drzewem należącym do rodziny wierzbowatych. Liczba gatunków, odmian i mieszańców przekracza 100. Można ją znaleźć w bardzo odmiennych rejonach globu – od 11 Technologie zbioru roślin energetycznych obszarów Azji, Europy i północnych części Ameryki po gorące obszary Afryki (Karwowska 2008). Topola charakteryzuje się bardzo szybkim wzrostem, dlatego zalecana jest do nasadzeń na plantacjach energetycznych. Na pniu i młodych gałęziach kora topoli jest jasna, szarobiała i gładka. U starych drzew kora u podstawy jest mocno spękana. Kwitnie wczesną wiosną przed rozwojem liści lub równocześnie z nimi. Topola jest rośliną dwupienną i wiatropylną. Kwiaty męskie są zebrane w grube kotkowate kwiatostany długości do 80 mm o czerwonych pylnikach. Kwiaty żeńskie mają kotki krótsze (do 30 mm), o żółtozielonej barwie. Owocem jest torebka zawierająca liczne drobne nasiona zaopatrzone w kępki białych włosków, dzięki którym są one łatwo rozsiewane przez wiatr (Zawadzka i Sławski 2007). System korzeniowy topoli jest dość płytki, rozprzestrzeniający się daleko poza koronę drzewa. Z odrostowych korzeni wyrastają korzenie rosnące w głąb gleby na głębokość 2–3 m (Murat 1998). Do uprawy topoli zaleca się wykorzystanie siedlisk lasu wilgotnego i łęgowego. Dopuszcza się też wykorzystanie siedliska lasu świeżego, mieszanego świeżego i wilgotnego. Przy uprawie na terenach rolniczych dla topoli najbardziej przydatne są gleby o dobrych stosunkach powietrzno-wodnych klas II–IVa i o stosunkowo wysokim pH gleby – 6,0–7,5 (Zabielski 1998). Topole mają duże Rysunek 2.2. Topola 12 Rośliny energetyczne wymagania co do zasobów wilgoci w glebie, szczególnie w sezonie wegetacyjnym (Molas 2008). Przy wysokim poziomie wody gruntowej 0,5–2 m woda musi być dobrze natleniona i przepływowa (Węgorek 2003). Zapewnienie odpowiedniego poziomu wód gruntowych, żyzności gleby i wysokiej temperatury, szczególnie w okresie od czerwca do września, decyduje o możliwości uzyskania wysokiego plonu biomasy. Plantację topoli zakłada się wysadzając do gleby zrzezy długości 0,25 m tak, aby odcinki 30 mm wystawały ponad powierzchnię. Sadzenie przeprowadza się w okresie wysokiego uwilgotnienia gleby – najlepiej już od lutego, jeżeli warunki pogodowe na to pozwalają, do połowy kwietnia. Późniejszy termin sadzenia wymaga stosowania nawadniania. Alternatywną metodą jest sadzenie łodyg topoli o długości 1,0–1,5 m odciętych z pędów bocznych (odrostów). W zależności od przewidywanej techniki zbioru rośliny wysadza się w rozstawie rzędów 3,0–3,4 m, a w rzędzie 0,5–0,6 m (Karwowska 2008). Dla długich cyklów zbioru możliwe jest stosowanie rozstawów większych, np. 1,8 × 1,8 m lub 1,5 × 3,0 m (Molas 2007). W przypadku topoli konieczne jest zwalczanie chwastów w okresie dwóch pierwszych lat po założeniu plantacji i w każdym roku po ścięciu odrośli. Jednym z problemów związanych z uprawą topoli jest trwałość plantacji. Topolę zbiera się na plantacjach energetycznych w cyklach krótkich (2–3-letnich) lub długich (4–6-letnich). Uzyskuje się wtedy wydajność z hektara 8–12 t suchej biomasy (Węgorek 2003). Ze względu na podnoszenie się płaszczyzny cięcia topoli w kolejnych latach zbioru podczas pierwszego zbioru roślinę ścina się na wysokości do 0,15 m. Cięcie najlepiej wykonać po zakończeniu wegetacji w okresie od grudnia do końca lutego. Robinia akacjowa (Robinia pseudoacacia L.) Drugą równoważną nazwą robinii akacjowej (rys. 2.3) jest grochodrzew. Drzewo pochodzi z Ameryki Północnej, gdzie występowało we wschodniej i środkowej części Stanów Zjednoczonych (Kozakiewicz i Wiktorski 2007). Robinię akacjową sprowadzono do Europy w XVII wieku jako roślinę ozdobną wykorzystywaną w parkach i ogrodach. Ze względu na małe wymagania glebowe roślina łatwo zasiedla tereny ruderalne. Silna ekspansja robinii akacjowej, szczególnie w południowych rejonach Europy, spowodowała, że stała się ona gatunkiem dominującym. W Polsce jest gatunkiem szeroko rozpowszechnionym. Młoda korowina robinii jest gładka i brunatna, starsza – podłużnie poprzecinana z rozgałęziającymi się bruzdami i szara. Liście nieparzystopierzaste o długości 0,15–0,30 m są złożone z 7–9 par owalnych listków o długości 30–40 mm. Liście z wierzchu są barwy intensywnie zielonej, a od spodu szarawej. Dwa przylistki znajdujące się u podstawy liścia są przekształcone w kłujące ciernie. Na przełomie maja i czerwca robinia kwitnie białymi pachnącymi kwiatami. Kwiaty, zebrane po 15–30, są ułożone w gęste zwisające grona o długości do 0,20 m. Roślina jest silnie miododajna. Owocem robinii jest nagi, spłaszczony 13 Technologie zbioru roślin energetycznych Rysunek 2.3. Robinia akacjowa strąk dojrzewający od października do wiosny o długości 100 mm (Godet 2000, Kozakiewicz i Wiktorski 2007, Zawadzka i Sławski 2007). Robinia akacjowa rośnie na suchych i jałowych nieużytkach przy stosunkowo małych wymaganiach wodnych. Wytwarza rozległy system korzeniowy. Korzenie robinii są wyposażone w brodawki, wewnątrz których znajdują się symbiotyczne bakterie nitryfikacyjne. Dzięki nim robinia pobiera wolny azot z powietrza, przekształcając go w związek przyswajalny przez roślinę (Kozakiewicz i Wiktorski 2007). Robinię można polecać do uprawy na nieużytkach rolnych i obszarach zdewastowanych, np. przez erozję, w celu produkcji drewna kawałkowego. Robinia jest rośliną światłolubną, odporną na przymrozki wiosenne, suszę i zasolenie gleby (Węgorek 2003). Drewno robinii jest gatunkiem polecanym na opał do indywidualnych systemów grzewczych „typu kominkowego”. Najwyższe plony uzyskuje się przy obsadzie roślin 20 tys.∙ha–1 w 5-letnich cyklach zbioru. Dla uzyskania drewna kawałkowego wymagane są dłuższe cykle produkcyjne (15– –20 lat). Drzewo dorasta wtedy do wysokości około 25 m. Robinia daje twarde drewno o lepszych parametrach od topoli i wierzby, porównywalnych z drewnem dębowym (Kraszkiewicz 2008), a jej zbiór musi być dokonywany sprzętem mechanicznym z uwagi na ciernistość pędów. Robinia ma wysoką zdolność wydawania odrośli. Dlatego przy długich cyklach wymagane jest przeprowadzanie 14 Rośliny energetyczne cięć rozluźniających. Należy zaznaczyć, że w takich systemach uprawy stosuje się zbiór z wykorzystaniem technik leśnych. Pierwotnie zakładano, że tworzone plantacje roślin energetycznych będą wykorzystywać tereny zdegradowane i nieprzydatne rolnictwu. Okazało się jednak, że wiele roślin ma stosunkowo wysokie wymagania glebowo-klimatyczne (Ostrowski i Gutkowska 2008). Uprawa roślin na terenach nierolniczych jest możliwa, ale plony są bardzo niskie oraz występują problemy z utrzymaniem plantacji. Róża wielokwiatowa (Rosa multiphlora Thunb.) Róża wielokwiatowa (rys. 2.4), zwana również różą bezkolcową, jest bujnym krzewem z rodziny różowatych. W warunkach Polski jest to roślina pospolita i można ją spotkać często rosnącą dziko na terenie całego kraju. Pochodzi ze wschodniej Azji, gdzie powszechnie występuje w Chinach, Japonii i Korei. Róża wielokwiatowa rozrasta się bardzo intensywnie, wytwarzając dużą liczbą długich pędów ze skłonnością do tworzenia wielu pędów odroślowych. W sprzyjających warunkach krzew tworzy liczne odrosty o średnicy do 4 m i rośnie do wysokości 2,5 m. Na plantacjach przy corocznym zbiorze roślina tworzy łukowate pędy, które mogą dochodzić do 4 m długości. Krzew ma ciemnozielone drobne liście oraz kwitnące latem małe pięciopłatkowe kwiaty zebrane w wiechowate kwiatostany o śnieżnobiałych płatkach i intensywnie żółtych pręcikach. Ze względu na te walory róża jest cenną rośliną wykorzystywaną do kształtowania terenów zielonych w ogrodach i parkach. Owocami są tzw. owoce pozorne o średnicy do 5 mm i barwie koralowoczerwonej (Godet 2000). Róża wytwarza głęboki system korzeniowy, który pozwala jej przetrwać długo trwającą suszę. Ma bardzo niskie wymagania klimatyczne i glebowe, można ją z powodzeniem uprawiać na glebach słabych i bardzo słabych klasy V i VI przy pH gleby 5,5–7,5 (Martyn 2003). W tych warunkach należy się jednak liczyć z niższymi plonami. Przy wykorzystaniu gleb bardziej urodzajnych uzyskuje się zdecydowanie większe przyrosty biomasy. Przy uprawie na cele energetyczne na glebach mniej urodzajnych różę wysadza się w rozstawie 0,5 × 1 m. Jeżeli Rysunek 2.4. Róża wielokwiatowa: maj, listopad 15 Technologie zbioru roślin energetycznych sadzimy ją na glebie zasobniejszej, to rozstawa może być zwiększona (1 × 1 m). Różę sadzimy w okresie od końca marca do końca kwietnia. Jesienią od końca października można rozpoczynać zbiór róży, ścinając pędy na wysokości 0,15–0,25 m nad ziemią. Zbiór jest utrudniony ze względu na bardzo dużą liczbę łukowatych pędów (czasami do 30 sztuk w karpie), które są silnie poplątane z pędami sąsiednich karp. Zebrane pędy poddaje się zrębkowaniu, dzięki czemu łatwiejszy jest ich transport do odbiorcy końcowego. Za wykorzystaniem róży jako rośliny energetycznej przemawia bardzo szybki roczny przyrost biomasy oraz duża odporność na niskie temperatury i suszę. Biomasę można zbierać już po roku od założenia plantacji. Plantacje róży wielokwiatowej na żyznym stanowisku mogą być eksploatowane nawet do 25 lat przy plonie 10–15 t s.m.⋅ha–1. Róża znajduje również zastosowanie przy rekultywacji gleb. Jest też szeroko stosowana w ogrodnictwie jako roślina ozdobna. Z tego gatunku hodowcy otrzymali wiele form róż pnących. Różę wielokwiatową wykorzystuje się również do tworzenia pasów fitosanitarnych na obrzeżach plantacji innych gatunków roślin wieloletnich i na obrzeżach lasów oraz jako karmę dla dzikich zwierząt. Miskant olbrzymi (Miscanthus sinensis giganteus J.M. Greef & M. Deuter) Miskant (rys. 2.5) jest trawą wieloletnią, która obejmuje ponad 20 różnych gatunków mających dużą zmienność morfologiczną. Pochodzący pierwotnie z Japonii, Filipin oraz dawnych Indochin, w Europie pojawił się najprawdopodobniej około XVI w., lecz uprawa jego datowana jest od około 75 lat (Sawicki i Kościk 2003) – na początku jako rośliny ozdobnej, tworzącej zwarte i bujne zielone kępy. Obecnie coraz częściej można miskanta spotkać na plantacjach roślin energetycznych, gdyż ma on główne cechy, jakimi powinna charakteryzować się roślina energetyczna (Chołuj i Podlaski 2008). Miskant olbrzymi jest międzygatunkowym mieszańcem miskanta chińskiego (diploidalnego) z miskantem cukrowym (tetraploidalnym). Miskant jest rośliną wieloletnią o bardzo silnym systemie korzeniowym sięgającym 2,5 m w głąb ziemi, co ułatwia pobieranie wody i składników pokarmowych (Jankowski 1994). Łodygi miskanta, nagie z wyraźnie zaznaczonymi węzłami i gąbczastym rdzeniem, charakteryzują się dużą sztywnością. W polskich warunkach klimatycznych osiągają wysokość 2–3,5 m. Blaszki liściowe koloru jasno- lub ciemnozielonego, lancetowate, o długości 0,6–1 m i szerokości 8–32 mm. Liście utrzymują się na roślinie bardzo długo, niekiedy przez cały okres zimowy. Kwiatostan miskanta jest słabo rozbudowany w postaci wiechy lub wiechy kłosokształtnej i również pozostaje długo na roślinie. Miskant nie wytwarza nasion, stąd nie ma możliwości rozprzestrzeniania się w środowisku. Rozmnażany jest tylko wegetatywnie przez sadzenie sadzonek kłączowych uzyskanych z plantacji matecznych lub z roślin uzyskanych metodą in vitro. Roślina miskanta cechuje się szybkim wzrostem oraz wysokim plonem biomasy z jednostki powierzchni, 16 Rośliny energetyczne Rysunek 2.5. Miskant olbrzymi: maj, listopad szczególnie jeżeli w okresie wegetacji wystąpiło upalne lato z opadami. Miskant należy do roślin o typie fotosyntezy C4, który charakteryzuje się mechanizmem zwiększającym zdolność absorpcji CO2 i oszczędnym gospodarowaniem wodą (Majtkowska i Majtkowski 2005). Uprawę miskanta można prowadzić na glebach klas nawet V i VI, ale o odpowiedniej wilgotności i pH, które powinno wynosić około 6,5 (Sawicki i Kościk 2003). Na takich glebach należy liczyć się z niezbyt wysokimi plonami. Na glebach zasobniejszych w substancje próchniczne (III i IV klasy) i o uregulowanych stosunkach wodnych można uzyskać plony o 20–30% wyższe niż na glebach niższych bonitacji (Roszewski 1996). Dlatego w zależności od warunków siedliskowych plon miskanta olbrzymiego może wynosić 10–30 t⋅ha–1 suchej biomasy. Maksymalny plon uzyskuje się w trzecim roku uprawy i utrzymuje się on do 8.–9. roku prowadzenia plantacji. Sadzonki miskanta wysadza się w rozstawie 1 × 1 m, co pozwala na tworzenie przez roślinę dużych i zwartych kęp oraz zapewnia optymalną penetrację łanu przez promieniowanie świetlne. Rośliny miskanta mają mniejszą odporność na niskie temperatury, zwłaszcza w pierwszym roku uprawy. Stąd zaleca się zabezpieczenie plantacji na zimę, np. przez ściółkowanie lub wykonanie obredlania roślin (Kozak 2006). Zbiór roślin przeprowadza się w okresie od późnej jesieni (po wystąpieniu przymrozków) do marca. Późniejszy zbiór związany jest ze zmniejszeniem plonu, co jest wynikiem opadania części liści (Lisowski i in. 2009a) i translokacji składników pokarmowych do podziemnych kłączy. W tych warunkach uzyskuje się jednak surowiec o mniejszej zawartości wody, który łatwiej przechowywać. Ślazowiec pensylwański (Sida hermaphrodita Rusby L.) Ślazowiec pensylwański (rys. 2.6) jest rośliną należącą do rodziny ślazowatych (Malvaceae), która obejmuje kilkaset gatunków roślin. Pochodzi z południowych rejonów Ameryki Północnej, gdzie występuje na wilgotnych stanowiskach (Borkowska i Styk 2006, Remlein-Starosta i Nijak 2007). Ślazowiec jest byliną wieloletnią, która w uprawie może być użytkowana przez 15–20 lat. Roślina corocznie odrasta dzięki powstawaniu pączków wzrostowych na korzeniach 17 Technologie zbioru roślin energetycznych Rysunek 2.6. Ślazowiec pensylwański: maj, listopad i w strefie przyłodygowej. W pierwszym roku wytwarza jeden pęd, a w kolejnych latach w zależności od warunków uprawy rozrasta się w silnie ulistniony krzak. Przy szerokim rozstawie rzędów liczba łodyg może dochodzić do 20–40 na jednej roślinie. Zielone łodygi o średnicy 5–30 mm osiągają wysokość do 4 m. Komórki miękiszu rdzeniowego łodyg w dojrzałych roślinach mogą częściowo zanikać tworząc niewielki pusty kanał. Na wierzchołkach pędów powstają liczne rozgałęzienia zakończone kwiatostanami w kształcie podbaldachów z drobnymi kwiatami w kolorze białym. Ślazowiec kwitnie od połowy lipca i okres ten trwa 6–8 tygodni. Długi okres kwitnienia powoduje, że obok dojrzałych owoców pozostają kwitnące pędy. Z dojrzałego owocu otrzymuje się 5–8 drobnych nasion barwy jasnobrązowej. Roślina należy do roślin miododajnych. Liście ślazowca mają kształt dłoniasto-klapowaty z licznymi wcięciami o dużej zmienności. Ich zróżnicowanie dotyczy blaszki liściowej, której szerokość może dochodzić do 0,36 m, a długość do 0,28 m (Borkowska i Styk 2003). Ślazowiec pensylwański, jako roślina wieloletnia, wykształca silny system korzeniowy, który po kilku latach może dochodzić do głębokości 2,5–3,0 m i rozrastać się w płaszczyźnie poziomej do średnicy 0,7–1,0 m. Główna ilość korzeni znajduje się jednak w warstwie do głębokości 0,3–0,4 m. W rosnących poziomo, tuż pod powierzchnią gleby, korzeniach tworzą się pączki wzrostowe, z których na wiosnę wyrastają nowe pędy (Borkowska i Styk 2006). Ślazowiec można rozmnażać zarówno generatywnie przez nasiona, jak i wegetatywnie przy użyciu sadzonek uzyskanych przez podział korzeni, pędów lub karp. Ze względu na brak specjalnych wymagań glebowych ślazowiec pensylwański można uprawiać na glebach V klasy pod warunkiem dobrego uwilgotnienia. Wykorzystanie gleb żyźniejszych do uprawy gwarantuje dużo większy plon części nadziemnej. Pole pod ślazowiec musi być odchwaszczone, szczególnie należy zwrócić uwagę na walkę z chwastami wieloletnimi (Wiśniewski i Podlaski 2008). Siew nasion przeprowadza się od kwietnia, gdy wierzchnia warstwa gleby osiągnie 8–10°C, w rzędy o rozstawie 0,6 × 0,7 m na głębokość 10–15 mm (Kowalczyk-Juśko 2009). Nasiona charakteryzują się obniżoną zdolnością kiełkowania 18 Rośliny energetyczne wynikającą z tzw. twardości nasion. Obniża to wschody i nie pozwala na uzyskanie równomiernych wschodów (Borkowska i Styk 2006). W przypadku nasion ślazowca w celu pobudzenia do szybszego, lepszego i jednolitego kiełkowania materiału siewnego można zastosować hydrokondycjonowanie nasion (Grzesik i Romanowska-Duda 2009). Przy wykorzystaniu sadzonek korzeniowych, czyli odcinków korzeni, na których występują pączki wzrostowe wysadza się je w rzędzie co 0,24–0,48 m w rozstawie rzędów 0,70 m lub 0,28–0,56 m × 0,60 m. Sadzonki najlepiej przygotować tuż przed wysadzeniem (Kowalczyk-Juśko 2004). W zależności od przebiegu pogody ślazowiec kończy okres wegetacji w III dekadzie października lub I dekadzie listopada. Ślazowiec powinien być zbierany zimą, kiedy wilgotność roślin zbliża się do 20% (Lisowski i in. 2008c, 2009b, 2009d), gdyż wówczas istnieje możliwość wykorzystania biomasy do spalania bez konieczności jej dosuszania (Borkowska 2005). Duża ilość uzyskiwanej biomasy o dobrej jakości, przy plonie do 18 t·ha–1 (Lisowski in. 2009h) i zawartość celulozy do 45%, powoduje coraz większe zainteresowanie ślazowcem jako rośliną energetyczną. Z roślin ślazowca uzyskuje się biomasę o właściwościach pozwalających na produkcję zrębków, peletów czy brykietów (Borkowska 2006, Denisiuk 2006). Spartina preriowa (Spartina pectinata Bosc ex Link) Spartina preriowa (rys. 2.7) pochodzi z Ameryki Północnej, gdzie stanowi dominujący składnik roślinności preriowej. Charakteryzuje się dużymi możliwościami adaptacyjnymi, rosnąc nawet w skrajnych warunkach siedliskowych. Dlatego często znajduje zastosowanie jako gatunek przeciwerozyjny, np. do umacniania wydm czy piaszczystych wałów. Silny system korzeniowy o ostro zakończonych korzeniach pozwala przerastać glebę o dużej zwięzłości. Spartina, jako roślina o mechanizmie fotosyntezy C4, charakteryzuje się dużym przyrostem plonu, zwłaszcza przy wysokiej temperaturze powietrza i dużym natężeniu napromieniowania słonecznego (Majtkowska i Majtkowski 2005). W Europie spartinę wykorzystuje się jako roślinę ozdobną, a obecnie również jako potencjalną roślinę energetyczną. Rysunek 2.7. Spartina preriowa: maj, listopad 19 Technologie zbioru roślin energetycznych Spartina jest okazałą trawą wyrastającą do wysokości 2 m i tworzącą obszerne luźne kępy. Roślina ma wąskie liście o szerokości 15 mm i lancetowatym kształcie długości 0,80–0,90 m. Gęsto ulistnione, puste w środku pędy wyrastają pionowo, u góry rozchylając się, tworzą bujny zielony łan roślin. Kwiatostany palczasto-groniaste o długości około 0,30 m, zawierające kilkanaście kłosów pojawiają się w połowie lata (Kościk i in. 2004, Majtkowski i in. 1996). W warunkach klimatycznych Polski spartina wytwarza nasiona. Jednak charakteryzują się one bardzo niską zdolnością kiełkowania, dlatego praktycznie w warunkach polowych nie wykorzystuje się ich do zakładania plantacji. Dlatego zalecaną metodą uprawy jest rozmnażanie wegetatywne przez podział kęp lub ukorzenianie sadzonek pędowych (Majtkowski 2006). Do rozmnażania stosuje się również metodę in vitro. Spartina ze względu na silne możliwości adaptacyjne nie wymaga dobrych stanowisk uprawowych i może być z powodzeniem uprawiana na glebach wyjałowionych oraz zakwaszonych klas V i VI. Cechuje się dość dużą tolerancją na zróżnicowane uwilgotnienie gleby i niską pojemność sorpcyjną gleby (Ostrowski i Gutowska 2008). Dobrze plonuje zarówno w warunkach suszy, jak i dużej wilgotności. Nie wymaga głębokiego spulchniania gleby. Wymaga natomiast wcześniejszego, starannego odchwaszczenia gleby i niszczenia chwastów w pierwszym i drugim roku uprawy. W tym okresie rośnie bowiem jako trawa luźnokępkowa. Dopiero w trzecim roku uprawy spartina tworzy zwarty łan zacieniając podłoże. Trawę tę wysadza się najczęściej w obsadzie 8–10 sadzonek na 1 m2. W okresie od trzeciego do piątego roku uprawy zaczyna się pełne plonowanie spartiny, które w zależności od stanowiska glebowego wynosi 10–20 t s.m.⋅ha–1. Roślina bardzo późno zasycha, dopiero około połowy listopada. Aby nie ponosić kosztów na dosuszanie biomasy zaleca się zbiór roślin w lutym lub marcu (Kościk i in. 2003). Okres użytkowania plantacji wynosi około 15 lat. Słonecznik bulwiasty – topinambur (Heliantus tuberosus L.) Słonecznik bulwiasty (rys. 2.8), znany powszechnie pod nazwą topinambur, należy do roślin astrowatych (Asteraceae). Pochodzący z Ameryki Północnej i do Europy przywieziony na początku XVII wieku, po kolejnych dwóch wiekach został wyparty przez ziemniaka i zapomniany. Ponieważ jest on blisko spokrewniony ze słonecznikiem, to nadziemna część rośliny bardzo przypomina słonecznik zwyczajny. Na sztywnej, długiej i dobrze ulistnionej łodydze znajduje się kwiatostan, który jest mniejszy niż u słonecznika zwyczajnego. W części podziemnej znajdują się liczne bulwy, niekształtne, podobne do ziemniaków. Różnice w cechach botanicznych poszczególnych biotopów słonecznika bulwiastego pozwalają na różne kierunki jego wykorzystania (Gutmański i Pikulik 1994). Łodygi słonecznika bulwiastego mogą osiągać wysokość 4 m przy średnicy 30 mm. Liście pędu z brzegami ząbkowanymi są osadzone na długich 20 Rośliny energetyczne Rysunek 2.8. Słonecznik bulwiasty – topinambur: maj, listopad ogonkach. Blaszki liściowe mają kształt owalno-sercowaty o długości przekraczającej 0,20 m, o powierzchni z włoskami, które nadają jej szorstkość. Na szczycie łodygi i na końcach rozgałęzień znajdują się kwiatostany o średnicy około 80 mm. Owocami są niełupki, mniejsze niż u słonecznika. W warunkach klimatycznych naszego kraju najczęściej nie dojrzewają przed nastaniem jesiennych przymrozków (Góral 1996, Kowalczyk-Juśko 2003). Główne rozłożenie systemu korzeniowego znajduje się na głębokości do 0,30 m, jednak pojedyncze korzenie przerastają glebę na głębokość 1,5 m. Takie rozgałęzienie korzeni zapewnia roślinie wodę i składniki minerale nawet w okresach przedłużającego się niedoboru opadów. Słonecznik bulwiasty wytwarza dość liczne i nieduże bulwy o masie 20–25 g. Powstają one na końcach podziemnych pędów zwanych stolonami. Liczba bulw o nieregularnym kształcie może dochodzić do 50 sztuk. Gama barw skórki bulw: od białej lub żółtej przez czerwoną aż do różnych odcieni fioletu. Słonecznik bulwiasty ma przeciętne wymagania glebowe, podobne jak inne rośliny okopowe. Można go uprawiać na glebach średnio zwięzłych, przewiewnych i o dużej zasobności w składniki pokarmowe oraz dostatecznej wilgotności (Ostrowski i Gutowska 2008). Bulwy rozmieszcza się w glebie na głębokości 0,10–0,15 m za pomocą sadzarek do ziemniaków w rzędy o rozstawie 0,7–1,0 m, a w rzędach w odległości 0,5–0,6 m między bulwami. Tak wysadzone rośliny na wiosnę wcześnie rozpoczynają wegetację. System korzeniowy szybko się rozrasta, a część nadziemna zacienia glebę ograniczając wschody chwastów. Sadzenie jesienne (listopad i I dekada grudnia) jest możliwe, gdyż bulwy są odporne na niskie temperatury. Sadzenie wiosenne można rozpoczynać już w marcu i przeprowadza się je płycej – na głębokość 0,05–0,10 m (Góral 1996). Coraz większe zainteresowanie słonecznikiem bulwiastym wynika z jego dużej tolerancji na niskie i wysokie temperatury, niewielkie wymagania glebowe oraz dużą odporność na choroby i szkodniki. Wadą jest częste wyleganie łodyg słonecznika bulwiastego przed zbiorem. Nie bez znaczenia jest tu również wysoka produktywność – 10–20 t s.m.⋅ha–1, która gwarantuje opłacalność 21 Technologie zbioru roślin energetycznych produkcji energii ze słomy topinamburu (Piskier 2006, Majtkowski 2006). Części nadziemne po wysuszeniu i rozdrobnieniu mogą być spalane w piecach przystosowanych do spalania biomasy lub współspalane z węglem. Mogą również posłużyć do produkcji brykietów i peletów. Rdestowiec sachaliński (Reynoutria sachalinensis Nakai) Rdestowiec sachaliński (rys. 2.9) jest byliną wieloletnią z rodziny rdestowatych. Pochodzi ze wschodniej Azji, gdzie w stanie dzikim porasta doliny rzek i zbocza gór. Do Europy sprowadzony w pierwszej połowie XIX wieku jako roślina ozdobna, która w krótkim czasie samorzutnie rozprzestrzeniła się po całym kontynencie (Tokarska-Guzik 2005). Kanciaste i nagie łodygi rdestowca silnie rozgałęziają się osiągając wysokość ponad 3 m. Wewnątrz są puste i wyginając się łukowo przypominają krzew. Łodygi charakteryzują się dużą sztywnością, co utrudnia mechaniczny zbiór. Roślina ma duże jasnozielone liście o długości 0,15–0,30 m i szerokości 70– 150 mm, które są tępo zakończone, a ich kształt jest słabo sercowaty. W pachwinach liści wyrastają wiechowate kwiatostany z 6–7 kwiatkami w grupie. Roślina kwitnie we wrześniu i październiku wydając kwiatki o barwie zielonej i żółtawej, a owocem jest orzeszek (Majtkowski i in. 1996). Przez pszczelarzy jest ona uprawiana jako roślina miododajna. Rdestowiec charakteryzuje się silnym systemem korzeniowym, który w środowiskach nadrzecznych ma grube kłącza dochodzące do 2 m w głąb profilu glebowego (Śliwiński 2009). W warunkach uprawy, ze względu na słabe kiełkowanie nasion, których zdolność kiełkowania czasami nie osiąga 30–50%, rdestowiec rozmnaża się wegetatywnie z korzeni. Roślina ma kłącza i tworzy rozłogi, z których wyrastają korzenie przybyszowe, a z pąków bocznych wyrastają pędy nadziemne tworząc gęste łany rdestowca. Rdestowiec należy do roślin o małych wymaganiach glebowych z tolerancją gleb lekkich i bardzo lekkich z dodatnią reakcją na nawożenie. Jest rośliną o preferencji dobrego uwilgotnienia (Ostrowski i Gutowska 2008). Rysunek 2.9. Rdestowiec sachaliński: maj, listopad 22 Rośliny energetyczne Rdestowiec sachaliński to silna roślina o charakterze ekspansywnym i bardzo inwazyjnym (Matuszkiewicz 2008). W wielu krajach jest uważana za chwast. W środowisku naturalnym zajmuje wszystkie stanowiska wypierając rodzimą roślinność. W przypadku uwolnienia do środowiska przyrodniczego może zagrozić gatunkom rodzimym lub siedliskom przyrodniczym. Nie jest zalecana do uprawy na terenach ochronnych. Małe kępy roślin rdestowca, które powstają w początkowym etapie rozwoju, bardzo szybko się rozrastają. W rzekach rośnie w układzie liniowym, w praktyce uniemożliwiając rozwój innym gatunkom roślin (Dajdok i in. 2007). Pomimo wysokiej łatwości przystosowania do nowych warunków siedliskowych i dużego przyrostu biomasy, rdestowiec jest rośliną bardzo inwazyjną, stąd niezalecaną do uprawy na cele energetyczne. W trzecim roku uprawy, kiedy roślina wchodzi w pełne plonowanie, plon wynosi 15–30 t s.m.⋅ha–1. Tak wysokie plony można jednak uzyskać tylko na żyznych glebach. Przy wykorzystaniu do uprawy gleb średnich plonuje podobnie jak inne rośliny pastewne uprawiane na zieloną paszę. Zbiór przeprowadza się corocznie, po zaschnięciu łodyg, głównie zimą lub wczesną wiosną. Z przedstawionej charakterystyki wybranych roślin można wskazać za Chołuj i Podlaskim (2008), że idealna roślina energetyczna powinna się cechować wieloletnim charakterem wzrostu i rozwoju, generatywnym sposobem rozmnażania, szybkim wzrostem na początku wegetacji oraz dużym udziałem łodyg w suchej substancji części nadziemnej, niskimi wymaganiami i tolerancją na suszę, szybkim wysychaniem roślin w czasie zimy, wysoką produkcją biomasy, dobrymi parametrami jakościowymi biomasy związanymi z jej spalaniem. Jeżowski (2003) we wcześniejszych rozważaniach wskazał na wydajne zużycie składników mineralnych oraz odporność na choroby. Kowalczyk-Juśko (2009) w analizie przydatności wybranych gatunków roślin do energetycznego wykorzystania zaznacza, że przy zakładaniu plantacji należy uwzględnić, poza wartością energetyczną, także skład chemiczny biomasy oraz zawartość popiołu po jej spaleniu. Duża różnorodność uprawianych gatunków roślin energetycznych daje rolnikom szansę wybrania odpowiedniej rośliny w zależności od posiadanych warunków glebowych i klimatycznych. Uprawa na cele energetyczne roślin wieloletnich (drzew, krzewów, traw, bylin) wymaga nowego podejścia do ich zbioru. Zastosowanie różnych technik zbioru – od leśnych do rolniczych – wymaga poznania właściwości mechanicznych materiałów zbieranych roślin w całym zakresie wilgotności – od fazy zbioru do momentu spalania. Ponieważ biomasa pozyskana z plantacji roślin wieloletnich jest przetwarzana w procesach cięcia, zginania, zgniatania, rozciągania i skręcania, którym często towarzyszy tarcie, przeto konieczna jest znajomość jej właściwości fizycznych (Shaw i Tabil 2007, Yiljep i Mohammed 2005). 23 Technologie zbioru roślin energetycznych Wnioski i spostrzeżenia 1. Dla energetyki zawodowej najbardziej przydatne jest drewno krzewów i drzew szybko rosnących, które po ścięciu łatwo odrastają; zalicza się do nich wierzbę wiciową, topolę, robinię akacjową i różę wielokwiatową. 2. Mniej przydatna jest biomasa bylin wieloletnich: ślazowca pensylwańskiego i słonecznika bulwiastego (topinamburu), a najmniej traw wieloletnich, wśród których rozważane są gatunki miskanta, prosa rózgowatego, palczatki Gerarda, spartiny preriowej, wydmurzycy wydłużonej i mozgi trzcinowatej. 3. Jest wiele gatunków roślin wieloletnich (trwałych), których biomasa może być wykorzystana do celów energetycznych, ale ciągle są potrzebne badania nad doskonaleniem ich cech morfologicznych, technologii uprawy, pielęgnacji, ochrony i zbioru. 24 3. WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE MATERIAŁU ROŚLINNEGO 3.1. Wytrzymałość mechaniczna łodyg Właściwości fizyczne roślin zmieniają się wraz z fazą rozwojową, dojrzałością i wilgotnością. Zależą od gatunku rośliny, odmiany, dojrzałości, struktury wielofazowego ośrodka, budowy komórkowej oraz zmieniają się na wysokości łodygi (Chattopadhyay i Pandey 1999, Haman i Konstankiewicz 1999). W procesie cięcia ważnymi cechami mechanicznymi materiału roślinnego są naprężenia rozciągające, ścinające, ściskające i zginające oraz gęstość i tarcie (Chattopadhyay i Pandey 1999). Dzieje się tak dlatego, że pędy roślin po ścięciu przez mechanizm tnący są zabierane i transportowane przez kolejne elementy różnych zespołów roboczych maszyny zbierającej. Cechami roślin wpływającymi na energię cięcia są: wymiar rośliny, wytrzymałość na ścinanie, współczynnik tarcia i wilgotność (Persson 1987). Pewne właściwości roślin są wykorzystywane do określonych potrzeb. Na przykład wiedza o wytrzymałości roślin na zginanie i cięcie oraz ilości energii potrzebnej do wywołania odpowiednich naprężeń jest przydatna w fazie projektowania noży i podczas doboru parametrów pracy elementów i zespołów roboczych (İnce i in. 2005). Nie tylko w maszynach do zbioru roślin zachodzą złożone procesy, wynikające z oddziaływania elementów roboczych na materiał roślinny składniki pędów, a zwłaszcza łodygi. W pozbiorowej obróbce materiału roślinnego przeznaczonego na cele energetyczne występują również procesy cięcia, rozdrabniania, mielenia i zagęszczania. Na wszystkich tych etapach konieczny jest wydatek energetyczny (Woliński i Wolińska 2007), który będzie zależał od właściwości materiału roślinnego. Aby energia włożona w produkcję peletu nie przekroczyła energii uzyskanej z jego spalania, należy wszystkie procesy prowadzić w optymalnych warunkach, zarówno od strony parametrów technicznych maszyn i urządzeń stosowanych w poszczególnych operacjach obróbki, jak i właściwości roślin, a zwłaszcza wilgotności. Wilgotność roślin jest zależna od terminu zbioru. Według badań Kościka (2003), pędy ślazowca zbierane w październiku zawierały średnio 43% wody, a średnia wilgotność w grudniu zmniejszyła się do 28%. Wilgotność roślin zależy nie tylko od terminu zbioru, ale także od średnicy łodyg i zmienia się wzdłuż wysokości. Ponieważ wilgotność materiału roślinnego 25 Technologie zbioru roślin energetycznych wpływa znacząco na właściwości mechaniczne łodyg, przeto ważne jest, aby dokładniej poznać je i wykorzystać do opracowania optymalnej technologii produkcji peletu lub brykietów. Na zmianę właściwości energetycznych materiału od średnicy łodyg zwrócili uwagę Styk i Borkowska (Styk B. i Styk W. 1994, Borkowska i Styk 2006), którzy zapoczątkowali badania ciepła spalania łodyg ślazowca pensylwańskiego z uwzględnieniem różnic w ich grubości. Badania w tym zakresie rozwinęli Szyszak i in. (2006). Jedną z ważniejszych właściwości charakteryzujących materiały pod względem wytrzymałościowym jest sprężystość. Można ją zdefiniować jako zdolność materiału do odzyskiwania pierwotnego kształtu i wymiarów po usunięciu sił zewnętrznych wywołujących deformacje. A zatem zmianie tensora naprężeń towarzyszy zmiana tensora odkształceń i odwrotnie, przy czym zmiany te są w pełni odwracalne (Niezgodziński M. i Niezgodziński T. 2009). Istotną cechą sprężystości jest zachowanie energii. Jeśli zakres odkształceń danego materiału przekroczy graniczną wartość odkształceń sprężystych, to albo materiał straci swoją ciągłość, i jeśli jest kruchy, to pęka, albo, jeśli jest ciągliwy, to nastąpi w materiale przyrost odkształceń bez przyrostu naprężeń i wejdzie on w zakres deformacji plastycznej (płynięcia), która jest nieodwracalna. W najprostszym przypadku zjawisko sprężystości jest opisywane przez prawo Hooke’a, określające zależność między siłą odkształcenia a odkształceniem dla ciała sprężystego w granicy sprężystości. Wielkością charakteryzującą sprężystość danego ciała jest moduł Younga, zwany też podłużnym modułem sprężystości lub współczynnikiem sprężystości wzdłużnej E, który jest współczynnikiem proporcjonalności między naprężeniem a odkształceniem, przy czym pojęcie modułu Younga odnosi się do obciążeń rozciągających lub ściskających. W ogólnym ujęciu pojęcie modułu sprężystości jest uzupełniane informacją o rodzaju obciążeń. Mamy zatem moduł sprężystości przy rozciąganiu, ściskaniu, skręcaniu, ścinaniu i zginaniu. Wiedza o poszczególnych modułach sprężystości dla roślin energetycznych jest przydatna podczas projektowania zespołów roboczych maszyny, w których zachodzą odpowiednie zjawiska, oraz pozwala na predykcję odporności roślin na obciążenia zewnętrzne, w tym na wyleganie. Dotyczy to zwłaszcza modułu sprężystości przy zginaniu, gdyż jego znajomość może być wykorzystana do projektowania elementów nachylających lub nagarniających rośliny podczas ich ścinania lub transportujących: przenośników zabierakowych palcowych, łańcuchowych lub ślimakowych. Obok modułu sprężystości ważnym wskaźnikiem wytrzymałościowym jest energia jednostkowa odniesiona do przekroju, na który działa obciążenie deformacyjne podczas cięcia, ściskania i zginania. Znajomość energii jednostkowej pozwoli bowiem na wyznaczenie obciążeń energetycznych dla zespołów roboczych maszyn stosowanych do przetwarzania materiału z roślin energetycznych. 26 Właściwości fizyczne materiału roślinnego Rozważania zaprezentowane w niniejszej monografii dotyczą jednokierunkowych obciążeń, a rozpatrywany przekrój łodyg odnosi się do przekroju prostopadłego do ich włókien. W publikacji przeanalizowano moduł sprężystości przy cięciu, ściskaniu i zginaniu łodyg oraz odpowiadającą tym obciążeniom energię jednostkową dla siedmiu rodzajów roślin energetycznych o różnej wilgotności i w strefach wzdłuż ich wysokości. W fazie zbioru roślin wilgotność materiału była uwarunkowana terminem zbioru (tab. 3.1). Bezpośrednio po zbiorze wykonano pierwszy cykl pomiarów, a następnie po podsuszeniu materiału w dwóch kolejnych etapach, stosując metodykę opisaną przez Lisowskiego i in. (2009d, 2009e) oraz Nowakowskiego i in. (2009). Wilgotność roślin w fazie zbioru, wyznaczona metodą suszarkowo-wagową (PN-EN 13183-1), zależała od gatunku rośliny, a po kolejnych okresach naturalnego suszenia materiału przechowywanego pod zadaszeniem zależała od czasu składowania i charakterystyki szybkości oddawania wody przez materiał roślinny (tab. 3.1). Próbki dobrano tak, aby maksymalny błąd względny wyznaczenia wilgotności nie przekroczył 1%. Tabela 3.1. Wilgotność materiału (w %) podczas wyznaczania modułu sprężystości i energii jednostkowej przy cięciu, ściskaniu i zginaniu łodyg roślin energetycznych Etapy pomiaru wilgotności Podczas zbioru (etap I) Etap II Etap III Ślazowiec Słoneczpensylnik wański bulwiasty Rdestowiec sachaliński Wierzba wiciowa Róża wielokwiatowa Miskant olbrzymi Spartina preriowa 47,00 40,50 49,30 36,80 25,90 26,46 65,80 31,70 16,61 21,38 2,05 45,50 19,20 16,27 2,43 20,40 8,16 17,05 9,70 21,72 10,27 Źródło: Opracowanie własne autorów. Wykresy siły obciążających łodygi w funkcji jej odkształcenia stanowiły podstawę do dalszych obliczeń parametrów wytrzymałościowych. Dla danego rodzaju obciążenia obliczono moduły sprężystości jako moduły sieczne, czyli jako iloraz naprężenia i odkształcenia względnego dla punktu, w którym pojawiło się pierwsze przegięcie krzywej. Był to zatem punkt na wykresie siła – odkształcenie (rys. 3.1), przy którym zależność traciła charakterystykę liniową (Frączek i in. 2003). Energię jednostkową obliczono jako iloraz całkowitej energii deformacji (wartość całki pola pod krzywą deformacji) i powierzchni przekroju poprzecznego próbki (tab. 3.2). Wartość momentu bezwładności dla wierzby wiciowej, róży wielokwiatowej, słonecznika bulwiastego i ślazowca pensylwańskiego obliczono dla przekroju kołowego, dla rdestowca sachalińskiego i spartiny preriowej – dla przekroju pierścienia, a dla miskanta olbrzymiego – dla przekroju elipsy. Prędkość 27 Technologie zbioru roślin energetycznych Rysunek 3.1. Metoda wyznaczenia siły deformacji F i odkształcenia y lub x Źródło: Opracowanie własne autorów. Tabela 3.2. Zależności stosowane do wyznaczenia parametrów wytrzymałościowych (ASAE S459 1993, Crook i Ennos 1994, Chattopadhyay i Pandey 1999) Parametr Moduł sprężystości Energia jednostkowa Cięcie Et = E jt = Fte d St Δlt 1 Ft dx St ³ Ściskanie Ec = E jc = Fce d Sc Δlc 1 Fc dx Sc ³ Zginanie Eg = E jg = Fgel p3 48Iy 1 Fg dx Sg ³ Oznaczenia: Et, Ec, Eg – moduł sprężystości przy cięciu, ściskaniu, zginaniu, MPa, Fte, Fce, Fge – siła cięcia, ściskająca, zginająca (w zakresie sprężystości), N, Ft, Fc, Fg – siła cięcia, ściskająca, zginająca (całkowita), N, Ejt, Ejc, Ejg – energia jednostkowa cięcia, ściskania, zginania, J·m–2, Δlt, Δlc – poprzeczna deformacja materiału roślinnego od siły cięcia, ściskającej, m, d – średnica próbki przed jej obciążeniem w miejscu przyłożenia siły, w kierunku działania siły, m, I – biegunowy moment bezwładności przekroju próbki, m4, St, Sg – przekrój poprzeczny próbki w miejscu jej cięcia, zginania, m2, – powierzchnia, na którą działa obciążenie, jako iloczyn długości stempla ściskającego Sc (0,025 m) i średnicy próbki zmierzonej w płaszczyźnie prostopadłej do siły ściskającej m2, – odległość punktów podparcia próbki (0,06 m), m, lp y – odległość zewnętrznych włókien od osi obojętnej próbki, mm, x – odkształcenie (skok noża, deformacja materiału roślinnego, ugięcie), m. Źródło: Opracowanie własne autorów. deformacji była stała i wynosiła 10 mm·min–1 dla każdego rodzaju obciążenia. Podczas prób zginania łodyg rozstaw podpór wynosił 0,06 m, co było spójne z warunkami eksperymentów utrzymywanymi dla innych roślin (Skubisz 2001). Charakterystyki siła – odkształcenie wykonano dla obciążeń łodyg każdego rodzaju roślin o wilgotności zestawionej w tabeli 3.1. 28 Właściwości fizyczne materiału roślinnego Z łodygi wycięto po trzy próbki o długości 0,20 m każda, których środki znajdowały się na wysokościach 0,10 m (strefa dolna – D), 0,60 m (strefa środkowa – S) i 1,10 m (strefa górna – G) od podłoża. Wybór stref wysokości wynikał z wymuszeń elementów roboczych podczas zbioru roślin. Na wysokości 0,10 m od podłoża rośliny są ścinane, a na wysokości 0,60–1,10 m wymuszenia mogą pochodzić od elementów nachylających. Ponadto, w zespołach rozdrabniających materiał roślinny jest cięty na cząstki wzdłuż całej długości łodygi. Podobnie deformacje związane ze ściskaniem i zginaniem materiału, zachodzące między walcami wciągająco-zgniatającymi sieczkarni polowej, odbywają się na całej długości łodygi. Sporządzenie charakterystyk wytrzymałościowych materiałów roślinnych przy mniejszej wilgotności wynikało z faktu, iż rośliny energetyczne mogą być zbierane w całości i po okresie przechowywania rozdrobnione w rębarkach stacjonarnych. Części pędów zważono na wadze elektronicznej z dokładnością 0,01 g, a średnice łodyg w miejscu deformacji zmierzono suwmiarką cyfrową z dokładnością 0,01 mm. Do wyznaczenia błędów względnych przy obliczaniu modułu sprężystości i energii jednostkowej zastosowano metodę różniczki zupełnej. Maksymalne błędy względne wynosiły odpowiednio 4,6 i 5,9% oraz wystąpiły odpowiednio dla modułu sprężystości przy cięciu słonecznika bulwiastego i energii jednostkowej ściskania rdestowca sachalińskiego. Przykładową analizę zjawisk zachodzących podczas cięcia, ściskania i zginania łodyg opisano dla ślazowca pensylwańskiego (Lisowski i in. 2009d). Cięcie, ściskanie i zginane łodyg ślazowca pensylwańskiego Na rysunku 3.2 przedstawiono przykładowe krzywe siła – odkształcenie otrzymane dla cięcia próbek łodyg o różnej wilgotności pochodzące z trzech stref wysokości (Adamus i Lisowski 2009). Wykresy są podobne do prezentowanych przez Srivastava i in. (1993) oraz Chen i in. (2004) dla łodyg konopi, Nazari Galedar i in. (2008) dla lucerny oraz Lisowskiego (2009a) dla kukurydzy. Przykładowo dla krzywej siła – odkształcenie cięcia łodygi o wilgotności 8,16% (rys. 3.2a), w pierwszej strefie wysokości, około 0,10 m od podłoża, odpowiadającej wysokości ścinania roślin podczas zbioru, wyróżniono trzy charakterystyczne obszary, reprezentujące złożone zjawiska, jakie zachodzą podczas procesu cięcia. W obszarze A występuje wyłącznie ściskanie, w B – ściskanie i cięcie, a w C – wyłącznie cięcie materiału roślinnego. W obszarze A siła zwiększa się od zera do chwili początkowego kontaktu między ostrzem noża a łodygą i następnie zwiększa się z powodu niszczenia struktury łodygi, które objawia się zgnieceniem jej miękkiego rdzenia. Ściskanie materiału jest kontynuowane w obszarze B podczas równoczesnego cięcia poruszającym się nożem. W tym obszarze występuje przemiennie chwilowe ściskanie i po przekroczeniu naprężeń wytrzymałościowych – cięcie materiału. Jeśli siła 29 Technologie zbioru roślin energetycznych a) 3500 b) h=10 cm, w=8,16% h=60 cm, w=8,16% h=110 cm, w=8,16% 3500 h=10 cm, w=8,16% h=10 cm, w=20,40% h=10 cm, w=25,90% 3000 2500 Siła cięcia Ft, N Siła cięcia Ft , N 3000 C B 2000 1500 1000 2500 2000 1500 1000 A 500 500 0 0 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 Odkształcenie Δlt, mm Odkształcenie Δlt , mm Rysunek 3.2. Przykładowe krzywe siła–odkształcenie otrzymane podczas cięcia próbek łodyg dla: a) różnych stref wysokości, b) różnej wilgotności łodyg; A – obszar ściskania, B – obszar ściskania i cięcia, C – obszar cięcia Źródło: Opracowanie własne autorów. cięcia osiągnie szczytową wartość, to w obszarze C zaczyna się czyste cięcie, w którym siła początkowo nieznacznie zwiększa się, a następnie gwałtownie zmniejsza się aż do chwili zakończenia przecięcia próbki. Wraz ze zwiększaniem się wilgotności i wysokości łodygi przebieg krzywej siła – odkształcenie jest bardziej płaski, ale we wszystkich przypadkach występuje charakterystyczne zmniejszenie siły cięcia w obszarze A po przekroczeniu fazy ściskania materiału. Z przebiegu krzywych ściskania (rys. 3.3) wynika, że w początkowej fazie procesu deformacje materiału roślinnego zachodziły przy bardzo małych siłach. Deformacje te dotyczyły głównie zmiany kształtu przekroju poprzecznego łodygi ślazowca pensylwańskiego. Do chwili zupełnego ściśnięcia miękkiego rdzenia przyrost siły ściskającej w funkcji deformacji był dość stabilny. Dla materiału o mniejszej wilgotności wystąpiło wyraźne pęknięcie bocznych ścianek łodygi, po którym dalsza deformacja odbywała się przy zmniejszonej sile. Po całkowitym zdeformowaniu miękkiego rdzenia siła potrzebna do ściśnięcia twardych tkanek zewnętrznych łodygi gwałtownie się zwiększała. Już w początkowej fazie b) 600 h=10 cm, w=8,16% h=60 cm, w=8,16% h=110 cm, w=8,16% Siła ściskająca Fc, N 500 600 h=10 cm, w=8,16% h=10 cm, w=20,40% h=10 cm, w=25,90% 500 Siła ściskająca Fc , N a) 400 300 200 100 400 300 200 100 0 0 0,5 1 1,5 Odkształcenie Δlc, mm 2 2,5 3 0 0 0,5 1 1,5 2 Odkształcenie Δlc , mm 2,5 3 Rysunek 3.3. Przykładowe krzywe siła – odkształcenie otrzymane podczas ściskania próbek łodyg dla: a) różnych stref wysokości, b) różnej wilgotności łodyg Źródło: Opracowanie własne autorów. 30 Właściwości fizyczne materiału roślinnego b) 1000 h=10 cm, w=8,16% h=60 cm, w=8,16% h=110 cm, w=8,16% Siła zginącjąca Fg , N 900 800 1000 800 700 600 500 400 300 700 600 500 400 300 200 200 100 100 0 0 1 2 3 4 5 6 Odkształcenie Δlg , mm h=10 cm, w=8,16% h=10 cm, w=20,40% h=10 cm, w=25,90% 900 Siła zginająca Fg , N a) 7 8 9 10 0 0 1 2 3 4 5 6 Odkształcenie Δlg , mm 7 8 9 10 Rysunek 3.4. Przykładowe krzywe siła – odkształcenie otrzymane podczas zginania próbek łodyg dla: a) różnych stref wysokości, b) różnej wilgotności łodyg Źródło: Opracowanie własne autorów. ściskania, dla której zaleca się obliczenie modułu sprężystości, było dość trudno wyodrębnić liniową zależność między siłą a odkształceniem. Kształt krzywych wytrzymałościowych ściskania łodyg odbiega od teoretycznego wykresu siła – odkształcenie dla sprężystych materiałów konstrukcyjnych, gdyż w odniesieniu do ślazowca pensylwańskiego mamy do czynienia z materiałem nieliniowo sprężystym. Z zaprezentowanych wykresów siła – odkształcenie dla zginania (rys. 3.4) wynika, że przebieg zjawiska dla łodyg zginanych przy różnej wilgotności był bardziej łagodny niż dla stref wysokości. Siły potrzebne do zgięcia próbek łodyg, zarówno o mniejszej wilgotności, jak i pochodzące z niższych stref wysokości, były największe. Charakterystyki sił potrzebnych do zgięcia łodyg miały przebieg krzywoliniowy o degresywnym wzroście, co oznacza, że w początkowej fazie trudniej było zgiąć łodygę, gdyż proces zachodził w zakresie większej sprężystości. Po przekroczeniu granicy sprężystości, gdy zaczęły się pęknięcia tkanek, materiał łodygi był zdeformowany oraz coraz bardziej plastyczny i trzeba było użyć mniejszych sił do dalszego zginania. Moduł sprężystości i energia jednostkowa Wyniki analizy wariancji wartości modułu sprężystości i energii jednostkowej wyznaczone dla cięcia, ściskania i zginania łodyg siedmiu rodzajów roślin o różnej wilgotności i dla trzech stref wysokości zestawiono w tabeli 3.3. Analizując otrzymane wyniki można stwierdzić, że wilgotność w większym stopniu niż strefa wysokości była czynnikiem wpływającym na zróżnicowanie wartości parametrów wytrzymałościowych. Spośród 21 przypadków tylko w 4 stwierdzono jednoznacznie brak wpływu tego czynnika dla modułu sprężystości przy ściskaniu łodyg miskanta olbrzymiego oraz dla wszystkich rodzajów obciążeń łodyg rdestowca sachalińskiego. Dla energii jednostkowej takich przypadków było 25% i odnosiły się one do cięcia łodyg miskanta olbrzymiego, spartiny preriowej i rdestowca sachalińskiego oraz ściskania łodyg spartiny preriowej 31 Technologie zbioru roślin energetycznych Tabela 3.3. Wyniki analizy wariancji (osobno dla każdego rodzaju rośliny) modułu sprężystości i energii jednostkowej cięcia, ściskania i zginania łodyg roślin energetycznych o różnej wilgotności i dla trzech stref wysokości Parametr Moduł sprężystości Energia jednostkowa Moduł sprężystości Energia jednostkowa Moduł sprężystości Energia jednostkowa Moduł sprężystości Energia jednostkowa Moduł sprężystości Energia jednostkowa Moduł sprężystości Energia jednostkowa 32 Cięcie Ściskanie krytyczny krytyczny Cechy opisowe Femp poziom Femp poziom istotności istotności Wierzba wiciowa A: wilgotność 9,46 0,0005 6,76 0,0019 B: strefa wysokości 0,60 0,5530 0,36 0,7011 Interakcja: A × B 0,84 0,5104 0,10 0,9833 A: wilgotność 4,17 0,0243 11,96 < 0,0001 B: strefa wysokości 5,08 0,0119 1,23 0,2989 Interakcja: A × B 0,52 0,7213 0,13 0,9718 Róża wielokwiatowa A: wilgotność 38,70 < 0,0001 4,98 0,0092 B: strefa wysokości 4,74 0,0155 4,13 0,0197 Interakcja: A × B 0,64 0,6388 0,85 0,4993 A: wilgotność 2,74 0,0785 13,06 < 0,0001 B: strefa wysokości 7,99 0,0014 2,52 0,0870 Interakcja: A × B 0,23 0,9177 1,89 0,1199 Miskant olbrzymi A: wilgotność 28,82 < 0,0001 0,72 0,4929 B: strefa wysokości 6,02 0,0055 0,85 0,4322 Interakcja: A × B 2,23 0,0849 0,54 0,7079 A: wilgotność 1,13 0,3340 5,67 0,0054 B: strefa wysokości 3,25 0,0502 1,29 0,2834 Interakcja: A × B 0,74 0,5729 1,12 0,3565 Spartina preriowa A: wilgotność 8,17 0,0015 65,02 < 0,0001 B: strefa wysokości 0,08 0,9230 1,10 0,3373 Interakcja: A × B 1,30 0,2925 2,01 0,1019 A: wilgotność 0,07 0,9364 2,37 0,1006 B: strefa wysokości 3,66 0,0373 0,01 0,9906 Interakcja: A × B 1,88 0,1385 0,55 0,6979 Ślazowiec pensylwański A: wilgotność 3,12 0,0573 7,76 0,0012 B: strefa wysokości 1,26 0,2976 1,71 0,1910 Interakcja: A × B 1,23 0,3171 1,73 0,1584 A: wilgotność 3,37 0,0466 2,34 0,1065 B: strefa wysokości 0,20 0,8216 3,39 0,0417 Interakcja: A × B 0,76 0,5618 0,63 0,6450 Słonecznik bulwiasty (topinambur) A: wilgotność 32,91 < 0,0001 6,23 0,0032 B: strefa wysokości 7,01 0,0025 1,49 0,2312 Interakcja: A × B 3,56 0,0143 1,38 0,2486 A: wilgotność 4,90 0,0129 6,51 0,0024 B: strefa wysokości 15,37 < 0,0001 4,14 0,0194 Interakcja: A × B 3,08 0,0278 4,70 0,0019 Zginanie krytyczny Femp poziom istotności 25,24 14,93 0,52 100,27 19,19 11,80 < 0,0001 < 0,0001 0,7200 < 0,0001 < 0,0001 < 0,0001 232,66 16,95 0,86 65,86 18,72 7,54 <0,0001 < 0,0001 0,4929 < 0,0001 < 0,0001 <0,0001 22,71 1,31 0,10 3,66 1,51 0,42 < 0,0001 0,2790 0,9815 0,0317 0,2302 0,7945 52,72 5,89 3,54 44,74 2,52 1,07 < 0,0001 0,0041 0,0103 < 0,0001 0,0873 0,3789 25,91 22,48 2,15 15,67 1,08 0,69 < 0,0001 < 0,0001 0,0853 < 0,0001 0,3446 0,5983 40,07 1,12 0,78 1,05 6,77 0,79 < 0,0001 0,3324 0,5396 0,3562 0,0019 0,5357 Właściwości fizyczne materiału roślinnego cd. tabeli 3.3. Parametr Moduł sprężystości Energia jednostkowa Cechy opisowe A: wilgotność B: strefa wysokości Interakcja: A × B A: wilgotność B: strefa wysokości Interakcja: A × B Cięcie Ściskanie krytyczny krytyczny poziom Femp poziom Femp istotności istotności Rdestowiec sachaliński 0,38 0,6893 0,52 0,5984 1,53 0,2306 8,93 0,0004 0,44 0,7801 0,88 0,4826 0,45 0,6404 0,61 0,5455 2,47 0,1005 0,78 0,4615 1,45 0,2392 1,01 0,4109 Zginanie krytyczny Femp poziom istotności 1,74 13,43 1,82 5,39 4,82 0,51 0,1845 < 0,0001 0,1373 0,0070 0,0114 0,7278 Źródło: Opracowanie własne autorów. i rdestowca sachalińskiego, a także zginania łodyg słonecznika bulwiastego. Spośród interakcji jednoznacznie pozytywny wpływ współdziałania wilgotności i stref wysokości łodygi stwierdzono dla modułu sprężystości przy zginaniu spartiny preriowej oraz cięciu słonecznika bulwiastego, a dla energii jednostkowej podczas deformacji łodyg przez zginanie wierzby wiciowej i róży wielkokwiatowej oraz cięcie słonecznika bulwiastego. Łodygi słonecznika bulwiastego miały najbardziej zróżnicowane charakterystyki parametrów wytrzymałościowych, sporządzone zwłaszcza przy cięciu i ściskaniu łodyg. Najmniej podatną rośliną na zmianę wartości modułu sprężystości i energii jednostkowej okazał się rdestowiec sachaliński, zwłaszcza podczas cięcia łodyg. Najbardziej zróżnicowane wartości parametrów wytrzymałościowych czynnikami głównymi uzyskano podczas zginania łodyg. Na uwagę zasługuje brak interakcji między wilgotnością a strefą wysokości łodygi na wartości parametrów wytrzymałościowych. Z tego wynika, że zmiany wartości tych parametrów w funkcji wilgotności i wzdłuż wysokości łodygi nie były jednoznaczne. Nie oznacza to, że otrzymane wyniki są błędne, ale w celu dokładniejszej interpretacji uzyskane dane należy poddać szczegółowej analizie. Wyniki szczegółowego testu Duncana przedstawiono dla wszystkich parametrów wytrzymałościowych (tab. 3.4), mimo że można było pominąć te, które dały negatywny wynik z analizy wariancji. Dla wyraźnie stwierdzonych różnic w analizie wariancji uzyskano statystycznie istotne różnice między poszczególnymi wartościami średnimi parametrów wytrzymałościowych. Z zestawienia średnich wartości parametrów wytrzymałościowych wynika, że w większości przypadków dla wilgotności pośredniej łodyg roślin energetycznych otrzymano odmienne wartości niż dla wilgotności najmniejszej i największej (tab. 3.4). Jest to wyraźnie widoczne na wykresach przedstawiających interakcje wilgotności i stref wysokości na przebieg parametrów wytrzymałościowych (rys. 3.5–3.10). 33 Technologie zbioru roślin energetycznych Tabela 3.4. Wartości średnie modułu sprężystości i energii jednostkowej oraz ich błędy standardowe dla cięcia, ściskania i zginania łodyg roślin energetycznych o różnej wilgotności i na różnych wysokościach Parametr wytrzymałościowy Wilgotność (%) Wierzba wiciowa 31,70% 47,00% 16,61% Moduł sprężystości przy cięciu Et, MPa Energia jednostkowa cięcia Ejt, J·mm–2 Moduł sprężystości przy ściskaniu Ec, MPa Energia jednostkowa ściskania Ejc, J·mm–2 Moduł sprężystości przy zginaniu Eg, MPa Energia jednostkowa zginania Ejg, J·mm–2 b a środek (S) a góra (G) a 145,2 ±12,6b 104,7 ±11,4a 99,0 ±11,9a 148,0 ±12,6b 96,2 ±11,9a 104,6 ±11,4a 79,20 ±4,05b 69,35 ±4,05ab 57,75 ±4,20a 71,02 ±4,05a 66,17 ±4,12a 69,12 ±4,12a 8,29 ±0,77b 3,68 ±0,80a 3,58 ±0,79a 5,97 ±0,80a 5,33 ±0,78a 4,25 ±0,78a 589 ±28b 723 ±28c 456 ±25a 484 ±26a 591 ±26b 695 ±29c 94,84 ±4,47c 35,75 ±4,39b 8,45 ±4,31a 67,45 ±4,47c 42,02 ±4,39b 29,56 ±4,31a Róża wielokwiatowa 21,38% 40,50% dół (D) środek (S) góra (G) 52,67 ±2,71b 26,68 ±2,81a 21,50 ±2,60a 40,40 ±2,71b 30,68 ±2,71a 29,77 ±2,71a 76,8 ±12,9a 117,8 ±13,4b 109,3 ±13,4ab 138,4 ±13,4b 62,8 ±13,4a 102,8 ±12,9b 89,49 ±7,69b 68,62 ±7,56ab 55,75 ±7,56a 88,16 ±7,56b 67,89 ±7,56ab 57,81 ±7,69a 2,84 ±0,36a 5,04 ±0,36b 2,74 ±0,35a 4,13 ±0,36b 3,51 ±0,35ab 2,98 ±0,36a 5624 ±155c 2260 ±146b 1387 ±130a 2557 ±143a 3736 ±146c 2979 ±142b 17,08 ±3,33a 64,96 ±3,55b 17,16 ±2,87a 44,12 ±3,44b 37,77 ±3,21b 17,32 ±3,14a 19,20% Moduł sprężystości przy cięciu Et, MPa Energia jednostkowa cięcia Ejt, J·mm–2 Moduł sprężystości przy ściskaniu Ec, MPa Energia jednostkowa ściskania Ejc, J·mm–2 Moduł sprężystości przy zginaniu Eg, MPa Energia jednostkowa zginania Ejg, J·mm–2 dół (D) 20,69 ±0,71 18,89 ±0,66 16,51 ±0,66 19,30 ±0,69 18,32 ±0,66 18,47 ±0,69a b 2,05% Moduł sprężystości przy cięciu Et, MPa Energia jednostkowa cięcia Ejt, J·mm–2 Moduł sprężystości przy ściskaniu Ec, MPa Energia jednostkowa ściskania Ejc, J·mm–2 Moduł sprężystości przy zginaniu Eg, MPa Energia jednostkowa zginania Ejg, J·mm–2 Strefa wysokości Miskant olbrzymi 45,50% 49,30% dół (D) środek (S) góra (G) 14,93 ±0,81b 15,40 ±0,81b 7,66 ±0,81a 14,26 ±0,81b 13,29 ±0,81b 10,44 ±0,81a 31,44 ±3,89a 31,56 ±3,89a 38,67 ±3,89a 41,24 ±3,89b 33,19 ±3,89ab 27,24 ±3,89a 47,41 ±4,08a 53,71 ±5,66a 45,40 ±4,15a 46,71 ±4,69a 46,00 ±4,69a 53,81 ±4,69a 0,43 ±0,05a 0,70 ±0,07b 0,52 ±0,05a 0,48 ±0,05a 0,58 ±0,05a 0,59 ±0,05a 1491 ±62b 1974 ±98c 1168 ±70a 1594 ±78a 1597 ±79a 1442 ±77a 3,64 ±0,33a 4,75 ±0,36a 4,53 ±0,39a 3,89 ±0,36a 4,79 ±0,31b 4,75 ±0,45ab 2,43% Spartina preriowa 16,27% 36,80% dół (D) środek (S) góra (G) Moduł sprężystości b b a a a 12,83 ±1,34 9,45 ±1,09 5,80 ±1,13 9,74 ±1,24 9,24 ±1,20 9,09 ±1,13a przy cięciu Et, MPa Energia jednostkowa 18,42 ±1,92a 18,93 ±1,63a 19,34 ±1,69a 22,71 ±1,76b 17,72 ±1,69a 16,27 ±1,80a cięcia Ejt, J·mm–2 Moduł sprężystości 85,39 ±3,88c 25,07 ±3,61a 49,14 ±3,81b 53,76 ±3,74a 56,87 ±3,74a 48,97 ±3,82a przy ściskaniu Ec, MPa 34 Właściwości fizyczne materiału roślinnego cd. tabeli 3.4 Parametr wytrzymałościowy Energia jednostkowa ściskania Ejc, J·mm–2 Moduł sprężystości przy zginaniu Eg, MPa Energia jednostkowa zginania Ejg, J·mm–2 Wilgotność (%) Strefa wysokości 0,26 ±0,04a 0,34 ±0,04ab 0,40 ±0,05b 0,34 ±0,04a 0,34 ±0,04a 0,33 ±0,05a 9880 ±531c 4433 ±511b 2558 ±511a 6426 ±511b 6256 ±531b 4188 ±511a 4,15 ±0,19c 1,66 ±0,19a 2,55 ±0,18b 2,99 ±0,19b 2,92 ±0,19ab 2,45 ±0,18a 8,16% Ślazowiec pensylwański 20,40% 25,90% dół (D) Moduł sprężystości 8,75 ±1,29b 6,43 ±1,42a 8,01 ±1,34ab 7,48 ±1,47a przy cięciu Et, MPa Energia jednostkowa 27,7 ±8,4a 39,6 ±9,2b 24,0 ±8,7a 32,7 ±9,6a cięcia Ejt, J·mm–2 Moduł sprężystości 27,7 ±3,8b 20,5 ±5,1a 15,7 ±5,1a 21,0 ±4,7a przy ściskaniu Ec, MPa Energia jednostkowa 0,89 ±0,22ab 0,79 ±0,31b 1,24 ±0,32a 1,19 ±0,28b ściskania Ejc, J·mm–2 Moduł sprężystości 540 ±57b 262 ±55a 329 ±78a 237 ±61a przy zginaniu Eg, MPa Energia jednostkowa 10,06 ±1,48b 4,39 ±1,40a 7,65 ±2,05b 8,39 ±1,76a zginania Ejg, J·mm–2 Słonecznik bulwiasty (topinambur) 9,70% 17,05% 26,46% dół (D) Moduł sprężystości b b a 7,72 ±0,45 8,27 ±0,41 3,61 ±0,45 7,84 ±0,44b przy cięciu Et, MPa Energia jednostkowa 17,30 ±1,34a 21,35 ±1,22b 15,78 ±1,44a 24,13 ±1,35b cięcia Ejt, J·mm–2 Moduł sprężystości 14,64 ±0,95b 9,91 ±0,96a 11,73 ±0,97a 13,34 ±0,97a przy ściskaniu Ec, MPa Energia jednostkowa 1,10 ±0,21a 1,44 ±0,21a 2,17 ±0,22b 1,30 ±0,21a ściskania Ejc, J·mm–2 Moduł sprężystości 431 ±20c 242 ±20b 184 ±20a 307 ±20a przy zginaniu Eg, MPa Energia jednostkowa 5,02 ±0,55a 5,80 ±0,52a 4,77 ±0,52a 6,53 ±0,54b zginania Ejg, J·mm–2 Rdestowiec sachaliński 10,27% 21,72% 65,80% dół (D) Moduł sprężystości a a a 7,98 ±1,42 6,26 ±1,42 7,36 ±1,59 5,65 ±1,48a przy cięciu Et, MPa Energia jednostkowa 24,86 ±3,33a 29,15 ±3,47a 25,48 ±3,72a 20,04 ±3,60a cięcia Ejt, J·mm–2 Moduł sprężystości 9,79 ±1,26a 10,84 ±1,78a 11,56 ±1,21a 7,26 ±1,48a przy ściskaniu Ec, MPa Energia jednostkowa 0,40 ±0,05a 0,47 ±0,07a 0,38 ±0,05a 0,46 ±0,06a ściskania Ejc, J·mm–2 Moduł sprężystości 36,72 47,05 ±6,92a 59,27 ±7,34a 26,60 ±7,78a przy zginaniu Eg, MPa ±10,16a Energia jednostkowa 3,15 ±0,33ab 4,31 ±0,51b 2,30 ±0,35a 2,70 ±0,41a zginania Ejg, J·mm–2 Oznaczenia: a, b środek (S) góra (G) 7,18 ±1,29a 8,54 ±1,29a 29,6 ±8,4a 29,0 ±8,4a 18,4 ±4,7a 24,5 ±4,7a 1,06 ±0,28ab 0,67 ±0,29a 348 ±61b 546 ±70c 6,98 ±1,61a 6,73 ±1,63a środek (S) góra (G) 6,17 ±0,44 a 5,59 ±0,44a 16,01 ±1,35a 14,29 ±1,30a 11,91 ±0,97a 11,02 ±0,94a 2,08 ±0,22b 1,34 ±0,21a 285 ±20a 264 ±20a 5,30 ±0,52b 3,76 ±0,52a środek (S) góra (G) 6,73 ±1,48 a 9,23 ±1,48a 29,78 ±3,47a 29,66 ±3,47a 9,35 ±1,40a 15,58 ±1,44b 0,36 ±0,05a 0,43 ±0,05a 33,13 ±8,24a 83,30 ±8,74b 2,80 ±0,41a 4,26 ±0,39b – wartości średnie (osobno dla wilgotności oraz strefy wysokości) oznaczone tymi samymi inskrypcjami nie różnią się między sobą istotnie statystycznie przy poziomie p < 0,05. Źródło: Opracowanie własne autorów. 35 Technologie zbioru roślin energetycznych b 25,00 21,69 20,37 20,00 Et , MPa 20,00 19,87 18,75 18,02 18,06 15,00 strefa D strefa S strefa G 61,86 60,00 50,00 15,84 15,66 Et , MPa a 10,00 40,00 strefa D strefa S strefa G 49,61 32,40 46,55 30,00 5,00 19,55 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 0,00 0,00 70,00 10,00 20,00 d 25,00 15,91 15,48 15,00 15,38 13,41 10,00 11,17 5,00 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 8,56 7,66 6,75 50,00 60,00 15,00 13,56 13,37 10,95 10,00 11,55 0,00 0,00 70,00 f 15,00 5,00 0,00 0,00 10,00 6,94 4,96 6,94 20,00 30,00 10,00 20,00 50,00 60,00 70,00 w, % g 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 strefa D strefa S strefa G 15,00 11,30 10,00 0,00 0,00 8,43 7,97 6,76 10,00 7,32 6,19 20,00 3,82 3,79 3,23 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 w, % 25,00 strefa D strefa S strefa G 20,00 Et , MPa 4,91 3,91 20,00 5,00 40,00 8,57 9,80 7,61 25,00 Et , MPa Et , MPa 20,00 8,71 8,38 70,00 strefa D strefa S strefa G 5,00 strefa D strefa S strefa G 7,38 60,00 w, % 25,00 10,29 8,76 7,21 50,00 25,00 w, % 10,00 40,00 20,00 Et , MPa Et , MPa strefa D strefa S strefa G 19,64 20,00 30,00 w, % w, % e 20,15 17,41 10,00 0,00 0,00 c 26,95 28,08 20,00 15,00 10,00 10,22 11,29 5,00 0,00 0,00 6,89 5,77 10,00 6,39 6,21 6,90 6,17 20,00 4,97 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 w, % Rysunek 3.5. Interakcja wilgotności materiału ze strefami wysokości łodyg na moduł sprężystości przy cięciu Et: a – wierzba wiciowa, b – róża wielokwiatowa, c – miskant olbrzymi, d – spartina preriowa, e – ślazowiec pensylwański, f – słonecznik bulwiasty, g – rdestowiec sachaliński Źródło: Opracowanie własne autorów. 36 Właściwości fizyczne materiału roślinnego b 200,00 180,00 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 0,00 193,30 strefa D strefa S strefa G 134,01 95,41 84,81 78,33 10,00 20,00 30,00 -2 116,86 101,65 40,00 50,00 125,48 116,84 Ejt , J mm Ejt , J mm -2 a 60,00 70,00 200,00 180,00 160,00 140,00 107,94 120,00 100,00 80,00 77,95 60,00 40,00 44,66 20,00 0,00 0,00 10,00 164,28 143,01 124,51 105,86 79,16 64,59 20,00 30,00 d 60,00 36,39 20,00 34,22 30,61 21,05 30,00 27,04 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 0,00 0,00 70,00 21,16 20,00 16,21 10,00 12,00 10,00 0,00 0,00 10,00 19,71 20,00 f 45,19 26,05 20,00 20,18 37,00 24,56 (D) 23,95 (G) 23,53 (S) 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 60,00 -2 Ejt , J mm 36,64 34,64 20,00 20,00 21,61 0,00 0,00 10,00 19,97 14,33 20,00 17,50 16,96 12,89 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 29,94 18,32 10,00 15,18 11,58 24,41 15,40 10,00 0,00 0,00 29,76 25,12 31,11 26,41 30,00 strefa D strefa S strefa G strefa D strefa S strefa G 50,00 40,00 70,00 w, % w, % g 30,00 10,00 10,00 0,00 0,00 60,00 40,00 -2 36,67 36,99 50,00 50,00 30,00 40,00 60,00 strefa D strefa S strefa G Ejt , J mm Ejt , J mm -2 40,00 30,00 w, % 60,00 50,00 20,87 (G) 19,93 (D) 17,23 (S) 15,93 w, % e 70,00 40,00 30,00 -2 37,24 35,29 30,06 28,96 60,00 strefa D strefa S strefa G 50,00 Ejt , J mm Ejt , J mm -2 40,00 50,00 60,00 strefa D strefa S strefa G 51,18 50,00 40,00 w, % w, % c strefa D strefa S strefa G 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 w, % Rysunek 3.6. Interakcja wilgotności materiału ze strefami wysokości łodyg na energię jednostkową cięcia Ejt: a – wierzba wiciowa, b – róża wielokwiatowa, c – miskant olbrzymi, d – spartina preriowa, e – ślazowiec pensylwański, f – słonecznik bulwiasty, g – rdestowiec sachaliński Źródło: Opracowanie własne autorów. 37 Technologie zbioru roślin energetycznych a b 82,66 77,67 77,27 Ec , MPa 80,00 70,19 (G) 70,02 (D) 60,37 (D) 59,90 (G) 67,84 52,99 60,00 strefa D strefa S strefa G 100,00 100,13 91,35 83,79 80,57 80,00 Ec , MPa 100,00 40,00 77,00 72,09 60,00 54,59 49,99 40,00 32,09 20,00 20,00 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 0,00 0,00 70,00 10,00 20,00 30,00 c 60,00 48,02 54,41 45,99 41,82 40,00 51,06 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,28 44,97 40,94 50,00 60,00 87,34 80,00 62,05 20,00 70,00 40,00 30,29 20,00 26,28 18,64 0,00 0,00 70,00 58,24 52,97 60,00 76,76 10,00 20,00 36,20 30,00 f 40,00 30,00 28,86 27,85 25,00 26,45 20,00 30,63 16,29 15,00 14,64 10,00 30,00 19,45 15,08 12,49 20,00 17,83 15,00 13,50 12,57 10,00 5,00 0,00 0,00 30,00 40,00 70,00 25,00 0,00 0,00 20,00 60,00 strefa D strefa S strefa G 35,00 5,00 10,00 50,00 40,00 strefa D strefa S strefa G Ec , MPa 35,00 40,00 w, % w, % Ec , MPa 60,00 strefa D strefa S strefa G 100,00 92,08 Ec , MPa Ec , MPa 80,00 50,00 60,00 70,00 w, % 13,26 (D) 11,27 (G) 10,65 (S) 11,58 (S) 9,23 (G) 10,00 8,94 (D) 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 w, % 40,00 strefa D strefa S strefa G 35,00 30,00 Ec , MPa 50,00 d strefa D strefa S strefa G 100,00 g 40,00 w, % w, % e strefa D strefa S strefa G 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 17,80 17,18 11,77 9,86 7,73 0,00 0,00 10,00 9,84 8,34 7,05 7,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 w, % Rysunek 3.7. Interakcja wilgotności materiału ze strefami wysokości łodyg na moduł sprężystości przy ściskaniu Ec: a – wierzba wiciowa, b – róża wielokwiatowa, c – miskant olbrzymi, d – spartina preriowa, e – ślazowiec pensylwański, f – słonecznik bulwiasty, g – rdestowiec sachaliński Źródło: Opracowanie własne autorów. 38 Właściwości fizyczne materiału roślinnego b 9,54 strefa D strefa S strefa G 8,52 -2 6,81 4,44 3,61 3,94 3,87 2,94 2,99 10,00 20,00 30,00 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0,00 Ejc , J mm Ejc , J mm -2 a 40,00 50,00 60,00 70,00 d -2 strefa D strefa S strefa G Ejc , J mm -2 Ejc , J mm 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0,00 0,68 0,51 0,42 0,36 10,00 20,00 30,00 0,77 0,62 0,65 0,57 0,37 40,00 50,00 60,00 70,00 w, % f -2 strefa D strefa S strefa G 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,03 1,00 0,87 0,77 0,50 0,00 0,00 10,00 0,94 1,64 1,37 0,89 0,55 0,71 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 w, % Ejc , J mm -2 g 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 0,49 1,00 0,39 0,50 0,33 0,00 0,00 10,00 6,18 5,47 3,50 3,48 20,00 2,45 2,27 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 0,39 (D) 1,00 0,30 (S) 0,35 (S) 0,26 (D) 0,50 0,22 (G) 0,29 (D) 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 strefa D strefa S strefa G 0,46 (D) 0,37 (G) 0,37 (S) 40,00 50,00 60,00 70,00 w, % Ejc , J mm Ejc , J mm -2 e strefa D strefa S strefa G w, % w, % c 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,20 3,00 2,71 2,00 2,62 1,00 0,00 0,00 10,00 5,00 4,50 4,00 3,72 3,50 3,00 2,50 1,66 2,00 1,41 1,69 1,23 1,50 1,11 1,11 1,00 1,24 0,97 0,50 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 strefa D strefa S strefa G 40,00 50,00 60,00 70,00 w, % strefa D strefa S strefa G 0,46 (G) 0,45 (D) 0,50 (G) 0,47 (S) 0,45 (D) 20,00 0,23 (S) 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 w, % Rysunek 3.8. Interakcja wilgotności materiału ze strefami wysokości łodyg na energię jednostkową ściskania Ejc: a – wierzba wiciowa, b – róża wielokwiatowa, c – miskant olbrzymi, d – spartina preriowa, e – ślazowiec pensylwański, f – słonecznik bulwiasty, g – rdestowiec sachaliński Źródło: Opracowanie własne autorów. 39 Technologie zbioru roślin energetycznych 900 600 576 500 strefa D strefa S strefa G 732 734 700 Eg , MPa b 827 800 strefa D strefa S strefa G 8000 612 526 464 381 459 400 12000 10000 Eg , MPa a 300 200 6282 6000 4000 5674 3094 4918 2000 2000 100 1832 1265 1065 1688 0 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 0 0,00 70,00 10,00 20,00 30,00 c d 12000 strefa D strefa S strefa G 10000 6000 4000 2031 (D) 1974 (S) 1268 (S) 1197 (D) 1917 (G) 1039 (G) 1554 (D) 1548 (S) 1370 (G) 2000 0 0,00 11583 11849 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 6000 6207 4615 4724 4000 2703 2571 2400 3958 2000 0 0,00 70,00 f 10,00 20,00 30,00 70,00 strefa D strefa S strefa G 700 333 398 247 100 0 0,00 Eg , MPa Eg , MPa 60,00 600 472 200 425 325 236 20,00 400 431 423 439 300 100 141 10,00 500 200 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 w, % g 50,00 800 600 300 40,00 900 strefa D strefa S strefa G 816 700 400 70,00 w, % 900 500 60,00 strefa D strefa S strefa G w, % 800 50,00 8000 Eg , MPa Eg , MPa 12000 10000 8000 e 40,00 w, % w, % 0 0,00 10,00 282 259 209 185 185 158 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 w, % 900 strefa D strefa S strefa G 800 700 Eg , MPa 600 500 400 300 200 100 0 0,00 89 36 17 10,00 53 108 49 21 42 15 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 w, % Rysunek 3.9. Interakcja wilgotności materiału ze strefami wysokości łodyg na moduł sprężystości przy zginaniu Eg: a – wierzba wiciowa, b – róża wielokwiatowa, c – miskant olbrzymi, d – spartina preriowa, e – ślazowiec pensylwański, f – słonecznik bulwiasty, g – rdestowiec sachaliński Źródło: Opracowanie własne autorów. 40 Właściwości fizyczne materiału roślinnego a b 142,45 140,00 120,00 100,00 -2 94,32 80,00 60,00 52,88 47,74 40,00 11,29 (G) 7,04 (D) 7,02 (S) 24,72 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 83,06 80,00 82,66 60,00 40,00 29,66 20,00 strefa D strefa S strefa G 120,00 Ejg , J mm Ejg , J mm -2 100,00 140,00 strefa D strefa S strefa G 26,11 16,11 20,00 60,00 0,00 0,00 70,00 10,00 20,00 d 12,00 10,00 5,00 4,62 4,14 4,13 2,63 2,00 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 6,00 4,26 4,00 2,00 60,00 0,00 0,00 70,00 4,16 4,02 10,00 f 10,00 20,00 9,91 9,72 7,71 5,33 4,00 4,62 3,51 2,00 0,00 0,00 10,00 20,00 40,00 50,00 60,00 70,00 60,00 70,00 strefa D strefa S strefa G 5,94 4,00 4,70 4,42 0,00 0,00 6,28 3,37 10,00 20,00 5,91 4,93 3,49 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 w, % w, % g 6,00 2,00 30,00 50,00 7,76 8,00 6,00 40,00 10,00 -2 5,04 30,00 12,00 strefa D strefa S strefa G Ejg , J mm Ejg , J mm -2 8,00 10,21 3,05 2,55 2,05 1,95 1,89 1,14 w, % 12,00 10,25 70,00 strefa D strefa S strefa G w, % e 60,00 8,00 -2 4,00 4,62 50,00 10,00 Ejg , J mm Ejg , J mm -2 8,00 5,11 4,82 4,43 40,00 12,00 strefa D strefa S strefa G 6,00 30,00 w, % w, % c 23,18 14,54 13,77 29,15 9,03 12,00 strefa D strefa S strefa G 10,00 Ejg , J mm -2 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0,00 4,10 2,83 2,52 4,80 4,20 3,90 3,92 1,64 1,37 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 w, % Rysunek 3.10. Interakcja wilgotności materiału ze strefami wysokości łodyg na energię jednostkową zginania Ejg: a – wierzba wiciowa, b – róża wielokwiatowa, c – miskant olbrzymi, d – spartina preriowa, e – ślazowiec pensylwański, f – słonecznik bulwiasty, g – rdestowiec sachaliński Źródło: Opracowanie własne autorów. 41 Technologie zbioru roślin energetycznych Analizując kompleksowo wyniki badań można stwierdzić, że przy wilgotności pośredniej łodygi roślin energetycznych zmieniały charakterystykę parametrów wytrzymałościowych, co wskazuje na możliwość poszukiwania optymalnej wilgotności, przy której wytrzymałość materiału roślin energetycznych będzie najkorzystniejsza dla prowadzenia procesów przetwarzania w maszynach roboczych. Różnice między wynikami były prawdopodobnie związane z odmiennym zakresem wilgotności, na co wskazywał Kanafojski (1980) podczas badania źdźbeł trawy. Sztywność trawy zwiększała się bowiem zarówno przy mniejszej, jak przy większej wilgotności, uzyskując swoje optimum przy wilgotności 60–70%. Podczas zbioru roślin przy ich maksymalnej możliwej wilgotności komórki tkanek miały największy turgor. Prawdopodobnie turgor komórek decydował o sprężystości łodyg i jednocześnie wpływał na zmniejszenie energii jednostkowej przy przecinaniu. Po wysuszeniu materiału w warunkach naturalnych łodygi wchodziły w fazę więdnięcia i stały się bardziej plastyczne oraz ich sprężystość się zmniejszyła, ale przy najmniejszej wilgotności sztywność łodyg ponownie się zwiększała, gdyż materiał pozbawiony wody był twardszy, a także bardziej kruchy. Dotyczyło to zwłaszcza krzewów, ze względu na dominujący udział ścianek komórkowych zbudowanych z ligniny, powiązanych celulozą i hemicelulozą. Struktura szkieletowa tkanek z małą ilością wody nadała im twardość, ale i zarazem kruchość, a zmniejszyła się ich plastyczność. Rośliny zwiędnięte stawiały mniejszy opór podczas deformacji i było to prawdopodobnie związane z efektem tłumienia lepkościowego wilgoci i właściwościami łodyg roślin, na co zwrócił również uwagę Persson (1987). Hall i in. (1967) badali właściwości łodyg lucerny i stwierdzili, że łodygi lucerny są bardziej materiałem lepko-sprężystym niż lepko-plastycznym. Nie wszystkie jednak rośliny zachowują się tak samo. Prasad i Gupta (1975) stwierdzili odwrotny efekt dla łodyg kukurydzy, ale Chen i in. (2004) uzyskali podobne wyniki dla łodyg konopi o wilgotności 8 i 65%. Pewne niekonsekwencje w przebiegu charakterystyk parametrów wytrzymałościowych w funkcji wilgotności i strefy wysokości łodyg mogły wynikać z losowości pobranych próbek. Próbki pobierano z różnych części pola, zarówno z obrzeży, jak i z jego wewnętrznych miejsc. Ponadto wilgotność wyznaczono dla średniej próbki pobranej z 25 łodyg i z różnej ich wysokości. W kolejnych badaniach potrzebne będzie wyznaczenie wilgotności dla każdej próbki osobno i ich posortowanie według zakresu wilgotności. Dlatego przy wyjaśnianiu wpływu strefy wysokości łodygi na parametry wytrzymałościowe należy uwzględnić zastrzeżenie dotyczące różnic w wilgotności próbek pochodzących z różnych stref wysokości łodygi, zwłaszcza dla materiału pobranego bezpośrednio po zbiorze. Z literatury przedmiotowego zagadnienia wynika, że różnice w wilgotności wzdłuż wysokości łodygi zmniejszają się wraz z dojrzałością roślin (Shinners i in. 2003, Pordesimo i in. 2004, Igathinathane i in. 2006, Nazari Galedar i in. 42 Właściwości fizyczne materiału roślinnego 2008). Ponieważ w naszym przypadku zbiór był wykonywany wiosną (początek kwietnia 2009 roku), to dojrzałość roślin była pełna, co pozwala wnioskować, że różnice w wilgotności wzdłuż wysokości łodygi były minimalne. Analizując zakresy wartości i przebiegi zmian modułu sprężystości przy cięciu łodyg można stwierdzić, że największymi wartościami i największą dynamiką zmian, zwłaszcza od wilgotności, charakteryzowały się rośliny róży wielokwiatowej (tab. 3.4, rys. 3.5b). Dla łodyg róży wielokwiatowej o wilgotności 2,05–21,38% dynamika zmian modułu sprężystości przy cięciu była większa niż dla wilgotności 21,38–40,50%. Najbardziej stabilną zmianą modułu sprężystości przy cięciu charakteryzowały się łodygi wierzby wiciowej (rys. 3.5a), a następnie spartiny preriowej (rys. 3.5d). Najbardziej gwałtowne zmiany przebiegu tego parametru zarejestrowano dla miskanta olbrzymiego przy zmniejszeniu wilgotności w wąskim zakresie z 49,30 do 45,50% (rys. 3.5c). Dalsze zmniejszenie wilgotności materiału skutkowało już tylko spadkiem wartości modułu sprężystości przy cięciu. Największe różnice między wartościami tego parametru wzdłuż wysokości łodygi miskanta olbrzymiego wystąpiły przy wilgotności 45,50%, a przy wilgotności 49,30% różnice były już nieznaczne. Najbardziej stabilnymi przebiegami modułu sprężystości przy cięciu charakteryzowały się łodygi rdestowca sachalińskiego (rys. 3.5g), dla którego pomiary wytrzymałościowe przeprowadzono w największym zakresie wilgotności (10,27– –65,80%). Dla tej rośliny, odwrotnie niż dla innych, najmniejsze różnice między wartościami tego parametru wystąpiły przy pośredniej wilgotności 21,72%. Najmniejszymi wartościami moduły sprężystości przy cięciu cechowały się łodygi słonecznika bulwiastego (rys. 3.5f). Wartości modułu sprężystości przy cięciu łodyg wierzby wiciowej na wysokości od 0,10 do 1,10 m od podłoża oraz przy wilgotności 16,61–47,00% wynosiły odpowiednio 20,69–16,51 MPa (tab. 3.4). Wartości tego parametru dla róży wielokwiatowej w zakresie wilgotności 2,05–40,50% wynosiły odpowiednio 52,67–21,50 MPa, miskanta olbrzymiego o wilgotności 19,20–49,30% – 14,93– –7,66 MPa (z maksimum 15,40 MPa przy wilgotności 45,50%), spartiny preriowej o wilgotności 2,43–36,80% – 12,83–5,80 MPa, ślazowca pensylwańskiego o wilgotności 8,16–25,90% – 8,75–8,01 MPa (z minimum 6,43 MPa przy wilgotności 20,40%), słonecznika bulwiastego o wilgotności 9,70–26,46% – 7,72– –3,61 MPa (z maksimum 8,27 MPa przy wilgotności 17,05%) i rdestowca sachalińskiego o wilgotności 10,27–65,8% – 7,98–7,36 MPa (z minimum 6,26 MPa przy wilgotności 21,72%). Dla porównania wartości modułów sprężystości przy cięciu łodyg kukurydzy zmieniały się w zakresie 3,40–5,11 MPa i były o 74% większe w węzłach niż międzywęźlach oraz dość stabilne wzdłuż wysokości łodygi (Lisowski 2009a). Relacje między wilgotnością dla różnych stref wysokości innych roślin a wartościami parametrów wytrzymałościowych, zwłaszcza naprężeniami 43 Technologie zbioru roślin energetycznych tnącymi, były już wykazane wcześniej (McRandal i McNulty 1980, Annoussamy i in. 2000). W 1968 roku Halyk i in. wyznaczyli naprężenia tnące łodyg lucerny i opracowali dla nich równania regresyjne w relacji do wilgotności i gęstości roślin. Z charakterystyk wytrzymałościowych dla cięcia łodyg wynika, że ze względów energetycznych korzystniejszy byłyby zbiór roślin bezpośrednio z pnia i ich jednoczesne rozdrabnianie na sieczkę, gdyż energia jednostkowa cięcia była najczęściej najmniejsza przy największej wilgotności roślin (rys. 3.6). W skumulowanych nakładach energetycznych trzeba jednak uwzględnić ewentualną potrzebę dosuszania rozdrobnionego materiału. Takimi przebiegami zmian energii jednostkowej cięcia charakteryzowały się łodygi wierzby wiciowej, ślazowca pensylwańskiego i rdestowca sachalińskiego, a dla miskanta olbrzymiego i spartiny preriowej zmiany były statystycznie stabilne, ale z tendencją wzrostową. Dla róży wielokwiatowej i słonecznika bulwiastego parametr ten w większym stopniu zależał od wilgotności i dla pierwszej z wymienionych roślin stwierdzono dynamikę wzrostową, a dla drugiej rośliny maksymalną wartość zarejestrowano dla pośredniej wilgotności. Spośród dwóch rodzajów roślin wieloletnich: wierzby wiciowej i róży wielokwiatowej, zbiór tej drugiej rośliny w postaci całych pędów i następnie jej rozdrabnianie byłyby, ze względów energetycznych, korzystniejsze, gdyż wyschnięte łodygi róży wielokwiatowej były bardziej kruche oraz podczas cięcia pękały i nóż nie był obciążony w końcowej fazie rozdzielenia łodyg. Wyschnięte łodygi wierzby wiciowej były włókniste i rozdzielnie tkanek wymagało ich całkowitego przecięcia. Podobne zjawiska, jak podczas cięcia suchych łodyg róży wielokwiatowej, zachodziły przy cięciu rdestowca sachalińskiego. Rozpatrując różnice między przebiegami energii jednostkowej dla stref wysokości można stwierdzić, że największy wpływ tego czynnika odnotowano dla wierzby wiciowej, róży wielokwiatowej, miskanta olbrzymiego, spartiny preriowej i słonecznika bulwiastego. Konsekwencją tych różnic będzie dynamiczne obciążenie elementów i zespołów roboczych maszyn stosowanych do rozdrabniania łodyg przez cięcie. Wartości energii jednostkowej cięcia łodyg wierzby wiciowej przy wilgotności 16,61–47,00% wynosiły odpowiednio 145,2–99,0 J∙mm–2 (tab. 3.4), róży wielokwiatowej o wilgotności 2,05–40,50% – 76,8–109,3 J∙mm–2 (z maksimum 117,8 J∙mm–2 przy wilgotności 21,38%), miskanta olbrzymiego o wilgotności 19,20–49,30% – 31,44–38,67 J∙mm–2, spartiny preriowej o wilgotności 2,43–36,80% – 18,42–19,34 J∙mm–2, ślazowca pensylwańskiego o wilgotności 8,16–25,90% – 27,7–24,0 J∙mm–2 (z maksimum 39,6 J∙mm–2 przy wilgotności 20,40%), słonecznika bulwiastego o wilgotności 9,70–26,46% – 17,30– –15,78 J∙mm–2 (z maksimum 21,35 J∙mm–2 przy wilgotności 17,05%) i rdestowca sachalińskiego o wilgotności 10,27–65,8% – 24,86–25,48 J∙mm–2 (z maksimum 29,15 J∙mm–2 przy wilgotności 21,72%). 44 Właściwości fizyczne materiału roślinnego Dla porównania średnie wartości energii jednostkowej cięcia łodyg kukurydzy odmiany Inagua wynosiła 9,82–22,41 mJ·mm–2 (Lisowski 2009a). Womac i in. (2005) podczas cięcia łodyg kukurydzy nożem stożkowym o porównywalnym kącie ostrza (30o) uzyskali wartości energii jednostkowej cięcia 25,31 i 27,94 mJ·mm–2 dla wilgotności łodyg odpowiednio 75 i 9%, co oznacza, że wilgotność materiału nie miała istotnego wpływu na analizowany parametr. Chattopadhyay i Pandey (1999) podczas cięcia łodyg sorgo z prędkością 10 mm·min– 1 nożem o kącie ostrza 30–70o otrzymali wartości energii jednostkowej cięcia 36,5–142,7 mJ·mm–2. Bezwzględne wartości modułu sprężystości przy ściskaniu były większe od wartości modułu sprężystości przy cięciu, otrzymane dla odpowiednich rodzajów roślin energetycznych i czynników (wilgotności i strefy wysokości). W większości przypadków moduł sprężystości przy ściskaniu zmniejszał się wraz ze zwiększaniem wilgotności, co wynika z logicznej konsekwencji zwiększenia plastyczności materiału roślinnego wraz z większą zawartością wody w komórkach tkanek (rys. 3.7). Podobnie dolne odcinki łodyg charakteryzowały się większym modułem sprężystości, ale tutaj spowodowane to było większą twardością tkanek komórkowych, które w większym stopniu decydowały o wytrzymałości materiału niż nieco większa zawartość wody w dolnych strefach łodygi. W stosunku do tych uogólnionych stwierdzeń wystąpiły pewne niekonsekwencje, zwłaszcza w odniesieniu dla pośrednich wilgotności, co koresponduje z podobnymi spostrzeżeniami jak dla modułu sprężystości przy cięciu. Wartości modułu sprężystości przy ściskaniu łodyg wierzby wiciowej o wilgotności 16,61–47,00% wynosiły odpowiednio 79,20–57,75 MPa (tab. 3.4), róży wielokwiatowej o wilgotności 2,05–40,50% – 89,49–55,75 MPa, miskanta olbrzymiego o wilgotności 19,20–49,30% – 47,41–45,40 MPa (z maksimum 53,71 MPa przy wilgotności 45,50%), spartiny preriowej o wilgotności 2,43–36,80% – 85,39–49,14 MPa (z minimum 25,07 MPa przy wilgotności 16,27%), ślazowca pensylwańskiego o wilgotności 8,16–25,90% – 27,7–15,7 MPa, słonecznika bulwiastego o wilgotności 9,70–26,46% – 14,64–11,73 MPa (z minimum 9,91 MPa przy wilgotności 17,05%) i rdestowca sachalińskiego o wilgotności 10,27–65,8% – 9,79–11,56 MPa (z minimum 10,84 MPa przy wilgotności 21,72%). Wyniki badań przeprowadzonych przez zespół pod kierunkiem Lisowskiego (2009a) dla łodyg kukurydzy pozwalają na stwierdzenie, że moduł sprężystości przy ściskaniu wyraźnie zwiększał się wraz z wysokością dla łodyg w międzywęźlach (4,69–16,08 MPa) i pozostawał niemal niezmienny dla łodyg w węzłach (5,58–4,45 MPa). Wartość średnia modułu sprężystości przy ściskaniu łodyg kukurydzy w węzłach wynosiła 5,20 MPa, a dla łodyg w międzywęźlach była o 66% większa i wynosiła 8,65 MPa. Osadki kolb kukurydzy o wilgotności 65,4% charakteryzowały się najmniejszymi wartościami modułu sprężystości przy ściskaniu (0,80 MPa), a największymi – ziarno o wilgotności 43,0% (15,71 MPa). 45 Technologie zbioru roślin energetycznych Według Molendowskiego (2005), moduł sprężystości przy ściskaniu osadek kukurydzy o wilgotności 16 ±1,5% zależał od odmiany kukurydzy, a średnie wartości dla 8 odmian wynosiły 22,7–45,3 MPa. Oznacza to bardzo duży wpływ wilgotności osadek na ich moduł sprężystości. Średnie wartości modułu sprężystości dla ziarna kukurydzy cukrowej o wilgotności 76,7–69,2% miały wartość 4,08–2,94 MPa (Niedziółka i in. 2004). Autorzy wyjaśnili, że ziarno o mniejszej wilgotności i większym udziale skrobi ma mniejsze wartości parametrów mechanicznych. Należy jednak sądzić, że taka tendencja zmian może wynikać z wyższego zakresu wilgotności materiału, gdy w większym stopniu odrywa rolę turgor komórek. Materiał roślinny tracący wodę w tym zakresie wilgotności więdnie, zmniejszając swoją sprężystość. Inaczej zachowuje się materiał roślinny przy zmianie zawartości wody w zakresie niższych wilgotności. Wyniki badań dla różnych gatunków nasion (fasola, groch, żyto, pszenica, wyka, peluszka) wykazały inną tendencję niż ziarno kukurydzy cukrowej (Frączek i in. 2003). Przy wilgotności 9,9–24,8% moduł sprężystości zmieniał się od 941,29 do 72,30 MPa i zależał również od siły nacisku. To oznacza, że zwiększenie zawartości wody w nasionach prowadziło do ich mniejszej sprężystości, a nasiona suche o większej sprężystości wymagają większej ilości energii do ich deformacji. Nasiona o większej zawartości wody są bardziej plastyczne, a zatem odkształcenia plastyczne rozpoczynają się przy coraz mniejszych wartościach siły nacisku. Z tych rozważań wynika, że występuje pewien optymalny zakres wilgotności, przy którym sprężystość materiału jest najmniejsza. Zostało to wykazane dla wskaźnika sztywności źdźbeł trawy, określonego jako iloczyn modułu sprężystości i momentu bezwładności (Kanafojski 1980). Ślipek i in. (1999) stwierdzili, że poniżej wilgotności 17,3% nawet stosunkowo niewielki jej przyrost, powodował duży spadek modułu Younga. Z kolei powyżej wilgotności 17,3% następowała stabilizacja modułu sprężystości. Było to wynikiem zmian właściwości materiału ze sprężysto-plastycznych na lepkoplastyczno-sprężyste, co – jak wykazują liczne publikacje – jest jedną z głównych trudności towarzyszących poszukiwaniu modelu reologicznego ziarna (Byszewski i Haman 1977, Kolowca 1986, Koper 1980, Haman i Konstankiewicz 1999). Sens fizycznej relacji modułu sprężystości Younga od wilgotności wynika z budowy anatomicznej ziarna. Wytrzymałość ziarniaka, definiowaną przez siłę w granicy mikrouszkodzeń (Kolowca 1986), moduł sprężystości Younga (Mohsenin 1970, Koper 1980, Grochowicz 1994) czy też wskaźnik wytrzymałości zmęczeniowej (Frączek i in. 2003), można traktować jako złożenie wytrzymałości okrywy owocowonasiennej i bielma. Przy mniejszej wilgotności udziały obu warstw są porównywalne. Przy większej wilgotności następuje nierównomierne zmniejszenie wytrzymałości, gdyż bielmo traci swą wytrzymałość znacznie szybciej niż zewnętrzna warstwa ziarna. O wytrzymałości całego ziarna w większym stopniu decydują właściwości okrywy owocowonasiennej. W wyniku wypełnienia 46 Właściwości fizyczne materiału roślinnego wodą komórek bielma i ich przestrzeni następuje rozluźnienie jego struktury komórkowej i – jak podają Ślipek i in. (1999) – przy dużej zawartości wody ziarno można porównać do cienkościennego elastycznego pojemnika wypełnionego substancją lepko-sprężystą. Przytaczane w literaturze przedmiotu wartości modułu sprężystości przy ściskaniu nasion (modułu Younga) zawierają się w bardzo dużym przedziale od 10 do 4103 MPa (Zoerb i Hall 1960, Arnold i Roberts 1969, Koper 1980, Kustermann i Kutzach 1982, Grundas i Hnilica 1987, Michalak 1997, Dobrzański 1988, Ślipek i in. 1999). Duża rozbieżność tych wartości może wynikać z cech gatunkowych nasion, ich wilgotności, ale także z różnych metod pomiarów i opracowania wyników na podstawie przebiegów charakterystyk siła – odkształcenie. Energia jednostkowa ściskania łodyg roślin energetycznych, podobnie jak moduł, była większa dla łodyg ściskanych w dolnych niż górnych strefach wysokości i zmniejszała się wraz ze wzrostem wysokości (rys. 3.8). Największe różnice zanotowano dla łodyg wierzby wiciowej, zwłaszcza przy wilgotności 16,61–31,70% (rys. 3.8a). Dla róży wielokwiatowej największą energię jednostkowo zarejestrowano dla pośredniej wilgotności roślin 21,38% (rys. 3.8b). Dość stabilnymi przebiegami zmian energii jednostkowej ściskania charakteryzowały się łodygi miskanta olbrzymiego (rys. 3.8c), spartiny preriowej (rys. 3.8d) i rdestowca sachalińskiego (rys. 3.8g). Dla ślazowca pensylwańskiego (rys. 3.8e), a zwłaszcza dla słonecznika bulwiastego (rys. 3.8f) energia jednostkowa ściskania łodyg miała charakterystykę rosnącą, a ponadto łodygi ślazowca pensylwańskiego w dolnej strefie wysokości miały mniejsze wartości tego parametru. Wartości energii jednostkowej ściskania łodyg wierzby wiciowej przy wilgotności 16,61–47,00% wynosiły odpowiednio 8,29–3,58 J∙mm–2 (tab. 3.4), róży wielokwiatowej o wilgotności 2,05–40,50% – 2,84–2,74 J∙mm–2 (z maksimum 5,04 J∙mm–2 przy wilgotności 21,38%), miskanta olbrzymiego o wilgotności 19,20–49,30% – 0,43–0,52 J∙mm–2 (z maksimum 0,70 MPa przy wilgotności 45,50%), spartiny preriowej o wilgotności 2,43–36,80% – 0,26–0,40 J∙mm–2, ślazowca pensylwańskiego o wilgotności 8,16–25,90% – 0,89–1,24 J∙mm–2 (z minimum 0,79 J∙mm–2 przy wilgotności 20,40%), słonecznika bulwiastego o wilgotności 9,70–26,46% – 1,10––2,17 J∙mm–2 i rdestowca sachalińskiego o wilgotności 10,27–65,8% – 0,40–0,38 J∙mm–2 (z maksimum 0,47 J∙mm–2 przy wilgotności 21,72%). Dla porównania energia jednostkowa dla łodyg kukurydzy ściskanych zarówno w węzłach, jak i w międzywęźlach zmniejszała się wraz z ich wysokością (Lisowski 2009a). Wartość średnia energii jednostkowej potrzebnej do zdeformowania łodyg w węzłach wynosiła 2,32 mJ·mm–2, a dla łodyg w międzywęźlach była mniejsza o 33% (1,56 mJ·mm–2). Wilgotne i suche osadki kolb kukurydzy wymagały największej energii jednostkowej ściskania, która odpowiednio wynosiła 3,34 i 3,06 mJ·mm–2, a ziarno najmniejszej (1,37 mJ·mm–2). 47 Technologie zbioru roślin energetycznych Na podstawie uzyskanych wyników energii jednostkowej ściskania dla łodyg roślin energetycznych można stwierdzić, że w przypadku rozdrabniania materiału roślinnego przez rozgniatanie lub miażdżenie (co ma częściowo miejsce w rozdrabniaczach bijakowych) bardziej korzystne jest wykonanie tego procesu przy mniejszej wilgotności łodyg (oprócz wierzby wiciowej). Na przykład, jeśli materiał ślazowca pensylwańskiego chcielibyśmy poddać procesowi ściskania, np. podczas produkcji brykietów lub peletów, to ze względów energetycznych korzystnie byłoby ten proces przeprowadzić przy wilgotności około 20%, gdyż wówczas naprężenia ściskające i energia jednostkowa są najmniejsze. Energia jednostkowa ściskania była największa dla łodyg o największej wilgotności, co należy tłumaczyć małą ściśliwością wody. Z tego wynika, że w zależności od sposobu deformacji łodyg proces rozdrabniania powinien być prowadzony przy różnej wilgotności. Podatność łodyg roślin energetycznych na zginanie należy rozpatrywać w aspekcie energetycznym i agrotechnicznym. Ten ostatni aspekt wynika z dążenia hodowców do uzyskania rośliny odpornej na wyleganie. Spośród badanych rodzajów roślin energetycznych największymi modułami sprężystości przy zginaniu charakteryzowały się łodygi róży wielokwiatowej, miskanta olbrzymiego i spartiny preriowej, zwłaszcza przy najmniejszej wilgotności (rys. 3.9). W większości przypadków większymi wartościami modułu sprężystości przy zginaniu charakteryzowały się górne strefy wysokości łodyg. Inny przebieg odnotowano dla łodyg spartiny preriowej i słonecznika bulwiastego. Najmniej podatne na odkształcenia zginające okazały się rośliny rdestowca sachalińskiego. O wartościach modułów sprężystości przy zginaniu zadecydowała zarówno budowa morfologiczna łodyg roślin, jak i ich wilgotność, która różniła się znacząco między rodzajami roślin. Rdestowiec sachaliński i spartina preriowa w przekroju poprzecznym są pierścieniem, natomiast słonecznik bulwiasty i ślazowiec pensylwański charakteryzują się dużym udziałem tkanki miękiszowej w stosunku do włóknistej. Słonecznik bulwiasty, ślazowiec pensylwański i spartina preriowa miały zróżnicowaną wilgotność, ale ich łodygi charakteryzowały się zbliżonymi wartościami modułów sprężystości przy zginaniu. Wynika z tego, że o sprężystości łodyg roślin energetycznych w większym stopniu decyduje ich budowa wewnętrzna niż wilgotność materiału, ale potwierdzenie tego stwierdzenia wymaga przeprowadzenia dodatkowych badań. Wartości modułu sprężystości przy zginaniu łodyg wierzby wiciowej o wilgotności 16,61–47,00% wynosiły odpowiednio 589–456 MPa (z maksimum 723 MPa przy wilgotności 31,70%, tab. 3.4), róży wielokwiatowej o wilgotności 2,05–40,50% – 5624–1387 MPa, miskanta olbrzymiego o wilgotności 19,20– –49,30% – 1491–1168 MPa (z maksimum 1974 MPa przy wilgotności 45,50%), spartiny preriowej o wilgotności 2,43–36,80% – 9880–2558 MPa, ślazowca pensylwańskiego o wilgotności 8,16–25,90% – 540–329 MPa (z minimum 262 MPa przy wilgotności 20,40%), słonecznika bulwiastego o wilgotności 9,70–26,46% 48 Właściwości fizyczne materiału roślinnego – 431–184 MPa i rdestowca sachalińskiego o wilgotności 10,27–65,8% – 47,05– 59,27 MPa (z minimum 36,72 MPa przy wilgotności 21,72%). Z naszych wcześniejszych badań (Lisowski 2009a) wynika, że moduł sprężystości przy zginaniu dla łodyg kukurydzy w węzłach był mniejszy (727 MPa) niż w międzywęźlach (836 MPa) oraz mniejszy dla osadek wilgotnych (134 MPa) niż suchych (165 MPa), przy czym różnice między nimi nie były statystycznie istotne. Moduł sprężystości przy zginaniu dla łodyg w węzłach miał porównywalne wartości dla stref wysokości (684–776 MPa), bez wyraźnej tendencji względem wysokości pędu. Wartości modułu sprężystości przy zginaniu dla łodyg w międzywęźlach były w stosunku dla łodyg w węzłach mniejsze dla pierwszej i drugiej strefy wysokości i wyraźnie większe dla trzeciej i czwartej strefy wysokości łodygi, ze znacząco progresywną charakterystyką od drugiej strefy wysokości pędu. Nieznaczne zmniejszenie się modułu sprężystości dla łodyg w międzywęźlach w drugiej strefie wysokości pędu wynikało prawdopodobnie z faktu, iż pod węzłem, z którego wyrasta kolba kukurydzy przekrój poprzeczny łodygi był niekształtny i wystąpił większy błąd w jej aproksymacji. O’Dogherty i in. (1995) wykazali, że moduł sprężystości przy zginaniu słomy pszenicy w międzywęźlach zawierał się w zakresie 4760–6580 MPa i zmniejszał się (podobnie jak w naszych badaniach) wraz ze zwiększaniem się wilgotności materiału. Nazari Galedar i in. (2008) stwierdzili, że dla wilgotności łodyg lucerny 10, 20, 40 i 80% wartości modułu sprężystości przy zginaniu wynosiły odpowiednio 3990, 3520, 1800 i 790 MPa i w tym zakresie wilgotności opracowali równania regresyjne między zmiennymi. Z zamieszczonego przez nich rysunku wynika, że moduł sprężystości zwiększał się również wraz z wysokością strefy wysokości łodygi. Moduł sprężystości przy zginaniu łodyg sorgo przy prędkości 10–100 mm·min–1 nie zmieniał się statystycznie istotnie oraz wynosił 309 i 342 MPa, odpowiednio dla fazy zbioru na kiszonkę i nasiona (Chattopadhyay i Pandey 1999). Były to mniejsze wartości niż dla łodyg kukurydzy, ale rośliny kukurydzy są znacznie silniejsze niż sorgo. Jeszcze mniejsze wartości (225 MPa) otrzymali Prince i in. (1969) dla zielonej lucerny, która jest znacznie słabszą rośliną niż poprzednie. Skubisz (2001) wykazała, że pędy rzepaku zwiększają sztywność oraz charakteryzują się większym modułem sprężystości przy zginaniu przy mniejszej gęstości wysiewu, gdy mają większe średnice i są silniejsze. Chattopadhyay i Pandey (1999) zwrócili uwagę, że moduł sprężystości przy zginaniu roślin sorgo zbieranych w późniejszej fazie dojrzałości (na nasiona) był o 10,7% większy niż w fazie zbioru na kiszonkę i że sztywność łodyg zwiększyła się ze względu na zwiększenie grubości ich ścian oraz zawartości suchej substancji. Skubisz i in. (2001) dla dwóch odmian porzeczki czarnej (Titania, Ojebyn) stwierdzili różnice w wartościach modułu sprężystości przy zginaniu pędów 1-, 2- i 3-letnich wzdłuż ich wysokości. Jednoroczna odmiana Titania charakteryzowała się bardzo silnym zwiększaniem się sprężystości w kierunku górnym pędu (2180–7330 MPa), a Ojebyn odwróconą parabolą z maksimum 49 Technologie zbioru roślin energetycznych 2940 MPa. Po początkowym, powolnym zwiększeniu się sprężystości pędów (do około 0,24 m od dołu) następowało gwałtowne jej zmniejszenie. Pędy pochodzące ze starszych roślin miały podobne charakterystyki modułu sprężystości, których wartości wynosiły od 170 do 1710 MPa. Wraz z wiekiem roślin ich sprężystość zmniejszała się ze względu na większą zawartość suchej substancji i zdrewnienie tkanki roślin. Energia jednostkowa zginania łodyg roślin energetycznych była w większości przypadków większa dla dolnych stref wysokości (rys. 3.10), co logiczne i pożądane, gdyż rośliny są bardziej odporne na wyleganie. Inny przebieg energii jednostkowej zginania odnotowano dla rdestowca sachalińskiego (rys. 3.10g), gdyż materiał tej rośliny jest bardzo kruchy i łatwo się łamie. Dotyczy to zwłaszcza bardziej zdrewniałych łodyg w dolnej strefie wysokości. Łodygi wierzby wiciowej łatwo się zginały przy dużej wilgotności, a przy małej ich podatność na tego typu obciążenie była znacznie mniejsza (rys. 3.10a). Największe zmiany w przebiegu energii jednostkowej zginania zachodziły w dolnej strefie wysokości łodygi. Łodygi róży wielokwiatowej było najtrudniej zgiąć przy pośredniej wilgotności (21,38%), zwłaszcza w dolnej i środkowej strefie wysokości (rys. 3.10b). Przy najmniejszej wilgotności (2,05%) energia jednostkowa zginania była porównywalna z tą, jaką odnotowano dla wilgotności największej (40,50%). Podobną charakterystyką cechowały się łodygi miskanta olbrzymiego, słonecznika bulwiastego i rdestowca sachalińskiego. Odmienny natomiast przebieg energii jednostkowej zginania odnotowano dla spartiny preriowej i ślazowca pensylwańskiego, dla których najmniejsze wartości tego parametru otrzymano dla pośrednich wilgotności materiału roślinnego (rys. 3.10d, e). Wartości energii jednostkowej zginania łodyg wierzby wiciowej przy wilgotności w przedziale 16,61–47,00% wynosiły odpowiednio 94,84–8,45 J∙mm–2 (tab. 3.4), róży wielokwiatowej o wilgotności 2,05–40,50% – 17,08–17,16 J∙mm–2 (z maksimum 64,96 J∙mm–2 przy wilgotności 21,38%), miskanta olbrzymiego o wilgotności 19,20–49,30% – 4,79–3,64 J∙mm–2, spartiny preriowej o wilgotności 2,43–36,80% – 4,15–2,55 J∙mm–2 (z minimum 1,66 J∙mm–2 przy wilgotności 16,27%), ślazowca pensylwańskiego o wilgotności 8,16–25,90% – 10,06– –765 J∙mm–2 (z minimum 4,39 J∙mm–2 przy wilgotności 20,40%), słonecznika bulwiastego o wilgotności 9,70–26,46% – 5,02–4,77 J∙mm–2 (z maksimum 5,80 J∙mm–2 przy wilgotności 17,05%) i rdestowca sachalińskiego o wilgotności 10,27–65,8% – 3,15–2,30 J∙mm–2 (z maksimum 4,31 J∙mm–2 przy wilgotności 21,72%). Dla porównania energia jednostkowa zginania kukurydzy była istotnie większa dla łodyg w węzłach niż międzywęźlach i wynosiła odpowiednio 5,02 i 3,56 mJ·mm–2 (Lisowski 2009a) oraz w pierwszym przypadku wyraźnie zmniejszała się wraz z wysokością łodygi, a w drugim miała na ogół tendencję malejącą, o zaburzeniach tej tendencji w drugiej strefie wysokości. Znacząco większe 50 Właściwości fizyczne materiału roślinnego różnice między wartościami tego parametru odnotowano dla pierwszych dwóch stref wysokości łodygi. Osadki wilgotne kolb kukurydzy wymagały najmniejszej energii jednostkowej do ich zgięcia (1,19 mJ·mm–2), a suche – znacznie większej (2,90 mJ·mm–2). Podobnie jak naprężenia zginające łodygi sorgo, energia jednostkowa zginania przy prędkość deformacji w zakresie 10–100 mm·min–1 okazała się nieistotna dla faz zbioru na kiszonkę i nasiona oraz odpowiednio wynosiła 36,46 i 30,92 mJ·mm–2 (Chattopadhyay i Pandey 1999). W podsumowaniu analizy wyników badań dotyczących charakterystyk modułu sprężystości i energii jednostkowej, parametrów wyznaczonych przy cięciu, ściskaniu i zginaniu łodyg siedmiu gatunków roślin energetycznych, można stwierdzić, że wystąpiła duża spójność między tymi parametrami dla danego gatunku. Podczas tego typu obciążeń największą sprężystością cechowały się krzewy: wierzba wiciowa i róża wielokwiatowa, a spośród traw miskant olbrzymi i spartina preriowa. Przy tym sprężystość materiału wierzby wiciowej zmieniała się w zależności od wilgotności w mniejszym stopniu niż róży wielokwiatowej, dla której największą dynamikę spadku odnotowano w dolnym zakresie wilgotności (2,05–21,38%). Dla róży wielokwiatowej przebieg zmian modułu sprężystości w zależności od wilgotności przy wszystkich rodzajach obciążenia był zbliżony do hiperboli lub paraboli zwykłej. Dla wierzby wiciowej charakterystyki modułu sprężystości przy cięciu i ściskaniu były zbliżone do prostych, z ujemnym współczynnikiem kierunkowym, a moduł sprężystości przy zginaniu można było aproksymować w zależności od wilgotności krzywą drugiego stopnia z odwróconą parabolą. Sprężystość materiału miskanta olbrzymiego zwiększała się nieznacznie dla wilgotności 19,20–45,50%, a następnie gwałtowanie zmniejszała dla wilgotności w wąskim przedziale 45,50–49,30%. Przy wilgotności 19,20–49,30% zmiana modułu sprężystości była zbliżona do odwróconej paraboli. Odmienną charakterystykę miał moduł sprężystości dla spartiny preriowej, gdyż dla wilgotności od 2,43 do 36,80% była ona zbliżona do hiperboli lub paraboli zwykłej. Przy wilgotności 8,16–25,90% charakterystyka modułu sprężystości ślazowca pensylwańskiego była podobna do spartiny preriowej, ale o znacznie mniejszym zakresie wartości bezwzględnych, zwłaszcza dla zginania. Zbliżoną charakterystykę do ślazowca pensylwańskiego, zarówno pod względem wartości bezwzględnych, jak jej kształtu, miał słonecznik bulwiasty. Zupełnie odmiennymi właściwościami cechował się materiał rdestowca sachalińskiego, gdyż w zakresie dużej wilgotności (10,27–65,80%) moduł sprężystości zmieniał się bardzo nieznacznie, a jego wartości bezwzględne były najmniejsze spośród niemal wszystkich siedmiu rodzajów roślin energetycznych, zwłaszcza dla obciążenia zginającego. Energia jednostkowa, obliczona dla cięcia, ściskania i zginania łodyg roślin energetycznych, pozwala na pełniejsze scharakteryzowanie zmian oporów, 51 Technologie zbioru roślin energetycznych jaki stawia materiał tych roślin pod wpływem zewnętrznego wymuszenia przez elementy robocze maszyny. Można sformułować wniosek podobny jak dla modułu sprężystości, iż materiał wierzby wiciowej i róży wielokwiatowej stawiał największy opór podczas analizowanych deformacji łodyg. Wartości energii jednostkowej cięcia dla pozostałych roślin był zbliżone. Podobne stwierdzenie można sformułować w odniesieniu do deformacji łodyg przez ściskanie i zginanie. Charakterystyki zmian energii jednostkowej w zależności od wilgotności były jednak bardziej zróżnicowane dla gatunków roślin energetycznych. Przebieg zmian energii jednostkowej w zależności od wilgotności dla wierzby wiciowej był zbliżony do hiperboli. Charakterystykę energii jednostkowej dla spartiny preriowej można porównać do paraboli zwykłej lub hiperboli, ale zmiany przy ściskaniu miały przebieg liniowy. Podobne niekonsekwencje odnotowano dla ślazowca pensylwańskiego, przy czym dla tej rośliny zmiany energii jednostkowej ściskania i zginania w zależności od wilgotności można aproksymować zwykłą krzywą paraboliczną, a energii jednostkowej cięcia – odwróconą parabolą. Dla pozostałych roślin energetycznych przebiegi zmian energii jednostkowej w zależności od wilgotności materiału przybierały kształt odwróconej paraboli. Materiał roślinny pochodzący z dolnych odcinków łodyg charakteryzował się na ogół większą sprężystością, ale stawiał również większy opór podczas jego cięcia, ściskania i zginania. Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań 1. W strefie ścinania roślin, na wysokości około 0,10 m od podłoża, łodygi miały największą podatność na zginanie, stawiając największe opory przy cięciu i ściskaniu, gdyż były najbardziej zdrewniałe. 2. Najmniejszą sprężystość miały dolne odcinki łodyg ślazowca pensylwańskiego, o najmniejszych wartościach modułu sprężystości przy cięciu, ściskaniu i zginaniu. 3. Łodygi ślazowca pensylwańskiego miały najkorzystniejsze wartości parametrów wytrzymałościowych przy wilgotności około 20%. 4. Ze względów energetycznych rozdrabnianie łodyg ślazowca pensylwańskiego przez cięcie korzystniej jest wykonać przy wilgotności około 26%, natomiast mielenie oraz zagęszczanie, połączone ze zginaniem – przy wilgotności około 20%. 5. Analiza statystyczna wykazała istotny wpływ rodzaju rośliny i strefy wysokości łodygi na wartość modułu sprężystości przy zginaniu. 6. Dla stref dolnej i środkowej wysokości łodyg roślin energetycznych utworzyła się jedna grupa homogeniczna z wartości modułu sprężystości przy zginaniu. Odmienną grupę jednorodną o statystycznie większych wartościach tego parametru wyróżniono dla górnej strefy wysokości łodyg. 52 Właściwości fizyczne materiału roślinnego 7. Rośliny wierzby wiciowej, róży wielokwiatowej i miskanta olbrzymiego charakteryzowały się umiarkowaną, a rdestowca sachalińskiego, spartiny preriowej i ślazowca pensylwańskiego dużą zmiennością modułu sprężystości przy zginaniu wzdłuż wysokości łodyg, największe zaś zróżnicowanie tego parametru stwierdzono dla łodyg słonecznika bulwiastego. 3.2. Charakterystyka pociętego i zmielonego materiału roślinnego Wilgotność zbieranych roślin jest bardzo zmienna i wynosi 22–55% oraz zależy od rodzaju, terminu zbioru, a także cyklu zbioru (1–3-letni), zwłaszcza form drzewiastych (Lechasseur i Savoie 2005). Ze względu na duże różnice wilgotności w fazie zbioru w warunkach naturalnych trudno jednoznacznie ocenić wpływ rodzaju roślin na ich rozdrobnienie (Lisowski i in. 2009f). Długość zrębków przeznaczonych na opał nie powinna przekraczać 60 mm (PN-91/D-95009). Materiał rozdrobniony za pomocą sieczkarni zbierającej lub rozdrabniacza stacjonarnego może być zarówno produktem końcowym, jak i wymagać dalszej obróbki. Technologie spalania biomasy w energetyce lokalnej i przemysłowej lub konwersja surowca do innych form użytkowych (brykietów, peletów) wymagają odpowiedniego przygotowania produktu, które najczęściej wiąże się z dodatkowym rozdrabnianiem i zmniejszeniem wilgotności biomasy poniżej 15% (Alakangas 2005). W dostępnej literaturze dotychczasowe opisy rozkładu wymiarów cząstek rozdrobnionego materiału z roślin energetycznych są uproszczone. Spowodowane to było głównie zastosowaniem ręcznych technik do analizy długości sieczki i wynikającą z nich czasochłonnością procedur. W polskojęzycznej literaturze znajdują się najczęściej dane dotyczącego takich metod analizy, a jeśli wykorzystywano separatory mechaniczne, to były one adaptowane, których głównym zastosowaniem była separacja innego materiału, np. gleby, ziarna, surowców lub przetworzonego materiału w paszy. Mimo znanego standardu ASAE S424 od lat 70. XX wieku, w którym opisano metodę pomiaru i przedstawiono wytyczne konstrukcji urządzenia, w światowej literaturze niewiele jest wyników badań, które uzyskano wykorzystując metodę bezpośrednio dedykowaną do materiałów rozdrobnionych w sieczkarniach polowych. Na te problemy wskazywał już O’Dogherty (1982), sugerując potrzebę dokładniejszego opisu rozkładu wymiarów cząstek. W niniejszej pracy zamieszczono wyniki badań rozkładu wymiarów cząstek rozdrobnionego materiału roślinnego w sieczkarni polowej z wykorzystaniem standardowej metody ASAE S424.1 (1998), a otrzymane rozkłady aproksymowano modelem Rosina-Rammlera-Sperlinga-Bennetta. Oprócz metody sitowej, do opisu rozkładu wymiarów cząstek zastosowano również metodę pneuma53 Technologie zbioru roślin energetycznych tyczną, w celu znalezienia korelacji między wynikami badań, określającymi właściwości masowe i aerodynamiczne cząstek. Wykorzystanie biomasy na bioenergię lub inne produkty wytwarzane z biomasy, np. brykiety i pelety, wymaga zmniejszenia wymiarów cząstek materiału roślinnego lub drzewnego do określonego zakresu, który zależy od odmiany surowca, sposobu przetwarzania i dalszych procesów konwersji biomasy, np. przez procesy chemiczne lub termiczne, do innych postaci produktów. Redukcja wymiarów biomasy jest procesem mechanicznym i najczęściej polega na cięciu lub rozcieraniu, podczas którego znacząco zmieniają się wymiary cząstek, kształt lub gęstość objętościowa materiału organicznego. Procesy te mogą być zrealizowane w maszynach z obrotowymi zespołami roboczymi, do których można zaliczyć nożowe rozdrabniacze bębnowe lub tarczowe oraz rozdrabniacze bijakowe. Dla rozdrobnionego materiału roślinnego przeznaczonego do dalszego przetwarzania, rozmiar cząstek jest jedną z najważniejszych cech fizycznych, ponieważ stanowi klucz do doboru parametrów pracy zespołów roboczych podczas rozdrabniania, mielenia, mieszania, uwadniania, ekstruzji, peletowania, brykietowania i transportu pneumatycznego. Najpełniejszym opisem rozdrobnionego materiału roślinnego jest rozkład wymiarów cząstek w postaci tabelarycznej lub graficznej. Wyrażenie rozkładu wymiarów cząstek za pomocą funkcji matematycznych jest kolejnym, innym sposobem scharakteryzowania procesu rozdrabniania lub podatności materiału na rozdrabnianie. Jest wiele różnych typów funkcji rozkładu wymiarów cząstek, zarówno w postaci skumulowanej, jak i względnej częstości. Należą do nich: rozkład normalny, rozkład logarytmiczno-normalny, funkcje Rosina-Rammlera, Gatesa-Gaudina-Schuhmanna, Bennetta, Gaudina-Meloya, zmodyfikowana Gaudina-Meloya, Rollera, Svensona, błędu, zmodyfikowana Beta, Griffitha i Johnsona (Ahmed i Drzymała 2005, Bitra i in. 2008). Spośród tych funkcji, najbardziej przydatne do analizy rozdrobnionego materiału roślinnego mogą być: Gatesa-Gaudina-Schuhmanna, zmodyfikowana Gaudina-Meloya, Rosina-Rammlera-Sperlinga-Bennetta, logarytmiczno-normalna i zmodyfikowana Beta. Funkcja Rosina-Rammlera-Sperlinga-Bennetta jest użyteczna dla monitorowania pracy urządzeń rozcierających i rozdrabniających, z których otrzymuje się mieszaniny cząstek o rozkładach charakteryzujących się dużą skośnością. Funkcja Gatesa-Gaudina-Schuhmanna jest prosta do zastosowania, a Gaudina-Meloya może być dopasowana do różnych rozkładów spotykanych w praktyce. Rozkład logarytmiczno-normalny może być korzystny dla transformacji rozkładów, które są proste oraz dla rozkładów odnoszących się do liczebności, powierzchni lub objętości o tym samym nachyleniu. Z analizy przedmiotowego zagadnienia wynika, że jest wystarczająco dużo wyników badań o rozkładach wymiarów cząstek rozdrobnionego materiału roślinnego kukurydzy, lucerny, trawy (Schwab i in. 2002, Zhang 2002), 54 Właściwości fizyczne materiału roślinnego a także zrębków drzewnych (Bitra i in. 2008). W dostępnej literaturze jest znacznie mniej informacji o rozdrobnionej biomasie pochodzącej z roślin energetycznych, która dopiero w ostatnich latach jest obiektem szerszego zainteresowania naukowców i praktyków. Z przeprowadzonych badań (Lisowski i in. 2008a, 2008c, 2009b, 2010b, 2010f) wynika, że rozkłady wymiarów cząstek materiału roślinnego pociętego w sieczkarni miały rozkład zbliżony do logarytmiczno-normalnego, przeto określono parametry tego rozkładu, a rozkłady rzeczywiste aproksymowano modelem Rosina-Rammlera-Sperlinga-Bennetta. Dla rozkładu logarytmiczno-normalnego: f (x ) = ª (ln x − ln x g )2 º 1 », exp «− 2 ln2 sg x ln sg 2𠫬 »¼ (1) gdzie: f(x) – funkcja rozkładu dla cząstek o wymiarze x, xg – średnia geometryczna rozkładu: x g = ln−1 sg Σ(mi ln x si ) , Σmi (2) – standardowe odchylenie geometryczne (bezwymiarowe): sg = log −1 Σmi (ln x si − ln x g )2 , Σmi (3) gdzie: mi – masa sieczki na i-tym sicie, g, xsi – średnia długość cząstek na i-tym sicie w mm, którą wyznaczono ze wzoru: x si = x i xi −1 , (4) gdzie: xi – przekątna otworu i-tego sita, mm, xi–1 – przekątna otworu sita znajdującego się powyżej i-tego sita, mm. Ponieważ w powyższej zależności xg reprezentuje wartość mediany, to ogólny model Rosina-Rammlera-Sperlinga-Bennetta (RRSB): n § x · −¨ ¸ © xR ¹ Y =1− e , (5) , (6) przekształcono do postaci n § x · −¨ ¸ © x50 ¹ Y =1− 2 gdzie: Y – udział masowy materiału drobniejszego niż wymiar x, xR, x50 – stałe określające zakres rozmiaru cząstek, n – stała charakteryzująca materiał, która jest miarą stromości krzywej rozkładu. 55 Technologie zbioru roślin energetycznych Mniejsza wartość n wiąże się z bardziej rozproszonym rozkładem, a większa wartość n oznacza zwiększenie jednorodności rozkładu wymiaru cząstek. Wartość x50 oznacza wymiar otworu sita, przy którym 50% masy przesiewa się podczas separacji próbki mieszaniny. Po podwójnym logarytmowaniu funkcji Y otrzymano jej liniową postać. Do wyznaczenia nieznanych wartości współczynników n i x50 zastosowano pakiet statystyczny SPSS v.14. Obliczenia przeprowadzono dla każdej próby, a następnie dla uśrednionych wartości n i x50 sporządzono wykresy skumulowanej częstości masy środka geometrycznego klasy dla mieszaniny każdego gatunku z badanych roślin energetycznych. Wilgotność roślin w czasie zbioru była zróżnicowana i wynosiła od 22,6 do 52,2% (tab. 3.5). Uzyskane zrębki i sieczkę o średnim wymiarze 9–11 mm (Lisowski i in. 2008c, 2009b) dosuszono w warunkach naturalnych do wilgotności zawierającej się w wąskim zakresie 5,6–7,3% (tab. 3.5). Wysuszony materiał roślinny rozdrobniono na rozdrabniaczu bijakowym, wyposażonym w ekran perforowany o średnicy oczka 10 mm. Zbiór roślin energetycznych z pnia przyczepianą sieczkarnią polową Z-374 przeprowadzono w grudniu 2007 roku. Zespół rozdrabniający sieczkarni był wyposażony w 5 noży i proste łopatki rzutnika z ostrą krawędzią natarcia oraz płytkę denną o powierzchni gładkiej. Prędkość kątowa tarczy tnącej wynosiła 105 s–1. Nastawione parametry robocze zespołu umożliwiały uzyskanie częstotliwości cięcia 83 Hz oraz teoretycznej długości cząstek rozdrobnionego materiału roślinnego 8,8 mm. Rozdziału rozdrobnionego materiału po zbiorze sieczkarnią i po zmieleniu na rozdrabniaczu bijakowym przeprowadzono na separatorze sitowym spełniającym wymagania normy ASAE S424.1, zaprojektowanym przez Lisowskiego i Sara (Lisowski i in., 2008d), a wykonany przez firmę Łukomet według metodyki opisanej w pracach Lisowskiego i in. (2008c, 2009f). Pomiary wykonywano bezpośrednio po zbiorze lub po zmieleniu na rozdrabniaczu bijakowym, dlatego też wilgotność rozdrobnionego materiału roślinnego była tylko nieznacznie mniejsza niż podczas poprzedzających operacji (tab. 3.5). Tabela 3.5. Wilgotność materiału roślinnego podczas zbioru i mielenia oraz podczas badania rozkładu wymiarów cząstek mieszaniny materiału rozdrobnionego i zmielonego Faza Zbiór Separacja materiału pociętego Mielenie Separacja materiału zmielonego Rdestowiec Róża Ślazowiec Słonecznik sachaliń- wielokwia- pensylwańbulwiasty ski towa ski 51,0 ±0,9 46,4 ±0,6 40,4 ±0,5 52,2 ±0,8 43,7 ±0,6 22,6 ±0,3 23,3 ±0,3 Wierzba wiciowa Miskant olbrzymi 49,0 ±0,8 46,1 ±0,6 39,9 ±0,5 51,7 ±0,7 43,4 ±0,5 22,3 ±0,3 23,1 ±0,3 6,2 ±0,2 5,6 ±0,1 6,0 ±0,1 6,5 ±0,1 7,3 ±0,2 5,6 ±0,1 6,1 ±0,1 6,0 ±0,1 5,5 ±0,1 6,0 ±0,1 6,5 ±0,1 7,0 ±0,2 5,5 ±0,1 6,0 ±0,1 Źródło: Opracowanie własne autorów. 56 Spartina preriowa Właściwości fizyczne materiału roślinnego Z zaprezentowanych rozkładów wymiarów cząstek (rys. 3.11) oraz wyników analizy statystycznej oceny tych rozkładów (tab. 3.6) można stwierdzić, że wszystkie rozkłady były asymetryczne prawostronnie, o czym świadczą wartości skośności. Dla materiału roślinnego pociętego wartości skośności zawierały się w przedziale 3,26–5,53. Rozkłady wymiarów cząstek materiału zmielonego w rozdrabniaczu bijakowym były mniej odchylone od rozkładu normalnego, gdyż wartości skośności zawierały się w wąskim przedziale 1,13–1,71 dla wszystkich roślin i nie przekroczyły granicznego zakresu (–2, 2). W obu przypadkach oznacza to, że w rozkładach wymiarów cząstek występowała przewaga udziału cząstek drobnych. Rozkłady wymiarów cząstek materiału pociętego charakteryzowały się również przewagą koncentracji wartości zmiennej wokół średniej geometrycznej wymiarów cząstek, gdyż wskaźnik kurtozy jest dodatni i zawiera się w przedziale 0,28–1,54. Największy udział masy sieczki znajdował się na sicie o wymiarze 8,98 mm, co było spójne z teoretyczną długością cięcia (8,8 mm). Mieszanina rozdrobnionej biomasy spartiny miała względnie najbardziej płaski rozkład (platokurtyczny) i o najmniejszej asymetrii (0,28), a miskanta olbrzymiego miała względnie najbardziej wysmukły rozkład (leptokurtyczny) i o największej asymetrii (1,54). Mimo różnych wartości współczynników kształtów, analiza statystyczna nie wykazała istotnych różnic między rozkładami wymiarów cząstek. 70,00 Wierzba wiciowa 60,00 Miskant olbrzymi zmielone Spartina preriowa Udział masowy Y, % 50,00 Rdestowiec sachaliński Róża wielokwiatowa 40,00 Ślazowiec pensylwański Słonecznik bulwiasty pocięte 30,00 20,00 10,00 0,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 Wymiar cząstki x, mm Rysunek 3.11. Rozkład wymiarów cząstek rozdrobnionego i zmielonego materiału roślinnego Źródło: Opracowanie własne autorów. 57 Technologie zbioru roślin energetycznych Tabela 3.6. Parametry statystyczne rozkładów wymiarów cząstek pociętego i zmielonego materiału roślinnego Spartina preriowa Rdestowiec sachalisnki Róża wielokwiatowa Ślazowiec pensylwański Parametr Wierzba wiciowa Miskant olbrzymi Skośność 3,34 5,53 3,26 4,21 3,45 4,16 4,35 Kurtoza 1,30 1,54 0,28 0,68 1,41 1,20 1,28 Skośność 1,45 1,13 1,21 1,71 1,47 1,37 1,27 –0,33 –0,85 –1,29 –0,36 –0,63 –0,62 –1,34 Słonecznik bulwiasty Pocięty materiał roślinny Zmielony materiał roślinny Kurtoza Źródło: Opracowanie własne autorów. Rozkłady wymiarów cząstek zmielonego materiału roślinnego charakteryzowały się natomiast nieznaczną przewagą płaskości oraz znacznym udziałem masy na sicie o najmniejszych otworach i dnie. Sumaryczny udział masy wynosił około 80%, a wskaźnik kurtozy zawierał się w przedziale ujemnych wartości od –1,34 do –0,33. Największy udział masy sieczki znajdował się na sicie o wymiarze 1,65 mm. Mieszaniny rozdrobnionego materiału ze słonecznika bulwiastego i spartiny preriowej miały względnie najbardziej płaski rozkład (platokurtyczny), o wartościach kurtozy odpowiednio –1,34 i –1,29, oraz o stosunkowo małej asymetrii, gdyż wskaźnik skośności wynosił odpowiednio 1,27 i 1,21. Najbardziej wysmukłym rozkładem (leptokurtyczny) charakteryzowała się mieszanina materiału z wierzby wiciowej, gdyż wartość kurtozy wynosiła –0,33, ale jego asymetria była dość duża, gdyż wskaźnik skośności wynosił 1,45. Mimo różnych wartości współczynników kształtów, analiza statystyczna nie wykazała istotnych różnic między rozkładami wymiarów cząstek dla gatunków roślin. Stwierdzenie to odnosi się do wszystkich kombinacji testów porównawczych równości średnich, wariancji i mediany. Mimo braku różnic między rozkładami wymiarów cząstek, stwierdzono interakcję dla rodzajów roślin i wymiarów oczek sit oraz dla materiału pociętego i zmielonego, gdyż statystyki Fischera-Snedecora wynosiły odpowiednio Fv1 = 30, v2 = 270 = 8,3 i Fv1 = 30, v2 = 84 = 39,0 (w obu przypadkach przy α < 0,0001). Oznacza to, że wystąpiły różnice w udziałach materiału rozdrobnionego dla gatunków roślin na niektórych sitach. Szczegółowa analiza wykazała, że udział masy cząstek roślin rozdrobnionych o wymiarach największych i najmniejszych były porównywalne. Większe różnice udziału masy wystąpiły dla cząstek najmniejszych róży wielokwiatowej i słonecznika bulwiastego, które zawierały niemal dwukrotnie więcej tych cząstek w stosunku do pozostałych gatunków roślin. Podobnie udział masy cząstek materiału zmielonego o wymiarach oczek największych był porównywalny i tworzył jednorodną grupę, ze średnią wartością około 0,1%. Największe różnice w rozkładach wystąpiły między cząstkami najdrobniejszymi, znajdującymi się na dnie. Dla słonecznika bulwiastego 58 Właściwości fizyczne materiału roślinnego i spartiny preriowej średni udział cząstek najdrobniejszych wynosił około 47%, a dla pozostałych roślin około 28%. Stwierdzono statystycznie istotną różnicę między wartościami średniej geometrycznej i odchylenia standardowego wymiarów cząstek rozdrobnionego materiału dla rodzajów roślin energetycznych. Parametry te obliczono zgodnie z normą ASAE S424.1. Wartość statystyki Fischera-Snedecora dla wartości geometrycznej wymiarów cząstek wynosiła Fv1 = 6, v2 = 45 = 49,3, a dla odchylenia standardowego Fv1 = 6, v2 = 45 = 109,2 (w obu przypadkach przy krytycznym poziomie istotności α < 0,0001). Podobnie wartości średniej geometrycznej i odchylenia standardowego wymiarów cząstek zmielonego materiału roślinnego były statystycznie istotnie zróżnicowane, gdyż statystyki Fischera-Snedecora wynosiły odpowiednio Fv1 = 6, v2 = 14 = 65,8 i Fv1 = 6, v2 = 14 = 13,5 (w obu przypadkach przy krytycznym poziomie istotności α < 0,0001). Na podstawie testu Duncana wyodrębniono grupy jednorodne średnich geometrycznych wymiarów cząstek materiału pociętego. Grupa jednorodna o najmniejszej wartości średniej wymiarów cząstek jest utworzona dla roślin słonecznika bulwiastego, a o największej – dla wierzby (tab. 3.7). Podobnie wymiary cząstek materiału zmielonego z tych roślin tworzą grupy jednorodne o skrajnych wartościach. Dla pozostałych roślin nie są zachowane ścisłe powiązania, ale niemal we wszystkich przypadkach utrzymana jest spójność między rankingami dla wartości średnich wymiarów cząstek materiału pociętego i zmielonego. Jedynie dla spartiny i rdestowca nie stwierdzono takiej spójności. W celu potwierdzenia tych wyników konieczne jest przeprowadzenie dalszych badań na nowej próbie. Rozkład wymiarów cząstek pociętej wierzby charakteryzował się największą średnią geometryczną i był dość dobrze wyrównany, Tabela 3.7. Grupy jednorodne dla średniej geometrycznej xg wymiarów cząstek pociętego i zmielonego materiału roślinnego oraz odchylenia standardowe (bezwymiarowe) sg Pocięty materiał roślinny Zmielony materiał roślinny xg, Grupa xg, Roślina sg Grupa jednorodna Roślina sg mm mm jednorodna Wierzba Wierzba 11,31 1,95 x 3,13 2,20 x wiciowa wiciowa Miskant Miskant 10,47 1,86 x 2,60 2,29 x olbrzymi olbrzymi Ślazowiec Ślazowiec 9,87 1,88 x 2,57 2,25 x pensylwański pensylwański Róża Róża 9,30 2,11 x 2,46 2,27 x x wielokwiatowa wielokwiatowa Spartina Rdestowiec 8,96 1,94 x x 2,33 2,11 x preriowa sachaliński Rdestowiec Spartina 8,79 2,06 x 1,93 2,37 x sachaliński preriowa Słonecznik Słonecznik 8,40 2,31 x 1,76 2,14 x bulwiasty bulwiasty Źródło: Opracowanie własne autorów. 59 Technologie zbioru roślin energetycznych a mieszanina słonecznika bulwiastego była najkrótsza, ale najbardziej nierównomierna. Mieszanina zmielonego materiału z wierzby, podobnie jak materiału pociętego, była najdłuższa i najbardziej wyrównana, a słonecznika bulwiastego – najkrótsza, ale najbardziej nierównomierna. Porównując wartości wymiaru xg z x50 stwierdzono wysoką korelację między wartościami średniej geometrycznej xg a środkowymi wartościami x50 wymiarów cząstek pociętego (R2 = 79,4%) i zmielonego materiału (R2 = 97,8%). Parametry modelu RRSB n i x50 dla każdego rozkładu wymiarów cząstek zestawiono w tab. 3.8. Charakteryzują się one wysoce statystycznymi ocenami istotności. Wartości testów Fischera-Snedecora oraz współczynników determinacji świadczą o dobrym dopasowaniu modelu RRSB do rozkładów rzeczywistych wymiarów cząstek. Oceny te odnoszą się do dopasowania rozkładów, z których wynika, że model RRSB może być wykorzystany do dalszej analizy, a zwłaszcza do predykcji wydzielenia ilości materiału po cięciu i zmieleniu spełniającego wymagania wymiarów cząstek do produkcji peletów i brykietów. Błędy bezwzględne i względne między wartościami średniej geometrycznej wymiarów cząstek po cięciu i zmieleniu a wartościami x50 zawierają się jednak w dużym zakresie wartości i wynoszą odpowiednio 1,27–2,74 mm (14–29%) i 0,99–1,13 mm (36–57%). Duże wartości błędów względnych, średnich wymiarów cząstek, zwłaszcza dla materiału po zmieleniu x50, wynikają z ich małych wartości bezwzględnych oraz dużej koncentracji ilości cząstek w zakresie mniejszych wymiarów (rys. 3.11). Z tych powodów stwierdzono brak pełnej spójności w rankingach wartości średnich geometrycznych wymiarów cząstek mieszanin uzyskanych po cięciu i zmieleniu (tab. 3.7) oraz różnice między rankingami wartości x50 (tab. 3.8). Mogły być one spowodowane również odmiennymi zakresami wymiarów cząstek uzyskanych po tych procesach i zastosowaniem tej samej metodyki badań. Tabela 3.8. Współczynniki modelu Rosina-Rammlera-Sperlinga-Bennetta Pocięty materiał roślinny x50, F Roślina n mm Wierzba wiciowa 1,61 8,57 595,3 Miskant olbrzymi 1,54 8,88 1426 Spartina preriowa 1,42 7,69 716,3 Rdestowiec 1,52 6,52 2624 sachaliński Róża 1,46 6,74 498 wielokwiatowa Ślazowiec 1,67 7,73 1851 pensylwański Słonecznik 1,35 5,95 1018 bulwiasty Źródło: Opracowanie własne autorów. 60 R2 96,4 95,3 94,7 97,8 95,8 97,9 95,7 Zmielony materiał roślinny x50, Roślina n F mm Wierzba wiciowa 1,20 2,00 478 Miskant olbrzymi 1,03 1,55 1892 Spartina preriowa 0,74 0,88 577 Rdestowiec 1,05 1,27 259 sachaliński Róża 0,96 1,47 1826 wielokwiatowa Ślazowiec 1,00 1,57 1078 pensylwański Słonecznik 0,86 0,76 335 bulwiasty R2 97,4 99,3 97,8 95,2 99,3 98,8 96,3 Właściwości fizyczne materiału roślinnego Bardziej zasadne byłoby zastosowanie innego zestawu sit do separacji mieszaniny uzyskanej po zmieleniu, ale dla celów porównawczych wykorzystano zestaw sit o tych samych wymiarach oczek. Warunki badań były celowo tak dobrane, aby porównać rozkłady różnych mieszanin. Norma ASAE S424.1 zaleca zastosowanie separatora mechanicznego do rozdziału mieszanin z roślin zbieranych sieczkarniami polowymi na kiszonkę. Ponieważ norma była opracowana w latach 70. XX wieku, a nie ma innej (prócz do zrębków drzewnych), przeto wydawało się logiczne, aby do rozdziału materiału z różnych roślin energetycznych zbieranych sieczkarniami polowymi posłużyć się wymaganiami jednej normy ASAE S424.1. Mimo tych zastrzeżeń, otrzymane rozkłady wymiarów cząstek materiału pociętego i zmielonego mogą być przydatne do sformułowania praktycznych zaleceń i zaproponowania możliwości wykorzystania modelu RRSB do wyznaczenia ilości materiału rozdrobnionego, spełniającego wymagania procesowe do produkcji peletów lub brykietów. Mani i in. (2003) zalecają, aby mieszanina przeznaczona do produkcji peletów miała wymiary cząstek nie większe niż 3,2 mm, a Samson i in. (2005) podają, że do produkcji brykietów najlepsze są cząstki o wymiarach poniżej 6–8 mm. Z wykresów (rys. 3.11) wynika, że część materiału roślinnego już po cięciu może być wykorzystana zarówno do produkcji peletów, jak i brykietów. Do wyznaczenia tych udziałów wagowych dla każdej mieszanki wykorzystano parametry modelu RRSB (tab. 3.9). Stosując sito o wymiarze oczek 3,2 mm można oddzielić od 13,2% mieszaniny drobnych cząstek pociętego materiału wierzby wiciowej lub miskanta olbrzymiego do 25,9% słonecznika bulwiastego. Zmielony w rozdrabniaczu bijakowym materiał zawiera również pewną ilość mieszaniny o większych wymiarach niż 3,2 mm (3,2–17,2%), które powinno się oddzielić, aby nie powodowały nieciągłości procesu peletowania, gdyż nawet pojedyncze, duże cząstki mogą spowodować zapchanie transportowaną mieszaniną. Z rozkładów wymiarów wartości skumulowanych wynika, że dużych cząstek było niewiele (np. 0,1–0,6% powyżej Tabela 3.9. Procentowy udział wagowy mieszaniny spełniającej wymagania wymiarów cząstek materiału roślinnego po cięciu i zmielonego stosowanego do produkcji peletów (3,2 mm) i brykietów (8 mm) Wymiar cząstek, mm Róża wielokwiatowa Pocięty materiał roślinny 18,0 20,9 20,8 52,0 61,1 59,0 Zmielony materiał roślinny 92,8 92,9 88,0 99,5 99,9 99,4 Wierzba Miskant Spartina Rdestowiec wiciowa olbrzymi preriowa sachaliński 3,2 8,0 13,2 46,2 13,3 44,6 3,2 8,0 82,8 99,5 87,9 99,6 Ślazowiec pensylwański Słonecznik bulwiasty 14,7 52,0 25,9 64,5 87,0 99,4 96,8 99,9 Źródło: Opracowanie własne autorów. 61 Technologie zbioru roślin energetycznych 8 mm, tab. 3.9), ale ich wymiary dochodziły do 20–30 mm. Dlatego w linii technologicznej wskazane jest zastosowanie rusztu do oddzielenia dużych cząstek i skierowanie ich do ponownego rozdrobnienia. Podobnie zastosowanie sita o wymiarze oczek 8 mm pozwoli na wydzielenie pociętego materiału w ilości 44,6–64,5%, który spełnia wymagania wymiarowe surowca przeznaczonego do produkcji brykietów (tab. 3.9). Koncepcja oddzielenia części mieszaniny spełniającej wymagania zalecanych wymiarów cząstek może pozwolić na zmniejszenie obciążeń energetycznych kolejnych zespołów roboczych, zwłaszcza że drobniejsze frakcje zawierają zanieczyszczenia w postaci piasku i pyłu, które niepotrzebnie uszkadzają elementy robocze rozdrabniacza bijakowego lub innego urządzenia do mielenia biomasy. Ponieważ podczas zbioru roślin energetycznych sieczkarnią polową oraz podczas mielenia materiału roślinnego na rozdrabniaczu bijakowym stosowano te same parametry techniczne zespołów roboczych, dlatego można stwierdzić, że właściwości fizyczne roślin w znacznym stopniu wpływały na średnie wymiary cząstek materiału roślinnego. Zbiór roślin odbywał się przy zróżnicowanej wilgotności (tab. 3.5), która mogła mieć wpływ na rozdrabnianie materiału, ale mielenie materiału roślinnego odbywało się przy porównywalnej wilgotności, dlatego o efekcie końcowym tego procesu decydowały wyłącznie cechy fizyczne roślin. W procesach roboczych zachodzą złożone zjawiska związane z rozcieraniem, rozrywaniem, zgniataniem i kruszeniem materiału roślinnego. O efekcie rozdrabniania decydują współczynnik tarcia zewnętrznego i wewnętrznego, wilgotność roślin i ich wymiary, twardość, zwięzłość, sztywność oraz budowa rośliny zarówno odnosząca się do struktury zewnętrznej, jak i wewnętrznej roślin. Brak udziału części miękkich (np. liści) w wierzbie i większa jej twardość są podstawowymi czynnikami wpływającymi na znacznie większy udział w mieszaninie cząstek dłuższych. Rośliny słonecznika bulwiastego i spartiny preriowej są najbardziej podatne na rozdrabnianie. Cechy te mogą wpływać na parametry pracy brykieciarki lub peleciarki oraz na zwięzłość i trwałość brykietów lub peletów bądź na potrzebę zróżnicowania parametrów pracy rozdrabniacza bijakowego. Jest to spójne z innym spostrzeżeniem (Paulraud i Nilsson, 2004), że mieszanina materiału o różnym rozkładzie wymiarów cząstek wpływa na przebieg procesu spalania. Wymiary rozdrobnionego materiału i ich równomierność zależą również od równomierności zasilania materiałem, która zależy od jednorodności materiału wejściowego lub sposobu transportu do zespołów roboczych. Wyniki badań stanowią podstawę do prowadzenia dalszych eksperymentów, które pozwolą na uzyskanie dokładniejszej interpretacji stwierdzonych różnic między rodzajami roślin energetycznych oraz określenia optymalnych parametrów pracy maszyn stosowanych do przygotowania surowca i jego przetwarzania, np. w wyniku aglomeracji ciśnieniowej (Lisowski i in. 2009c). 62 Właściwości fizyczne materiału roślinnego Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań 1. Różnice w rozkładach wymiarów cząstek materiału pociętego w sieczkarni polowej z toporowym zespołem rozdrabniającym i zmielonego w rozdrabniaczu bijakowym są cechą gatunkową roślin energetycznych. 2. Spośród mieszanin rozdrobnionych roślin energetycznych rozkład wymiarów cząstek wierzby był najbardziej wyrównany i średnia geometryczna wymiarów cząstek była największa, natomiast mieszaniny z roślin słonecznika bulwiastego były najkrótsze, ale najbardziej nierównomierne. 3. Model Rosina-Rammlera-Sperlinga-Bennetta skumulowanych rozkładów może być przydatny do predykcji oddzielenia ilości materiału po cięciu i zmieleniu spełniającego wymagania wymiarów cząstek do produkcji peletów lub brykietów. 4. Na podstawie modelu RRSB można stwierdzić, że zastosowanie sit o granicznym wymiarze oczek 3,2 mm do separacji mieszaniny po zmieleniu i 8 mm po cięciu pozwala na wydzielenie materiału rozdrobnionego z roślin energetycznych niespełniającego wymiarów cząstek w ilości odpowiednio 3,2–17,2% i 35,5–55,4%. 5. Zastosowanie separacji mieszaniny przeznaczonej do produkcji peletów bezpośrednio po cięciu roślin pozwala na wydzielenie cząstek spełniających wymagania wymiarowe w ilości 13,2–25,9%, zmniejszając obciążenia energetyczne rozdrabniacza bijakowego. 3.3. Właściwości aerodynamiczne materiału rozdrobnionego Zbiór roślin energetycznych w postaci rozdrobnionej oraz przetwarzanie materiału do paliw stałych wymaga odpowiednich procesów, do których należą m.in. załadunek, rozładunek, transport i suszenie surowca. Jednym z najkorzystniejszych sposobów realizacji tych procesów jest transport pneumatyczny. Do jego zalet można zaliczyć: znaczne wydajności urządzeń, możliwość transportu na dużą odległość i w dowolnej płaszczyźnie, unikanie zanieczyszczeń, samooczyszczanie produktu, prostą obsługę, możliwość automatyzacji, łatwość rozbudowy urządzenia i zmiany jego lokalizacji (Grochowicz 1994). W celu odpowiedniego doboru parametrów maszyn i urządzeń stosowanych w takim transporcie niezbędna jest znajomość cech aerodynamicznych materiału rozdrobnionego. Do ważniejszych cech można zaliczyć prędkość krytyczną cząstek i związany z nią współczynnik lotności. Materiał badawczy stanowiły mieszaniny rozdrobnionych roślin wierzby wiciowej, róży wielokwiatowej, miskanta olbrzymiego, spartiny preriowej, ślazowca pensylwańskiego, rdestowca sachalińskiego i słonecznika bulwiastego. Rośliny zebrano ręcznie w połowie listopada 2008 roku z poletek Stacji 63 Technologie zbioru roślin energetycznych Doświadczalnej w Skierniewicach należącej do Wydziału Rolnictwa i Biologii SGGW w Warszawie. Po dwóch tygodniach przechowywania materiał roślinny rozdrobniono za pomocą sieczkarni przyczepianej Z-374 wyposażonej w toporowy zespół rozdrabniający. Podczas pracy stosowano jednakową prędkość kątową tarczy nożowej 105 s–1, a liczba noży była czynnikiem zmiennym. Zespół rozdrabniający pracował z 2, 5 i 10 nożami. Przy takich układach pracy teoretyczna długość sieczki wynosiła odpowiednio 28,3, 11,3 i 5,7 mm. Pomiary prędkości krytycznej sieczki (zrębków) wykonano z wykorzystaniem laboratoryjnego klasyfikatora pneumatycznego Petkus typ K-293 o pionowym przepływie strumienia powietrza według metodyki opisanej przez Strużyka i in. (2009). Prędkość krytyczną dla każdej frakcji cząstek wyznaczono na podstawie zależności regresyjnej w funkcji natężenia strumienia powietrza, oszacowanej na podstawie wykresu wzorcowego (Laboratorium…, 2001): vki = 7 V pi + 1 , 60 (7) gdzie: vki – prędkość krytyczna dla i-tej frakcji cząstek, m·s–1. Vpi – natężenie strumienia powietrza dla i-tej frakcji cząstek, m3·s–1. Prędkość krytyczną dla środkowych przedziałów klasowych wyznaczono jako średnią arytmetyczną: vkai = vki + vk (i +1) , 2 (8) gdzie: vkai – środkowe wartości przedziałów klasowych prędkości krytycznych dla i oraz i+1 frakcji cząstek, m·s–1, vki – prędkość krytyczna dla i-tej frakcji cząstek, m·s–1, vk(i + 1) – prędkość krytyczna dla i+1 frakcji cząstek, m·s–1. Średnią ważoną arytmetyczną prędkość krytyczną cząstek mieszaniny obliczono ze środkowych wartości przedziałów klasowych prędkości krytycznych i odnoszących się do nich nieujemnych wartości wag ze wzoru: n ¦m v i kai vka = i =1 n ¦ mi , (9) i =1 gdzie: vka – średnia ważona arytmetyczna prędkość krytyczna cząstek mieszaniny, m·s–1, mi – waga (ułamek dziesiętny) i-tej frakcji cząstek o prędkości krytycznej vkai. 64 Właściwości fizyczne materiału roślinnego Współczynnik lotności obliczono dla poszczególnych klas, a następnie podano zakres prędkości krytycznej cząstek wykorzystując zależność: k0i = g , vkai (10) gdzie: k0i – współczynnik prędkości krytycznej, m–1, g – przyspieszenie ziemskie, m∙s–2. Otrzymane wyniki badań poddano analizie statystycznej, wykorzystując w tym celu program statystyczny Statgraphics v.4.1. Wilgotność roślin podczas zbioru była zróżnicowana (tab. 3.10) w zależności od rodzaju i wynosiła 20,4–65,8%. Przechowywanie całych roślin pod zadaszeniem, bez dosuszania, zmieniło ich wilgotność. Tabela 3.10. Wartości wilgotności i jej odchylenia standardowe (w %) dla materiału roślinnego podczas zbioru roślin oraz cięcia i wyznaczania prędkości krytycznej (z – liczba noży w toporowym zespole rozdrabniającym) Faza Wierzba wiciowa Ślazowiec pensylwański Słonecznik bulwiasty Spartina preriowa Róża wielokwiatowa Rdestowiec sachaliński Miskant olbrzymi 47,0 ±0,1 20,4 ±0,6 36,2 ±1,9 36,8 ±0,5 40,5 ±0,5 65,8 ±2,3 49,3 ±0,6 10 46,2 ±0,3 29,9 ±0,3 40,4 ±0,3 47,7 ±0,7 35,6 ±1,0 55,6 ±2,8 49,7 ±0,4 5 45,2 ±0,2 24,0 ±0,5 37,3 ±0,6 50,6 ±0,7 38,9 ±0,4 55,6 ±2,8 40,2 ±0,7 2 46,5 ±0,8 28,0 ±1,6 37,1 ±0,1 45,9 ±0,5 40,7 ±0,5 50,0 ±1,8 45,9 ±0,5 z Podczas zbioru Podczas cięcia Źródło: Opracowanie własne autorów. Materiał ze ślazowca pensylwańskiego i spartiny preriowej znacząco zwiększył swoją wilgotność, natomiast miskanta olbrzymiego, a zwłaszcza rdestowca sachalińskiego – zmniejszył. Zmiany wilgotności materiału pozostałych roślin wynikały z naturalnej zmienności próbek, ale w stosunku do wilgotności zmierzonej podczas zbioru roślin były one dość wysokie. Było to związane z wysoką względną wilgotnością powietrza w czasie przechowywania (średnia wilgotność powietrza wynosiła 87,5%). Na tej podstawie można wnioskować, iż nie każdy materiał z roślin energetycznych może być przechowywany pod zadaszeniem bez dosuszania (powinien być przynajmniej przewietrzany zimnym powietrzem). Różnice wilgotności między gatunkami roślin w poszczególnych układach pracy zespołu rozdrabniającego nie pozwoliły na jednoznaczne określenie jego wpływu na właściwości aerodynamiczne rozdrobnionej biomasy. Najlepsze rozdrobnienie roślin uzyskano w wyniku ich cięcia za pomocą zespołu toporowego sieczkarni z 10 nożami. Świadczy o tym pochylenie krzywych skumulowanego udziału mieszaniny wydzielonej już przy mniejszych prędkościach strumienia powietrza (rys. 3.12). 65 Technologie zbioru roślin energetycznych 100 Skumulowana częstość mieszaniny W, % 90 80 70 60 50 40 Wierzba wiciowa Róża wielokwiatowa 30 Rdestowiec sachaliński Miskant olbrzymi 20 Ślazowiec pensylwański Spartina preriowa 10 Słonecznik bulwiasty 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Prędkość krytyczna vkr, m·s–1 Rysunek 3.12. Skumulowana częstość mieszaniny wydzielona przy prędkości krytycznej cząstek rozdrobnionego materiału roślin energetycznych podczas pracy zespołu rozdrabniającego z 10 nożami Źródło: Opracowanie własne autorów. Do wydzielenia 50% produktu najmniejszej prędkości strumienia powietrza wymagała sieczka spartiny preriowej – 4,8 m·s–1, natomiast największej z róży wielokwiatowej – 8,2 m·s–1. W przypadku miskanta olbrzymiego i słonecznika bulwiastego zaobserwowano największe różnice w wydzielaniu materiału, zwłaszcza przy niższych wartościach prędkości strumienia powietrza. Było to związane z większą zawartością liści tych roślin w rozdrobnionym materiale, które były unoszone przy mniejszej prędkości strumienia powietrza. Zastosowanie pięciu noży na tarczy tnącej wymagało zwiększenia prędkości strumienia powietrza potrzebnego do wydzielenia poszczególnych frakcji (rys. 3.13). Podobnie jak dla materiału rozdrobnionego przy zastosowaniu 10 noży, najniższa prędkość strumienia powietrza potrzebna do wydzielenia 50% mieszaniny otrzymanej podczas pracy zespołu z 5 nożami odnosiła się do sieczki ze spartiny preriowej i wynosiła 5,7 m·s–1, a dla róży wielokwiatowej była największa – 11 m·s–1. Dla tego układu pracy zespołu rozdrabniającego największy zakres prędkości strumienia powietrza wymagany do rozdzielenia mieszaniny dotyczył materiału z wierzby wiciowej i róży wielokwiatowej. Z tego spostrzeżenia wynikają znaczne trudności w opracowaniu optymalnych parametrów urządzeń do transportu pneumatycznego zrębków/sieczki z tych roślin. W przypadku zastosowania dwóch noży tnących (rys. 3.14) otrzymano mieszaninę, dla której najmniejsza prędkość strumienia powietrza potrzebna do wydzielenia 50% sieczki odnosiła się do materiału ze słonecznika bulwiastego 66 Właściwości fizyczne materiału roślinnego 100 Skumulowana częstość mieszaniny W, % 90 80 70 60 50 40 Wierzba wiciowa Róża wielokwiatowa 30 Rdestowiec sachaliński Miskant olbrzymi 20 Ślazowiec pensylwański Spartina preriowa 10 Słonecznik bulwiasty 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Prędkość krytyczna vkr, m·s–1 Rysunek 3.13. Skumulowana częstość mieszaniny wydzielona przy prędkości krytycznej cząstek rozdrobnionego materiału roślin energetycznych podczas pracy zespołu rozdrabniającego z 5 nożami Źródło: Opracowanie własne autorów. 100 90 Skumulowana częstość mieszaniny W, % 80 70 60 50 40 Wierzba wiciowa Róża wielokwiatowa 30 Rdestowiec sachaliński Miskant olbrzymi 20 Ślazowiec pensylwański Spartina preriowa 10 Słonecznik bulwiasty 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Prędkość krytyczna vkr, m·s–1 Rysunek 3.14. Skumulowana częstość mieszaniny wydzielona przy prędkości krytycznej cząstek rozdrobnionego materiału roślin energetycznych podczas pracy zespołu rozdrabniającego z 2 nożami Źródło: Opracowanie własne autorów. 67 Technologie zbioru roślin energetycznych ie W r R w a a óĪ w ie lo kw R ia d to w a w to es 7,84 8,37 7,2 6,75 5,21 w io ie c ch sa al i k Ĕs i i M a sk Rodzaj roĞliny nt ol z br ĝl ym ow az z2 5,88 a zb ic 6,45 0 6,15 5,86 2 6,87 7,56 4 7,47 8,7 6 8,72 8 9,41 9,25 10 11,52 10,63 12 12,35 12,85 14 7,41 -1 PrĊdkoĞükrytyczna krytycznavv kr, Prędkość kr , m·s -1 i wynosiła 7,1 m·s–1 a najwyższa do materiału wierzby wiciowej – 12,5 m·s–1. Dla takiego ustawienia zespołu rozdrabniającego stwierdzono również znaczne różnice prędkości strumienia powietrza potrzebnego do wydzielania całego zakresu wymiarów cząstek sieczki. Dotyczyło to zwłaszcza materiału z wierzby wiciowej i róży wielokwiatowej. Wartości średnie prędkości krytycznej materiału rozdrobnionego podczas pracy zespołu tnącego z 5 nożami (rys. 3.15) zwiększały się w stosunku do pracy z 10 nożami od 11,7% dla sieczki ślazowca pensylwańskiego do 43,5% dla wierzby wiciowej. Dla układu pracy zespołu z 2 nożami najmniejszy przyrost tej prędkości (w odniesieniu do z10) zanotowano dla rdestowca sachalińskiego i słonecznika bulwiastego (22,4%), a największy (73,4%) dla zrębków wierzby. Nieco inna kolejność w rankingu wartości średniej prędkości krytycznej cząstek dla mieszanin otrzymanych podczas pracy zespołu rozdrabniającego z 10 nożami niż z 5 lub 2 świadczy, że w tych warunkach oprócz cięcia łodyg zachodziło również pękanie krótkich cząstek. Dotyczyło to zwłaszcza materiału o zdrewniałych tkankach (wierzba wiciowa, róża wielokwiatowa). Współdziałanie pękania z cięciem materiału z wierzby wiciowej przyczyniło się prawdopodobnie do największego wpływu na zmianę wartości średniej prędkości krytycznej cząstek mieszanin otrzymanych podczas pracy zespołu tnącego przy różnej liczbie noży. z5 i c ie pe n l sy w aĔ i sk Sp a ti n ar pr e w rio Sá z10 a on zn ec ik b w ul ia st Liczbanoży noĪy,z,z Liczba y Rysunek 3.15. Prędkość krytyczna cząstek materiału roślinnego vkr pociętego w toporowym zespole rozdrabniającym pracującym z różną liczbą noży z Źródło: Opracowanie własne autorów. 68 Właściwości fizyczne materiału roślinnego Najmniejszym odchyleniem od wartości średniej prędkości krytycznej svk charakteryzowała się sieczka spartiny preriowej, o średniej wartości 1,9 m∙s–1, a największymi (2,9 m∙s–1) róży wielokwiatowej i miskanta olbrzymiego. Wyniki dotyczące odchylenia standardowego wartości średniej prędkości krytycznej cząstek zrębków lub sieczki mogą być przydatne do doboru dmuchaw lub wentylatorów w pneumatycznych urządzeniach transportowych. Będą bowiem przydatne do zaprojektowania odpowiednich nadwyżek prędkości kątowych wirników, które zapewnią transport pneumatyczny cząstek o charakterystyce największych prędkości krytycznych. Współczynnik lotności poszczególnych frakcji rozdrobnionego materiału roślinnego zależy od prędkości krytycznej danego przedziału (Grochowicz 1994). Większe jego wartości świadczą o zawartości w materiale frakcji lżejszych, zwłaszcza liści, którymi cechowały się rośliny spartiny preriowej i słonecznika bulwiastego (tab. 3.11), mniejsze zaś – o cięższych cząstkach wymagających większej prędkości strumienia powietrza, którymi charakteryzowały się zdrewniałe łodygi wierzby wiciowej i róży wielokwiatowej lub cząstki z węzłami łodyg miskanta olbrzymiego. Wyniki badań właściwości aerodynamicznych zrębków lub sieczki z roślin energetycznych otrzymano dla materiałów o bardzo zróżnicowanej wilgotności i dlatego trudno jest jednoznacznie stwierdzić, od jakich czynników właściwości te silniej zależą. Wartość poznawcza wyników tych badań była zdeterminowana uwarunkowaniami agrotechnicznymi, jakie istniały w fazie naturalnych warunków klimatycznych i atmosferycznych zbioru. Te wstępne badania powinny być rozszerzone, z uwzględnieniem wyrównanego zakresu wilgotności materiału, co pozwoli na bardziej jednoznaczne wyjaśnienie wpływu rodzaju roślin energetycznych na rozdrobnienie i właściwości aerodynamiczne zrębków i sieczki. Mimo tych zastrzeżeń, zaprezentowane wyniki badań mogą być przydatne w projektowaniu urządzeń do transportu pneumatycznego rozdrobnionego materiału z roślin energetycznych zbieranych przy wilgotności, jaką się one charakteryzują w warunkach naturalnych. Uwzględniając te spostrzeżenia, dalsze badania przeprowadzono na materiale rozdrobnionym w rozdrabniaczu bijakowym, wyposażonym w perforowany ekran o średnicy otworów 10 mm, przy zachowaniu wyrównanej wilgotności, której wartości podano w tabeli 3.5. Tabela 3.11. Współczynnik lotności rozdrobnionego materiału roślinnego (m–1) Liczba noży Wierzba wiciowa Ślazowiec pensylwański Słonecznik bulwiasty Spartina preriowa Róża wielokwiatowa Rdestowiec sachaliński Miskant olbrzymi 10 0,056–3,930 0,082–3,930 0,103–3,930 0,133–3,930 0,040–1,297 0,067–2,083 0,082–3,930 5 0,031–1,297 0,082–3,930 0,082–5,895 0,082–5,895 0,035–1,297 0,056–1,297 0,056–3,930 2 0,031–0,380 0,067–1,297 0,067–5,895 0,056–1,297 0,031–0,638 0,056–1,297 0,040–1,297 Źródło: Opracowanie własne autorów. 69 Technologie zbioru roślin energetycznych Ponadto, uwzględniając charakterystykę rozkładów wymiarów cząstek (rys. 3.11), rozszerzono analizę o średnią geometryczną prędkości krytycznej cząstek. Przy wyznaczeniu średniej geometrycznej prędkości krytycznej tok obliczeń był następujący. Prędkość krytyczną dla średnich przedziałów klasowych wyznaczono jako średnią geometryczną ze wzoru: vkgi = vkivk (i +1) , (11) gdzie: vkgi – średnie wartości geometryczne przedziałów klasowych prędkości krytycznych dla i oraz i+1 frakcji cząstek, m·s–1. Średnią ważoną geometryczną prędkość krytyczną cząstek mieszaniny obliczono ze średnich wartości geometrycznych przedziałów klasowych prędkości krytycznych i odnoszących się do nich nieujemnych wartości wag ze wzoru: ªΣ(mi ln vkgi )º vkg = ln−1 « », Σmi ¬ ¼ (12) gdzie: vkg – średnia ważona geometryczna prędkość krytyczna cząstek mieszaniny, m·s–1. Na podstawie otrzymanych wyników rozdziałów cząstek na separatorze pneumatycznym wyznaczono prędkości krytyczne cząstek dla poszczególnych frakcji oraz średnie wartości dla mieszaniny. Wartości prędkości krytycznej cząstek porównano z wartościami ich wymiarów. Prędkość krytyczną dla każdej frakcji cząstek wyznaczono według metodyki opisanej w pracy Dąbrowskiej i Lisowskiego (2010). Na podstawie analizy statystycznej stwierdzono, że zarówno cząstki pochodzące ze zmielonych materiałów różnych gatunków roślin, jak i frakcji sitowej statystycznie istotnie różniły się prędkościami krytycznymi (tab. 3.12). Jednoznaczny wpływ tych czynników odnosił się do prędkości krytycznej obliczonej według obu średnich ważonych, arytmetycznej i geometrycznej. Szczegółowa analiza dla średnich, przeprowadzona testem Duncana, pozwala na stwierdzenie, że wartości średniej arytmetycznej prędkości krytycznej cząstek niemal Tabela 3.12. Wyniki analizy wariancji dla średniej arytmetycznej i geometrycznej prędkości krytycznej cząstek dla rodzaju rośliny i frakcji sitowej Prędkość krytyczna Arytmetyczna Geometryczna Cechy opisowe rodzaj rośliny frakcja sitowa rodzaj rośliny frakcja sitowa Źródło: Opracowanie własne autorów. 70 Suma kwadratów 15,5 70,1 13,5 15,5 Liczba stopni swobody 6 5 6 5 Średni kwadrat Femp 2,6 14,0 2,2 3,1 265,51 10,25 271,19 5,76 Krytyczny poziom istotności < 0,0001 < 0,0001 < 0,0001 0,0001 Właściwości fizyczne materiału roślinnego dla wszystkich mieszanin otrzymanych z rozdrobnienia roślin energetycznych utworzyły osobne grupy jednorodne (tab. 3.13). Jedynie średnia arytmetyczna prędkość krytyczna cząstek róży wielokwiatowej nie była wyraźnie zróżnicowana, zwłaszcza w porównaniu do średniej arytmetycznej prędkości krytycznej cząstek mieszaniny miskanta olbrzymiego, gdyż różnice między tymi średnimi były mniejsze niż wartość błędu standardowego. Zbliżony do wartości średnich arytmetycznych prędkości krytycznych cząstek ranking grup jednorodnych, w odniesieniu do rodzaju roślin, utworzyły także wartości średnich geometrycznych prędkości krytycznych cząstek (tab. 3.13). Tabela 3.13. Wyniki szczegółowej analizy statystycznej średniej prędkości krytycznej cząstek mieszanin z podziałem na grupy jednorodne według rodzaju rośliny i frakcji sitowej Błąd Grupa jednorodna standardowy, m∙s–1 Średnia arytmetyczna prędkość krytyczna, rodzaj rośliny Spartina preriowa 3 1,94 0,06 X Ślazowiec pensylwański 3 2,41 0,06 X Słonecznik bulwiasty 3 3,47 0,06 X Róża wielokwiatowa 3 3,63 0,06 X X Miskant olbrzymi 3 3,66 0,06 X Wierzba wiciowa 3 4,08 0,06 X Rdestowiec sachaliński 3 4,62 0,06 Średnia arytmetyczna prędkość krytyczna, frakcja sitowa 0,82 mm 21 1,87 0,25 X 36 mm 9 2,03 0,39 X X 22 mm 12 2,71 0,34 X X X 12,7 mm 21 2,80 0,25 X X 3,04 mm 21 3,26 0,25 X 7,1 mm 21 4,24 0,25 X Średnia geometryczna prędkość krytyczna, rodzaj rośliny Spartina preriowa 3 1,87 0,05 X Ślazowiec pensylwański 3 2,25 0,05 X Słonecznik bulwiasty 3 3,25 0,05 X Róża wielokwiatowa 3 3,51 0,05 X Miskant olbrzymi 3 3,51 0,05 X Wierzba wiciowa 3 3,83 0,05 X Rdestowiec sachaliński 3 4,31 0,05 Średnia geometryczna prędkość krytyczna, frakcja sitowa 0,82 mm 21 1,61 0,16 X 36 mm 9 1,66 0,24 X X 12,7 mm 21 2,12 0,16 X X 3,04 mm 21 2,24 0,16 X 22 mm 12 2,38 0,21 X X 7,1 mm 21 2,70 0,16 X Poziom czynnika Liczebność Średnia, m∙s–1 X X Źródło: Opracowanie własne autorów. 71 Technologie zbioru roślin energetycznych Najmniejszą wartością średniej arytmetycznej prędkości krytycznej cząstek (1,87 m∙s–1) charakteryzowała się najdrobniejsza frakcja pozostająca na dnie separatora sitowego, o średnim teoretycznym wymiarze cząstek 0,82 mm, a największą (4,24 m∙s–1) – frakcja o teoretycznym wymiarze cząstek 7,1 mm (tab. 3.13). Frakcja mieszaniny o średnim wymiarze cząstek 7,1 mm była scharakteryzowana przez wyraźnie wyodrębnioną grupę jednorodną wartości średniej arytmetycznej prędkości krytycznej cząstek, a pozostałe frakcje mieszanin nie cechowały się już tak jednoznacznie odmiennymi właściwościami aerodynamicznymi. Dotyczy to zwłaszcza frakcji o średnim wymiarze cząstek 22 mm, które należały do trzech odrębnych grup jednorodnych, co oznacza dużą różnorodność tych cząstek pod względem właściwości fizycznych, które decydują o ich charakterystyce aerodynamicznej. Prawdopodobnie cząstki te cechowały się dużą zmiennością wymiarową, przekroju poprzecznego, gęstości właściwej, porowatości, chropowatości powierzchni zewnętrznej i ciężaru związanego z wilgotnością materiału roślinnego. Wartości średnich geometrycznych prędkości krytycznych cząstek dla frakcji sitowej były jeszcze bardziej wyrównane, zwłaszcza w obszarze obejmującym frakcje mieszaniny o średnim wymiarze cząstek (tab. 3.13). Maksymalne różnice między wartościami średnimi arytmetycznymi prędkości krytycznych cząstek dla frakcji wynosiły 2,37 m∙s–1, a między geometrycznymi – 1,09 m∙s–1. Wartości średnie geometryczne prędkości krytycznej cząstek materiału rozdrobnionego roślin energetycznych były mniejsze niż odpowiadające im wartości średnie arytmetyczne (rys. 3.16, 3.17). Wynika to z właściwości średniej arytmetycznej, która jest najczęściej większa niż średnia geometryczna (a w granicznym przypadku równa) i różnice są tym większe, im większe są względne zmiany wartości prędkości krytycznej. Obie średnie są równe dla rozkładu normalnego, a rozkład prędkości krytycznej był zbliżony do rozkładu logarytmiczno-normalnego. Średnia geometryczna zwiększała się w mniejszym i zmniejszała się w większym tempie (rys. 3.18), ale zależność między średnią arytmetyczną a geometryczną prędkością krytyczną cząstek była możliwa przez opisanie równaniem regresyjnym prostej o postaci: vka = 0,93vkg + 0,06, dla którego współczynnik determinacji wynosi 99,68%. Na podstawie przeprowadzonej analizy oraz wyników badań wymiarów cząstek materiału zmielonego (Dąbrowska i Lisowski 2008, 2009) przeprowadzono próbę poszukiwania związku między średnimi prędkościami krytycznymi a wymiarami cząstek. Wyróżnienie grup jednorodnych prędkości krytycznych (tab. 3.13) oraz interpretacja graficzna (rys. 3.19) wskazują na możliwość wyodrębnienia trzech zakresów wartości prędkości krytycznych, dla których należy poszukiwać zależności regresyjnych. Do grupy o najmniejszych prędkościach krytycznych o podobnej tendencji zmian (rys. 3.19) zaliczono cząstki ślazowca 72 Właściwości fizyczne materiału roślinnego 5,00 Prędkość krytyczna, m·s–1 4,50 4,08 4,00 4,62 vka vka 4,31 vkg vkg 3,83 3,50 3,00 2,41 2,50 3,66 3,63 3,51 3,473,25 2,25 1,94 2,00 3,51 1,87 1,50 1,00 Miskant olbrzymi Rdestowiec sachaliński Róża wielokwiatowa Spartina preriowa Słonecznik bulwiasty Ślazowiec pensylwański 0,00 Wierzba wiciowa 0,50 Rysunek 3.16. Średnie arytmetyczne vka i geometryczne vkg prędkości krytyczne cząstek dla mieszanin materiału rozdrobnionego roślin energetycznych Źródło: Opracowanie własne autorów. 4,50 4,24 vka vvkg ka vkg 4,00 3,26 Prędkość krytyczna, m·s–1 3,50 3,00 2,50 2,00 2,80 2,71 2,70 2,38 2,03 2,24 2,12 1,87 1,66 1,61 1,50 1,00 0,50 0,00 36 22 12,7 7,1 3,04 0,82 ĝrednia geometryczna wymiaru cząstek frakcji sitowej, mm Rysunek 3.17. Średnie arytmetyczne vka i geometryczne vkg prędkości krytyczne cząstek dla frakcji sitowej materiału rozdrobnionego roślin energetycznych Źródło: Opracowanie własne autorów. pensylwańskiego i spartiny preriowej, do kolejnej – cząstki słonecznika bulwiastego, miskanta olbrzymiego, róży wielokwiatowej i wierzby wiciowej, a o największych – cząstki rdestowca sachalińskiego. Z ułożenia punktów na układzie kartezjańskim (rys. 3.19) wynika, że można zawęzić poszukiwania równań regresyjnych do postaci liniowej. 73 Technologie zbioru roślin energetycznych PrĊdkoĞü krytyczna ytyczna arytmetyczna vka, ms–1 5,00 4,50 vka = 0,93vkg + 0,06 R2 = 0,9968 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1 50 1,00 0,50 0,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 PrĊdkoĞü krytyczna geometryczna vkg, ms–1 Rysunek 3.18. Zależność między arytmetyczną vka a geometryczną vkg prędkością krytyczną cząstek PrĊdkoĞĞü krytyczna cząstek vk, ms–1 Źródło: Opracowanie własne autorów. 5,0 4,5 Rdestowiec 4,0 vka vkg vka vkg Wierzba 3,5 3,0 Topinambur Miskant RóĪa vka vkg Spartina 2,5 2,0 ĝlazowiec 1,5 , 1,0 0,5 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 ĝrednia geometryczna wymiaru cząstek xgm, mm Rysunek 3.19. Zależność prędkości krytycznej arytmetycznej vka i geometrycznej vkg od średniej geometrycznej wymiaru cząstek xgm zmielonego materiału roślin energetycznych (punktami zaznaczono wyniki pomiarowe, a liniami regresje liniowe, których postacie zestawiono w tab. 3.14) Źródło: Opracowanie własne autorów. Wyniki analizy regresyjnej zestawiono w tabeli 3.14. Wartości współczynników regresyjnych (temp), determinacji (R2) dla regresji oraz wartości testu Fischera-Snedecora (Femp) dla przedstawionych równań liniowych (tab. 3.14), wiążących prędkość krytyczną arytmetyczną vka lub geometryczną vkg z wymiarem cząstek xgm, są wystarczająco wysokie, aby je uznać i zaproponować do predykcji prędkości krytycznej cząstek zmielonego materiału roślin energetycznych. Różnice w charakterystykach rozkładów prędkości krytycznych między rodzajami roślin energetycznych wynikają z różnic ich właściwości fizycznych, gdyż każda z roślin ma inną budowę pędu lub tkanek, sztywność łodyg, twardość i wilgotność materiału. 74 Właściwości fizyczne materiału roślinnego Tabela 3.14. Wyniki analizy regresji liniowej dla prędkości krytycznej arytmetycznej lub geometrycznej od średniego wymiaru cząstek zmielonego materiału roślin energetycznych Model dopasowania Gatunek rośliny Postać równania Wierzba vka = 2,71 + 0,40x gm wiciowa Róża wielokwiatowa Miskant vkg = 2,54 + 0,39x gm Słonecznik bulwiasty Równanie jest słuszne dla: xgm ∈ (1,68; 3,37) mm Ślazowiec pensylwański Spartina preriowa R 2 67,8% 76,5% vka = 0,61 + 0,69x gm 91,4% vkg = 0,82 + 0,55x gm 88,8% krytyczny poziom istotności < 0,0001 0,0010 < 0,0001 0,0002 zmienna temp stała xgm stała xgm 12,14 4,59 14,54 5,70 stała xgm stała xgm 2,51 6,54 3,67 5,65 0,0663 0,0028 0,0213 0,0048 stała xgm stała xgm 12,14 4,59 14,54 5,70 0,0801 0,0110 0,0921 0,0102 Femp 21,0 32,5 42,8 31,9 Równanie jest słuszne dla: xgm ∈ (1,88; 2,68) mm Rdestowiec sachaliński vka = 2,93 + 0,71x gm 55,3% vkg = 2,80 + 0,64x gm 66,8% 15,0 17,5 Równanie jest słuszne dla: xgm ∈ (2,30; 2,35) mm Źródło: Opracowanie własne autorów. Znajomość właściwości fizycznych oraz wiedza o charakterystykach rozdrobnionego materiału roślinnego jest przydatna w podejmowaniu decyzji o wyborze technologii zbioru, warunkach przechowywania i późniejszym przetwarzaniu materiału oraz wyborze parametrów technicznych zespołów i maszyn stosowanych w poszczególnych operacjach. Czynniki te będą wpływać na energochłonność procesów i ostatecznie będą decydować o kosztach produkcji biomasy wykorzystywanej w energetyce lokalnej lub zawodowej. Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań 1. Spośród siedmiu gatunków roślin najmniejszymi wartościami prędkości krytycznej i współczynnika lotności charakteryzowały się mieszaniny materiału ze spartiny preriowej i słonecznika bulwiastego, a największymi – z róży wielokwiatowej i wierzby wiciowej – roślin o wilgotności 24,0–55,6%, jaką spotyka się podczas ich zbioru w normalnych warunkach polowych. 2. Najbardziej wyrównaną sieczką pod względem prędkości krytycznej cząstek była mieszanina ze spartiny preriowej, a rozdrobniony materiał róży wielokwiatowej cechował się największymi wartościami odchylenia standardowego wartości średniej prędkości krytycznej cząstek. 3. Nieco inna kolejność w rankingu wartości średniej prędkości krytycznej cząstek dla mieszanin otrzymanych podczas pracy zespołu rozdrabniającego z 10 nożami niż z 5 lub 2 świadczy, że w tych warunkach oprócz cięcia zachodziło również pękanie krótkich cząstek. 75 Technologie zbioru roślin energetycznych 4. Współdziałanie pękania z cięciem materiału z wierzby wiciowej przyczyniło się prawdopodobnie do największego wpływu na zmianę wartości średniej prędkości krytycznej cząstek mieszanin otrzymanych podczas pracy zespołu tnącego przy różnej liczbie noży. 5. Mieszaniny materiałów roślinnych rozdrobnionych w rozdrabniaczu bijakowym charakteryzowały odmiennymi właściwościami aerodynamicznymi, gdyż niemal we wszystkich przypadkach wyróżniono dla siedmiu rodzajów roślin osobne grupy jednorodne wartości prędkości krytycznych cząstek, obliczone zarówno jako średnie arytmetyczne, jak i geometryczne. Takiej jednoznaczności nie stwierdzono dla mieszanin miskanta olbrzymiego, której wartości należały do grupy jednorodnej prędkości krytycznej róży wielokwiatowej, a jednocześnie prędkość krytyczna arytmetyczna cząstek róży wielkokwiatowej tworzyła grupę jednorodną z topinamburem. 6. Dla wyodrębnionych grup jednorodnych przedstawiono równania regresyjne wiążące prędkość krytyczną arytmetyczną lub geometryczną ze średnią geometryczną wymiarów cząstek, które mogą być zastosowane do predykcji tych prędkości w badanym zakresie wymiarów cząstek. 7. Wartości średniej arytmetycznej prędkości krytycznej były większe od odpowiednich wartości średniej geometrycznej prędkości krytycznej cząstek, a zależność tę opisano równaniem linii prostej. 76 4. TECHNOLOGIE ZBIORU 4.1. Termin zbioru Charakteryzując rośliny energetyczne podano szczegółowe informacje o terminie zbioru dla każdej z nich, ale konieczne jest zwrócenie uwagi na aspekty techniczne zbioru, wynikające ze specyficznych warunków pogodowych, które występują późną jesienią lub zimą bądź wczesną wiosną. Podczas tego okresu w większości regionów utrzymują się złe warunki pogodowe, a duża wilgotność gleb jesienią lub wczesną wiosną, czyni je grząskimi. Często zalega zbyt dużo śniegu, który nie tylko pokrywa powierzchnię pól, ale również kępy roślin, łodyg i liści traw. Nie jest to wyłącznie cecha naszego obszaru środkowo-europejskiego. Jeszcze gorsze warunki do zbioru roślin energetycznych występują w krajach skandynawskich, Wielkiej Brytanii lub Kanadzie (Spinelli 1999, 2001). W takich warunkach konieczne jest zastosowanie gąsienicowych układów jezdnych lub szerokich opon. Wydaje się, że jednym z rozwiązań mogłoby być wydłużenie okresu zbioru, ale istnieje ryzyko, że rośliny nie zdążą się zregenerować, zwłaszcza wówczas, gdy przesunie się zbiór wiosną. Rolników interesuje możliwość wcześniejszego zbioru roślin energetycznych, ale przydatność materiału pozyskiwanego w takim terminie jest mniejsza. Przykładowo procesy gazyfikacji przebiegające przy wysokiej temperaturze zachodzą gorzej, jeśli w materiale roślinnym znajdują się liście. Liście bowiem zawierają dużo chloru, który podczas konwersji może tworzyć szkodliwe substancje toksyczne. Aby uniknąć tego problemu, liście powinny być odseparowane od zdrewniałego materiału przeznaczonego do spalania lub gazyfikacji. Termin zbioru i jego cykliczność zależą w głównej mierze od gatunku rośliny i sposobu wykorzystania zebranego surowca. Niektóre rozwiązania techniczne mechanizmów ścinających lub układy jezdne maszyn bądź technologie zbioru mogą pozwolić na zmniejszenie uciążliwości i ograniczenie ryzyka związanego z podmokłym podłożem lub zalegającym na polu śniegiem. 77 Technologie zbioru roślin energetycznych 4.2. Mechanizmy ścinające Wybór elementów ścinających rośliny jest krytyczną decyzją w fazie projektowania maszyn do zbioru roślin energetycznych. Odnosi się to zwłaszcza do krzewów, drzew i rotacji ich zbioru. Byliny i trawy wieloletnie mogą być ścinane przy zastosowaniu tych samych zespołów, które stosuje się w maszynach do zbioru roślin zbożowych lub zielonych. Podczas ścinania pędów wierzby zespół roboczy ma za zadanie równoczesne ścięcie kilku pędów o różnej średnicy. Wszystkie pędy wyrastające z karpy dążą do pionowego ustawienia, również te, które są bocznymi odrostami. Ścięcie tych odrostów wymaga większej energii niż ścięcie pędów pionowych, ponieważ mają one większą poziomą powierzchnię cięcia. Zróżnicowanie przekrojów poprzecznych pędów między rzędami roślin oraz wzdłuż rzędów również utrudnia zbiór. Mniejsze pędy łatwiej jest ściąć, ale istnieje możliwość ich przewijania się przez poruszające się części mechanizmu ścinającego. Wskazane byłoby zastosowanie elementu ściągającego pędy tuż nad płaszczyzną cięcia. Aby odrastanie nowych pędów było prawidłowe, ich ścinanie powinno być przeprowadzone na wysokości 100–150 mm nad podłożem. W efekcie uzyskuje się lepszą separację pędów i minimalizuje uszkodzenia karp, zmniejszając propagację chorób (Stuart 1994). Mechanizmy ścinające, jakie mogą być instalowane w maszynach do zbioru roślin energetycznych, można podzielić na bezpodporowe i podporowe. W zespołach ścinających krzewy i drzewa mogą znaleźć zastosowanie piły tarczowe i łańcuchowe, tarcze nożowe, noże listwowe i bijakowe, które zalicza się do zespołów bezpodporowych. Do ścinania bylin i traw wieloletnich, poza piłami tarczowymi i łańcuchowymi, mogą być stosowane te same mechanizmy ścinające, które są stosowane do ścinania krzewów i drzew. Piły tarczowe mogłyby być również stosowane, ale prędkości cięcia musiałyby być duże, aby nie występowało ryzyko wyrywania roślin z podłoża. Ścinanie podporowe wykorzystuje się w zespołach listowych i rotacyjnych nożach, które są najbardziej rozpowszechnione w przystawkach ciągnikowych sieczkarń polowych do zbioru kukurydzy na kiszonkę. Piła tarczowa. Bywa stosowana podczas pozyskiwania drewna w warunkach zmechanizowanych prac leśnych przy wykorzystaniu harwesterów, jednak jej promień musi być większy od średnicy ścinanego drzewa. Jej pozytywną cechą funkcjonalną jest bardzo czyste cięcie drewna, ale zastosowanie w maszynach do zbioru roślin energetycznych na zaśnieżonej plantacji powoduje gromadzenie się śniegu na pełnej tarczy. Śnieg jest zabierany przez biomasę i trafia do zespołu rozdrabiającego, a dalej ze zrębkami na skrzynię środka transportowego (Pellerin i in. 1999, Boyd i in. 2000). W tych warunkach pracy zęby piły i noże rozdrabniające ulegają szybkiemu zużyciu. Aby 78 Technologie zbioru zwiększyć ich trwałość, stosuje się hartowanie (Nieuwenhof 2003) lub wkładki z węglików spiekanych. Ponadto, śnieg wymieszany ze zrębkami zwiększa ich wilgotność i w konsekwencji prowadzi to do szybszych procesów gnilnych biomasy i jej strat. Obecnie piła tarczowa znalazła najszersze zastosowanie w mechanizmach ścinających maszyn do zbioru roślin energetycznych, zwłaszcza do zbioru wierzby, topoli i innych krzewów i drzew. Z naszych doświadczeń wynika, że piła tarczowa przy prędkości cięcia 100 m·s–1 może być wykorzystana do zbioru bylin, a nawet traw wieloletnich. Piła tarczowa jest stosowana w zespołach ścinających ciągnikowych maszyn zawieszanych i przyczepianych. Może pracować w układach pojedynczych lub – częściej – podwójnych. W maszynach samojezdnych jest stosowana najczęściej w układach podwójnych. Piła tarczowa jest również wyposażeniem ręcznych kos spalinowych lub elektrycznych. Piła łańcuchowa. Jest bardzo rozpowszechniona w pracach leśnych oraz przydomowych i można ją znaleźć w różnych głowicach ręcznych urządzeń technicznych z napędem spalinowym i elektrycznym stosowanych do ścinania i obróbki drzew. Pilarki takie są wykorzystywane do zbioru wierzby wiciowej lub topoli rosnących na małych plantacjach. Negatywne doświadczenia uzyskane podczas zbioru wierzby wiciowej wskazują, że pilarki łańcuchowe nie powinny być używane do ścinania tych roślin, zwłaszcza w cyklach jednorocznych. Piła łańcuchowa jest stosowana również w ciągnikowych maszynach do zbioru wierzby wiciowej i mogłaby być wykorzystana do ścinania robinii akacjowej. Najważniejszą cechą tego mechanizmu ścinającego jest ekonomiczność, ale piła łańcuchowa wymaga większego zakresu obsługi niż piła tarczowa lub tarcza ścinająca (Pellerin i in. 1999). W dotychczasowych rozwiązaniach konstrukcyjnych maszyn do zbioru wierzby wiciowej długość piły dochodzi do 2,4 m (Bender 6WG). Przy tej długości następuje jej szybkie luzowanie na poszczególnych ogniwkach łańcucha, co wymaga korekcji jego napięcia. Z dotychczasowych doświadczeń wynika, że takie czynności wykonuje się co najmniej dwa razy dziennie, co wpływa na zmniejszenie wydajności operacyjnej zbioru. Ponadto, podczas zbioru muszą być stosowane mniejsze prędkości ruchu agregatu ciągnik-maszyna, co dodatkowo wpływa na obniżenie wydajności pracy. Zastosowanie piły łańcuchowej pozwala natomiast na zmniejszenie masy maszyny i uproszczenie układu napędowego Pozytywną cechą stosowania piły łańcuchowej jest również to, że podczas zbioru wierzby w warunkach zimowych, przy zalegającym śniegu, ilość jego wtrąceń do zbieranej biomasy, w porównaniu do innych mechanizmów ścinających, jest minimalna. Uniknięcie obecności niepożądanej wilgoci jest ważne ze względu na poprawność konserwacji i przechowywania zrębków (Boyd i in. 2000). Tarcza nożowa. Jest ona mniej rozpowszechniona niż piła tarczowa i łańcuchowa. W Coppice Resources Ltd. (2000) zaprojektowano zespół ścinający z tarczami nożowymi. Tarcze te były łatwe w obsłudze i można było je ostrzyć 79 Technologie zbioru roślin energetycznych w warunkach polowych. W miejscu przecinania się dwóch tarcz pędy wierzby były jednak miażdżone, zgniatane i kruszone, a nie ścinane. Jakość cięcia roślin tarczami nożowymi była zatem znacznie gorsza niż jakość cięcia piłami tarczowymi i łańcuchowymi. Podobne rozwiązania tarcz nożowych spotyka się w kosiarkach rotacyjnych do zbioru roślin zielonych, które mogą być wykorzystane w maszynach do zbioru innych roślin energetycznych, zwłaszcza traw wieloletnich. Przykładowo rośliny miskanta mogą być ścinane typowymi kosiarkami rotacyjnymi z dolnym napędem, a następnie zbierane z pokosu za pomocą pras zwijających lub tłokowych. Tarcze nożowe stanowią wyposażenie ręcznych kos spalinowych lub elektrycznych, które również mogą być stosowane do zbioru roślin energetycznych na małych plantacjach w cyklu jednorocznym. Kombajny Austoft 7000 i 7700 są standardowo wyposażone w tarcze nożowe. Noże listwowe. Najczęściej są instalowane w kosiarkach prowadzonych pieszo lub rozdrabniaczach gałęzi bądź w maszynach stosowanych do pielęgnacji terenów zieleni. Obsługa noży listwowych jest prosta i ekonomiczna, ponieważ istnieje możliwość wymiany uszkodzonego pojedynczego noża. Zastosowanie tych elementów roboczych do ścinania pędów wierzby jest jednak ograniczone ze względu na jakość ich pracy. Podczas zbioru łodygi są raczej urywane niż ścinane, co zwiększa ryzyko pojawienia się chorób w rozszarpanej karpie oraz zmniejsza regenerację i późniejsze odrosty pędów (Lechasseur i Savoie 2005). Zastosowanie noży listwowych w maszynach do zbioru innych roślin energetycznych jest również mało prawdopodobne ze względu na ich cechy funkcjonalne. Noże bijakowe. W bijaki są wyposażone bębny i tak instalowane, aby tworzyły wzór spiralny, zapewniający bardziej stabilne obciążenie układu napędowego. Aby jakość cięcia roślin była zadowalająca, bębny bijakowe, o osi poziomej, muszą się poruszać z dużą prędkością kątową. Podczas pracy zespołu bijakowego łodygi są urywane, co pogarsza rozdrobnienie materiału, a karpa zostaje poszarpana. Zespół bijakowy może być stosowany w maszynach do zbioru krzewów w rotacjach jednorocznych lub bylin i traw wieloletnich przeznaczonych na zrębki lub sieczkę (Felker i in. 1999). Z dotychczasowych doświadczeń wynika, że w przypadku zbioru wierzby wiciowej tym sposobem szybkość odrostów jest niezmiernie mała (Stuart 1994). Zespół nożycowy. Technika cięcia roślin z wykorzystaniem zespołu nożycowego jest zupełnie odmienna od dotychczas analizowanych sposobów ścinania. Jest ona wykorzystywana w zespołach o ruchu posuwisto-zwrotnym listew nożowych poruszających się w prowadnicach wyposażonych w palce rozdzielające ze stalkami jako krawędziami przeciwtnącymi. Innym rozwiązaniem technicznym jest mechanizm o ruchu obrotowym składający się z tarczy z zainstalowanymi nożami, które ścinają rośliny przy łukowej krawędzi 80 Technologie zbioru przeciwtnącej. Takie mechanizmy spotyka się w zespołach ścinających przyczepianych sieczkarń do zbioru kukurydzy. Nożycowy zespół ścinający jest powszechnie stosowany w kosiarkach ciągnikowych, w kombajnach do zbioru zbóż, rozdzielaczach aktywnych wykorzystywanych podczas zbioru rzepaku, a także w kosiarkach prowadzonych pieszo lub maszynach ciągnikowych bądź samojezdnych stosowanych do prac pielęgnacyjnych na terenach zielonych i w międzyrzędziach upraw sadowniczych. Ze względu na bardzo dokładne cięcie nożycowy zespół ścinający jest wykorzystywany do ścinania jednorocznych odrostów nowo założonych plantacji wierzby. Bardzo wiotkie pędy wierzby jednorocznej mają małą bezwładność i cięcie bezpodporowe, jakie zachodzi w rotacyjnych zespołach ścinających, nie pozwala na osiągnięcie oczekiwanego czystego, gładkiego cięcia. Do tych zabiegów pielęgnacyjnych najczęściej są stosowane lekkie kosiarki listwowe, zawieszane na trzypunktowym układzie ciągnika. Ciągnikowe sieczkarnie polowe wyposażone w rotacyjne noże ścinające, z zespołami rzędowymi, których pierwotnym przeznaczeniem jest zbiór kukurydzy, mogą być wykorzystane do zbioru wierzby wiciowej w cyklach jednorocznych. Praktycznie można je również wykorzystać do zbioru innych roślin energetycznych, które są rozdrabniane na zrębki lub sieczkę. Zastosowanie zespołów rzędowych do zbioru roślin rosnących w kępach, np. miskanta, nie pozwala jednak na osiągnięcie wymaganej jakości ścinania, gdyż część bocznych pędów może być przygniatana rozdzielaczami zespołu. Dzieje się tak dlatego, że zespół rzędowy jest projektowany do ścinania roślin kukurydzy rosnących pojedynczo w jednym rzędzie. Gardziel między rozdzielaczami jest zbyt mała, aby mogła objąć szeroką kępę traw, zwłaszcza na plantacjach starszych, które są bardziej rozkrzewione. Należy również zaznaczyć, że nożycowa technika cięcia jest także wykorzystywana w sekatorach, które czasami sporadycznie są stosowane na bardzo małych plantacjach roślin energetycznych. Prędkość cięcia. Doświadczenie pozyskane podczas cięcia roślin zbożowych i traw oraz ścinania drzew wykorzystano w fazie projektowania i dobierania prędkości cięcia roślin energetycznych. Minimalna prędkość cięcia bezpodporowego, uderzeniowego dla roślin zielonych wynosi 10 m·s–1 (Persson 1987). Dalois (1990) sugerował, że prędkości cięcia piłami tarczowymi mogą być stosowane w szerokim zakresie 5–50 m·s–1, ale prędkości z górnego zakresu (40–50 m·s–1) są lepsze ze względu na czyste cięcie drewna, zwłaszcza wzdłuż osi włókien. Mimo że podczas zbioru krzewów i drzew cięcie odbywa się prostopadle do osi pędów, to przy większych prędkościach zmniejsza się ryzyko rozerwania łyka pod korą. Podczas pracy pił tarczowych z mniejszą liczbą zębów prędkość cięcia powinna być jeszcze większa (70 m·s–1). W maszynach do zbioru wierzby wiciowej są stosowane jeszcze większe prędkości obwodowe pił tarczowych (tab. 4.1). 81 Technologie zbioru roślin energetycznych Tabela 4.1. Średnice oraz prędkości kątowe i obwodowe pił tarczowych stosowanych podczas ścinania roślin energetycznych Maszyna zbierająca Lydum SIPMA Hvidsted VPI/DOE Hyd-Mech Claas 860 Austoft 7700 CRL Średnica piły, mm 450 500 500 610 600 1500 600 1000 Prędkość kątowa, s–1 523 400 335 314 209 115 – 43 Prędkość obwodowa, m·s–1 118 100 84 96 63 86 – 22 Źródło: Opracowanie własne na podstawie: (Lechasseur i Savoie 2005, Lisowski i in. 2009c). 4.3. Techniki zbioru Dobór technologii zbioru roślin energetycznych zależy od ich rodzajów. Krzewy i drzewa szybo rosnące, do których można zaliczyć wierzbę wiciową, różę wielokwiatową, topolę i robinię akacjową, można zbierać jedno- lub dwuetapowo w cyklach jednorocznych lub częściej w wieloletnich (Lisowski 2006, Szczukowski i in. 2006, Faber i in. 2009). Krzewy: róża wielokwiatowa i robinia akacjowa, oraz byliny (ślazowiec pensylwański, słonecznik bulwiasty) i trawy wieloletnie o szlaku fotosyntezy C4 (miskant, proso rózgowate, spartina preriowa, palczatka Gerarda) i mozga trzcinowata o szlaku fotosyntezy C3 można również zbierać jedno- lub dwuetapowo, ale wyłącznie w cyklu jednorocznym (tab. 4.2, Lisowski i in. 2010a, 2010j). Zbiór jednoetapowy polega na jednoczesnym ścinaniu roślin i rozdrabnianiu, najczęściej przy zastosowaniu sieczkarni polowej – zarówno ciągnikowej, jak i samojezdnej. Logiczną konsekwencją jest więc, że jest to równocześnie zbiór roślin w postaci zrębków (krzewy i drzewa) lub sieczki (trawy i byliny). Zbiór dwuetapowy obejmuje dwie niezależne fazy, w których operacje są realizowane przez oddzielne maszyny. W pierwszej fazie rośliny są ścinane, a w drugiej rozdrabniane. Wyróżnienie tych faz wynika z formy surowca lub produktu, jaki chcemy otrzymać. Między tymi fazami może występować klika operacji, zależnie od rodzaju rośliny i formy ściętego materiału. W przypadku roślin krótkiej rotacji w zbiorze dwuetapowym dominuje zbiór w postaci całych roślin, a następnie po wysuszeniu materiału – jego rozdrabnianie w warunkach stacjonarnych. Trawy i byliny, po ich ścięciu, są zbierane prasami lub przyczepami zbierającymi. Ogólnie można stwierdzić, że zbiór roślin trawiastych lub bylin można przeprowadzić za pomocą maszyn powszechnie stosowanych do zbioru zielonek, siana lub słomy. Bardziej szczegółowa charakterystyka sposobów zbioru roślin energetycznych będzie przedstawiona dla poszczególnych grup lub rodzajów. 82 Technologie zbioru Tabela 4.2. Technologie zbioru roślin energetycznych i maszyny robocze Sposób zbioru Drzewa krótkiej rotacji (topola, wierzba) i krzewy (róża wielokwiatowa, robinia akacjowa, wierzba) Wierzba, krzewy: sieczkarnie ciągnikowe zawieszane, przyczepiane lub samojezdne Cykl 1-roczny z przystawką do zbioru kukurydzy, najlepiej bezrzędową (Kemper, Krone) JednoWierzba: sieczkarnie ciągnikowe etapowo Cykl przyczepiane lub samojezdne ze 2–5-letni specjalną przystawką Przyczepy objętościowe Transport ciągnikowe lub samochody ciężarowe Sekatory Wykaszarki spalinowe Kosiarki ciągnikowe z piłą Ścinanie; cykl tarczową 1-roczny Maszyny specjalne ścinające i wiążące lub pryzmujące Maszyny ścinająco-prasujące Ścinanie; Wierzba: jak dla cyklu cykl 2–5-letni 1-rocznego plus pilarki spalinowe Topola: maszyny leśne; ścinacze Ścinanie; grupujące (≤ ∅ 150 mm), cykl 5–30-letni harwestery (> ∅ 150 mm) Dwuetapowo Prasowanie/ /zbiór Załadunek i rozładunek Transport Rozdrabnianie Ręczny Ładowarki czołowe lub chwytakowe Forwordery lub skidery chwytakowe Przyczepy ciągnikowe lub samochody Przyczepy leśne Rębaki do drewna Urządzenia zrębkujące Trawy (miskant, proso rózgowate, spartina preriowa, mozga trzcinowata, palczatka Gerarda) i byliny (ślazowiec, słonecznik bulwiasty) Sieczkarnie ciągnikowe zawieszane, przyczepiane lub samojezdne z przystawką do zbioru kukurydzy, rzędową lub bezrzędową Przyczepy objętościowe ciągnikowe lub samochody ciężarowe Kosiarki rotacyjne (z kondycjonerem), ciągnikowe lub samojezdne Prasy zwijające, tłokowe wielkogabarytowe Przyczepy zbierające Ładowarki czołowe lub chwytakowe do bel Przyczepy ciągnikowe lub samochody Przyczepy samozaładowcze Szarpacze do słomy Rozdrabniacze nożowe Źródło: Opracowanie własne autorów. Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań 1. Termin zbioru roślin energetycznych, przypadający na okres od połowy października po zatrzymaniu wegetacji przez rośliny (po pierwszych przymrozkach) do połowy marca, zwiększa ryzyko prawidłowych działań oraz stawia większe wymagania dla konstruktorów maszyn i ich zespołów roboczych. 83 Technologie zbioru roślin energetycznych 2. Spośród mechanizmów ścinających stosowanych w maszynach do zbioru wierzby wiciowej dominuje piła tarczowa. Piła łańcuchowa, mimo pewnych zalet wynikających ze zmniejszenia zanieczyszczenia materiału roślinnego śniegiem, jest stosowana przez jedną firmę. Mechanizm nożycowo-palcowy jest stosowany w maszynach do podcinania wierzby lub zbioru wikliny plecionkarskiej. Mechanizm bijakowy lub młotkowy może być stosowany do zbioru biomasy na nieużytkach. 3. Przy cięciu bezpodporowym stosuje się duże prędkości obwodowe, w zakresie 40–100 m∙s–1, aby zapewnić czyste cięcie i pozostawić karpę nieuszkodzoną. Sprzyja to lepszym odrostom, skutkuje większymi plonami biomasy i zmniejsza ryzyko infekcji karpy chorobami. 4. Opracowano technologie zbioru roślin energetycznych podzielone na dwie grupy. Do pierwszej z nich zaliczono drzewa i krzewy o krótkiej rotacji, a do drugiej trawy i byliny. 84 5. ZBIÓR WIERZBY I TOPOLI W KRÓTKIEJ ROTACJI Zbiór wierzby i topoli w krótkiej rotacji odbywa się po zakończeniu wegetacji w okresie ich spoczynku. Zbiór wierzby odbywa się najczęściej w cyklach 2–4, a topoli 5–7 lat. Zbiór topoli wymaga cięższych maszyn, gdyż jej pędy są grubsze, wyższe i sztywniejsze niż wierzby. To stwarza większe problemy dla mechanizmów ścinających i z tego powodu do zbioru topoli stosuje się podobne techniki, jakie są wykorzystywane w leśnictwie podczas ścinania drzew iglastych i liściastych. Przy cyklach zbioru 5–7 lat średnica pędów topoli dochodzi do 0,10–0,15 m. W 3–4-letnim cyklu zbioru topoli stosuje się te same maszyny jak do zbioru wierzby w analogicznych rotacjach. Drzewa krótkiej rotacji mogą być zbierane jedno- lub dwuetapowo (rys. 5.1). Drzewa krótkiej rotacji Zbiór jednoetapowy Zbiór na zrĊbki do 50 mm Zbiór dwuetapowy Zbiór na kawaáki 100–150 mm Wentylacja naturalna Wentylacja wymuszona w gospodarstwie ĝcinanie i pozostawienie na polu Luzem na pokosie Wentylacja wymuszona, pryzmy w gospodarstwie Luzem w pryzmach W wiązkach W belach Zaáadunek i transport áodyg luzem, wiązek lub bel Transport zrĊbków do zakáadu Transport zrĊbków do zakáadu Transport kawaáków do zakáadu Transport kawaáków do zakáadu Wentylacja naturalna – pryzmy Suszenie termiczne Przechowywanie Rozdrabnianie lub mielenie Rozdrabnianie lub mielenie Rozdrabnianie do zrĊbków Konwersja w ciągu 2 miesiĊcy Konwersja w ciągu 2– –5 miesiĊcy Konwersja po 6 miesiącach Konwersja po 6 miesiącach Konwersja natychmiastowa Rysunek 5.1. Technologie zbioru drzew w krótkiej rotacji o średnicy pędów poniżej 100 mm Źródło: Opracowanie własne autorów. 85 Technologie zbioru roślin energetycznych Z dostępnych danych wynika, że uprawa topoli w Ameryce Północnej jest względnie opłacalna jedynie w pełnych cyklach 20–30-letnich na grubiznę do papierni (Molas 2008). W wielu krajach prowadzone są badania zbioru topoli w krótkich 3–5-letnich rotacjach (Heiman i in. 1994, Kauter i in. 2003, Tharakan i in. 2003, Gaidi i in. 2008, 2009). Do zbioru drzew topoli o średnicy 0,10– –0,15 m lepiej stosować techniki leśne, z wykorzystaniem ścinaczy grupujących, harwesterów lub innych maszyn (rys. 5.2). Na polskim rynku są dostępne różne maszyny, głównie importowane, które z powodzeniem są i mogą być wykorzystane do zbioru topoli. Przy krótszych cyklach rotacji do zbioru topoli można stosować te same maszyny co do wierzby. a b Rysunek 5.2. Harvester grupujący Timberjack TJ 720: a – widok ogólny, b – głowica TJ 720 Timberjack, c – głowica 1000-23E Pentan Paja Oy, d – głowica EH 220 Warath Forestry Źródło: Fotografie Burger. c d Wierzbę w polskich warunkach klimatycznych najlepiej zbierać od połowy listopada do połowy marca, po zakończeniu przez rośliny okresu wegetacji i opadnięciu z pędów liści, ale nie zawsze warunki pogodowe pozwalają na zakończenie zbioru w tym okresie. W tym czasie wilgotność drewna wynosi około 45–55%, w zależności od rotacji, odmiany, regionu i warunków pogodowych. W sprzyjających uprawie wierzby warunkach klimatycznych, glebowych i przy wysokim nawożeniu mineralnym niektóre odmiany roślin krótkiej rotacji osiągają plon 20 t s.m.·ha–1. Zazwyczaj plon tych roślin wynosi 8–12 t s.m.·ha–1. Wierzba po pierwszym roku po posadzeniu powinna być skoszona na wysokości około 50 mm nad powierzchnią gleby (Szczukowski i in. 2006). Zabieg ten 86 Zbiór wierzby i topoli w krótkiej rotacji pozwala w następnym okresie wegetacji na odrastanie licznych pędów z karpy i dodatkowo wpływa na plonowanie wierzby w kolejnych latach. Roślina wierzby osiąga po pierwszym roku około 2,0 m wysokości, a w lepszych warunkach agrotechnicznych pędy mogą być nawet dłuższe. Mogą być one ewentualnie przeznaczane do wytwarzania zrzezów i wykorzystane do powiększenia plantacji. Do ścinania pędów po pierwszym roku wegetacji wierzby można zastosować kosiarki listwowe lub inne maszyny, których powszechnie używa się do zbioru traw. Najlepsze efekty osiąga się po zastosowaniu do zbioru pędów kosiarki z palcowym zespołem nożycowym (Wilkinson i in. 2007). Zabieg ten wykonuje się wczesną wiosną przed rozpoczęciem przez rośliny nowego okresu wegetacji. W zależności od planowanej rotacji zbiór wierzby w kolejnych latach może się odbywać różnymi technikami. Właściwe odcięcie już dojrzałego pędu od karpy jest bardzo ważnym elementem, ponieważ wpływa na jej żywotność. Pędy powinny być ścinane na wysokość 50–100 mm nad powierzchnią gleby tak, aby miały widoczne uśpione pąki. Pędy powinny być obcięte równo. Nie dopuszcza się, aby pędy pozostałe na karpie były poszarpane lub rozłupane. Odcięcie powinno być wykonane ostrym narzędziem, np. sekatorem lub szybkoobrotową piłą. Z przeprowadzonych przez Kwaśniewskiego badań (2007) wynika, że na 27 plantacjach wierzby energetycznej, położonych na terenie województw małopolskiego, świętokrzyskiego i podkarpackiego, nie stosowano do zbioru maszyn. Na ocenianych plantacjach o powierzchni 0,5–13 ha stosowano zbiór ręczny z wykorzystaniem sekatorów. W kilku przypadkach do zbiory wierzby stosowano wykaszarki z piłami tarczowymi lub kosiarki listwowe ze skróconymi zespołami tnącymi. Praca przy użyciu sekatorów nożycowych jest mało wydajna i ten sposób zbioru może być stosowany na małych plantacjach, przede wszystkim w cyklu jednorocznym. Zastosowanie wykaszarki z piłą tarczową daje lepsze wyniki i również to urządzenie może być stosowane na małych plantacjach do 1 ha (Dubas i Tomczyk 2005). Przy zbiorze pędów w rotacji 3-letniej potrzebna jest dodatkowa osoba, poza operatorem, do ich nachylania i odbierania ściętych łodyg. Z badań Kwaśniewski i in. (2008) wynika, że lepszą wydajność (0,024 ha·h–1) osiąga się przy zatrudnieniu dwóch pomocników niż jednego (0,016 ha·h–1). Zbiór wierzby z wykorzystaniem spalinowej pilarki łańcuchowej wymaga również zespołu dwuosobowego (Kwaśniewski i in. 2006). Aby operator pilarki miał dogodne dojście do karp roślin, jedna osoba odchylała pędy roślin, a druga odbierała ścięte łodygi i wstępnie formowała je w wiązki. Osiągnięta w takich warunkach pracy wydajność wynosiła 0,017 ha·h–1 i była znacznie mniejsza od wydajności zbioru zmechanizowanego (0,7 ha·h–1). Należy jednak zwrócić uwagę na zagrożenia związane z tą techniką zbioru i ze względów bezpieczeństwa nie może być ona zalecana. Ponadto, planując zbiór wierzby należy również uwzględnić możliwość wystąpienia niekorzystnych warunków pogodowych, np. jesienne i wiosenne roztopy, zalegająca okrywa śnieżna itp., które mogą mieć wpływ na 87 Technologie zbioru roślin energetycznych wydajność zbioru ręcznego. Rzeczywisty czas dyspozycyjny do zbioru wierzby i innych roślin energetycznych może być w związku z tym znacznie krótszy niż od połowy października do połowy marca. Przy zwiększających się kosztach pracy zbiór ręczny będzie wypierany przez zbiór mechaniczny. Zastosowanie kombajnów zielonkowych lub specjalnych maszyn do zbioru wierzby pozwala na uzyskanie wydajności 3–4 ha dziennie (Dreszer i in. 2003). Wydajność zbioru wierzby może być wyrażona w zależności od mocy zastosowanej maszyny (rys. 5.3, Technical Note 1998). Wydajność 0,16–0,56 ha·h–1 odnosi się do maszyn zbierających i rozdrabniających w czasie jednego przejazdu, natomiast 0,09–0,22 ha·h–1 – do maszyn zbierających całe pędy. Szerokie zakresy wydajności zbioru wynikają nie tylko z rodzaju maszyny, ale zależą również od takich czynników, jak plon, wiek roślin, rozstawa i długość rzędów, sposób jazdy na plantacji oraz doświadczenie operatora. 0,6 Wydajność zbioru, ha·h–1 0,5 0,4 0,3 0,2 Wz = 0,0012 Nnom + 0,0506 2 R = 0,6092 0,1 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Moc nominalna maszyny, kW Rysunek 5.3. Zależność wydajności zbioru wierzby Wz od mocy maszyny Nnom Źródło: Technical Note (1998). Wierzba jednoroczna może być zbierana z wykorzystaniem standardowych maszyn, które stosuje się do zbioru kukurydzy na kiszonkę lub innych roślin wysokołodygowych. Spośród roślin energetycznych wierzba wiciowa może być zbierana z zastosowaniem najbardziej zróżnicowanych technologii. Jeśli zbiór odbywa się w cyklach 1-, 2- lub 3-letnich, to rośliny wierzby mogą być zbierane w postaci całych pędów lub rozdrabniane sieczkarniami polowymi, wyposażonymi w specjalną przystawkę. Przy dłuższych cyklach rotacji zbioru pędy roślin są grubsze i charakteryzują się bardziej jednorodną jakością drewna. Zbiór roślin o większej średnicy pędów wymaga jednak zastosowania maszyn bardziej wytrzymałych i jednostek energetycznych o większej mocy. 88 Zbiór wierzby i topoli w krótkiej rotacji W przypadku zbioru całych roślin potrzebne jest również zastosowanie środków transportowych z dłuższymi skrzyniami ładunkowymi oraz zaplanowanie większych szerokości uwroci na plantacjach pól. Według skandynawskich doświadczeń zbiór wierzby w cyklach 3–5-letnich jest najbardziej uzasadniony ekonomicznie (Mola-Yudego i Pelkonen 2008). Niektóre odmiany po czwartym roku zmniejszają szybkość przyrostu i powinny być w tym czasie zebrane. Nowe odmiany szybko rosnące są bardziej ekonomiczne niż odmiany wolno rosnące. W trzecim roku pędy wierzby osiągają wysokość 6–8 m i średnicę do 40–80 mm. Drzewa wierzby o średnicy powyżej 100 mm powinny być zbierane z wykorzystaniem technik stosowanych w leśnictwie. W trzyletnim cyklu zbioru plon biomasy wierzby może być bardzo wysoki i wynosić 60–120 t·ha–1 wilgotnego materiału (przy średniej wilgotności około 46%). Zwiększa się również gęstość zbieranego materiału w porównaniu do zbioru w cyklu 1-rocznym, dzięki mniejszej zawartości młodej kory i cienkich części roślin. Pędy jednoroczne wierzby mogą być zbierane luzem lub wiązane w wiązki bądź belowane z wykorzystaniem specjalnej prasy zwijającej, wyposażonej w tarczowy zespół ścinający i bijakowy zespół rozdrabniający (Lavoie i in. 2008). Wybór technologii zbioru wierzby zależy od wielu czynników. Całe łodygi mogą być wykorzystane na małym, niszowym rynku i w szkółkach, gdzie powinny być one o odpowiedniej wilgotności i bez uszkodzeń kory. Zbiór roślin w postaci rozdrobnionej jest zalecany na dużych plantacjach i tam, gdzie jest dobrze rozwinięty rynek zbytu. Możliwe jest wykorzystanie biomasy wierzby do bezpośredniego spalania lub współspalania (obecnie niezalecane) w przemysłowym spalaniu węgla (Gera i in. 2002). Taki sposób zbioru jest dość powszechny w Wielkiej Brytanii i Szwecji. Rozdrobniony materiał roślinny w zespole roboczym sieczkarni polowej może być bezpośrednio spalany, np. w kotle fluidalnym, lub może stanowić surowiec do dalszej przeróbki w produkcji brykietów lub peletów. Aby wyprodukować dobrej jakości paliwo formowane, konieczne jest dodatkowe wysuszenie i rozdrobnienie zrębków, jakie uzyskuje się z sieczkarni (Bitra i in. 2008). Są to procesy energochłonne, które wpływają na koszty produkcji brykietów i peletów. Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań 1. Topola i wierzba w formie drzew lub krzewów krótkiej rotacji mogą być zbierane jedno- lub dwuetapowo. 2. W technologiach zbioru jednoetapowego są stosowane adaptowane sieczkarnie dokładnego cięcia (zrębki mają wymiar do 5 mm) oraz maszyny do zbioru trzciny cukrowej, w których materiał roślinny jest cięty na kawałki długości 100–150 mm. Adaptacja tych sieczkarni polega na zastosowaniu specjalnej przystawki do zbioru wierzby wiciowej, a w przypadku kombajnu do zbioru trzciny cukrowej wystarczy nieznaczna modyfikacja adpatera ścinającego wyposażonego w piły tarczowe i kanału wyrzutowego. 89 Technologie zbioru roślin energetycznych 3. W technologii zbioru dwuetapowego są stosowane maszyny ścinające całe pędy, pozostawiane na pokosie, w pryzmach, wiązkach lub belach (również z częściowym rozdrabnianiem). 4. Do zbioru drzew topoli i wierzby o średnicy pnia powyżej 100 mm stosuje się techniki leśne, z wykorzystaniem ścinaczy grupujących, harwesterów lub innych specjalnych maszyn. 90 6. MASZYNY DO ZBIORU WIERZBY Wśród maszyn do zbioru wierzby można wyróżnić dwa podstawowe rodzaje rozwiązań: do ścinania biomasy wraz z jej rozdrabnianiem na zrębki oraz do zbioru całych roślin. Jednoetapowy zbiór, którego zadaniem jest ścięcie i rozdrobnienie pędów wierzby, może być przeprowadzony za pomocą zmodyfikowanych maszyn. Pierwotnie takie maszyny były stosowane do zbioru innych roślin, np. kukurydzy lub trzciny cukrowej. Modyfikacja dotyczyła głównie przystawki ścinającej rośliny. Zbiór całych pędów w cyklach jednorocznych wykonuje się z użyciem takich maszyn, jak: żniwiarki, snopowiązałki oraz specjalnie do tego celu skonstruowane maszyny zagregatowane z ciągnikiem. W latach 90. XX wieku, gdy rozpoczęto uprawę roślin krótkiej rotacji na skalę komercyjną, nie było odpowiednich maszyn do ich zbioru. Po pierwszych próbach zastosowania dotychczasowych maszyn, które były przeznaczone do zbioru innych roślin, rozpoczęto prace nad modyfikacjami maszyn lub prototypami, które spełnią wymagania użytkowników. Pionierami były firmy skandynawskie oraz z Danii, Holandii, Wielkiej Brytanii, Włoch, Niemiec, Australii i Kanady (tab. 6.1). Tabela 6.1. Charakterystyka maszyn do zbioru roślin energetycznych Model Kraj pochodzenia Rodzaj Funkcja Moc, kW Masa, kg Fröbbesta Szwecja przyczepiana, kosiarka ścinanie i zbiór 70 3000 Nicholson Irlandia przyczepiana, kosiarka ścinanie i wiązanie 65 3000 Dansalix Dania przyczepiana, kosiarka ścinanie i zbiór 65 2000 Berni Włochy przyczepiana, kosiarka ścinanie i zbiór 80 2000 Hvidsted Dania samojezdna, kosiarka ścinanie i zbiór 80 6000 120 1250 Bender Szwecja zawieszana, sieczkarnia ścinanie i zrębkowanie Austoft Szwecja samojezdna, kombajn do trzciny cukrowej ścinanie i zrębkowanie 179 12500 Claas Jaguar Niemcy samojezdna, kombajn zielonkowy ścinanie i zrębkowanie 230 9400 JD/Kemper Wielka Brytania samojezdna, kombajn zielonkowy ścinanie i zrębkowanie 301 11700 Źródło: Opracowanie własne na podstawie: (Gumeniuk 2006, Lechasseur i Savoie 2005, Spinelli 1999). 91 Technologie zbioru roślin energetycznych W 1993 roku szwedzka firma Salix Maskiner AB, będąca częścią Salixphere, wykonała dwa prototypy maszyn. Jedną z nich była maszyna Bundler przyczepiana do ciągnika (rys. 6.1), wyposażona w piłę łańcuchową i urządzenie wiążące. Na czas operacji odcinania wiązki piłą tarczową agregat ciągnik-maszyna musiał się zatrzymać, co zmniejszało wydajność zbioru. Drugą maszyną była sieczkarnia Bender 1 zawieszana na TUZ ciągnika wyposażonego w układ rewersyjny. Maszyna przechodziła kolejne modyfikacje i obecnie jest dostępna wersja Bender 6WG (rys. 6.2). W 1996 roku firma Salix Maskiner AB wykonała kolejny prototyp maszyny Rodster I przyczepianej do ciągnika. Maszyna ścina pędy i przenośnikiem taśmowym transportuje w całości na skrzynię, integralnie związaną z ramą maszyny. Zawartość skrzyni jest sukcesywnie rozładowywana i łodygi są gromadzone na polu w małych pryzmach. Obecnie firma na stronie internetowej oferuje model Rodster II (www.salix.se). Charakterystyczną cechą Rysunek 6.1. Prototyp wiązałki Bundler firmy Salix Maskiner Źródło: Fotografia firmowa Salixphere. Rysunek 6.2. Zawieszana sieczkarnia Bender 6WG z piłą łańcuchową firmy Salix Maskiner Źródło: Fotografia firmowa Salixphere. 92 Maszyny do zbioru wierzby maszyn oferowanych przez tę firmę jest mechanizm ścinający pędy w postaci piły łańcuchowej, prowadzonej na czterech rolkach, która stwarza problemy. Łańcuch się wyciąga, wygina, występują trudności w prawidłowym utrzymaniu go w prowadnicach i z tego powodu należy stosować małe prędkości jazdy. Krytyczne uwagi o maszynie Bender przedstawiono na podstawie doświadczeń amerykańskich (Abrahamson i in. 2008). Początkowo samodzielnie firma Nordnic Biomass z Danii, a następnie we współpracy z firmą Border Biofuels Ltd. z Wielkiej Brytanii wyprodukowała kilka generacji maszyn do zbioru wierzby w formie całych łodyg. Początkowo były to proste maszyny przyczepiane do ciągnika. Do drugiej i trzeciej generacji zakwalifikowano samojezdne maszyny, odpowiednio All Rounder Rysunek 6.3. Maszyny do zbioru cały pędów firmy Nordic Biomass: a – samojezdna Nordic All i Mantis. Najnowszą maszyną czwartej rounder, b – przyczepiana Stemster III generacji, oferowaną przez Nordic Bio- Źródło: Fotografie firmowe Nordic Biomass. mass, jest wersja przyczepiana, model Stemster III z 2006 roku. Zarówno samojezdna maszyna Mantis, jak i przyczepiana Stemster III (rys. 6.3) charakteryzują się większą wydajnością od podobnej pod względem technicznym i funkcjonalnym Empire 2000, zaprojektowanej przez Segerslätta (rys. 6.4). W skali międzynarodowej najbardziej rozpowszechniły się polowe sieczkarnie samojezdne z przystawkami do zbioru wierzby oraz zmodernizowany Rysunek 6.4. Seegerslätt Empire 2000, Sten kombajn do zbioru trzciny cukrowej Seegerslätt Źródło: Fotografia Carmen. Austoft 7700. Niemiecka firma Claas zaoferowała pierwszą przystawkę HS1 z dwiema piłami tarczowymi do swojego kombajnu zielonkowego Claas Jaguar 695. Najnowsza przystawka HS2 z 2006 roku współpracuje z kombajnem Claas Jaguar 900 (rys. 6.5). W 1998 roku firma Coppice Resources Ltd. (CRL) z Wielkiej 93 Technologie zbioru roślin energetycznych Rysunek 6.5. Kombajn Claas Jaguar z przystawką HS2 Źródło: Fotografie własne autorów. Brytanii, we współpracy z firmą Claas, opracowała nieco inną przystawkę (rys. 6.6). Najnowsze wersje przystawek CRL są dostosowane do sieczkarń samojezdnych firm Claas, Case New Holland, John Deere, Krone. Charakterystyczną cechą przystawki HS2 są aktywne rozdzielacze ślimakowe oraz rotacyjne zabieraki palcowe (rys. 6.5). Przystawka CRL jest natomiast wyposażona w płozy boczne, wykonane w postaci talerzy (rys. 6.6). Przystawka HS2 jest wyposażona w ramię naginające (pałąk naprowadzający) z hydraulicznie regulowanym kątem nachylenia. Odpowiada ono za nachylanie łodyg wierzby, co ułatwia ścinanie i przepływ ściętego materiału do układu rozdrabniającego maszyny. Cienkie pędy wierzby, wychodzące poza główne rzędy, są nagarniane przez dwa boczne przenośniki ślimakowe. Rośliny ścinane są na wysokości około 50–100 mm nad powierzchnią podłoża dwiema piłami tarczowymi, a b Rysunek 6.6. Kombajn New Holland FR 9000: a – z przystawką firmy CRL, b – z przystawką 130FB SRC Woody Crop Header Źródło: www.google.pl., www.coppiceresources.co.uk 94 Maszyny do zbioru wierzby wyposażonymi w zęby tnące z węglików spiekanych. Materiał jest rozdrabniany przez standardowy, bębnowy zespół tnący sieczkarni Jaguar na zrębki o wymaganej długości do 60 mm. Maksymalna średnica łodygi wierzby, która może być ścinana i rozdrabniana wynosi 70 mm. W zależności od warunków pracy, rodzaju pola i średnicy łodyg maksymalna wydajność maszyny wynosi 70 t·h–1. Przystawką HS2 można zbierać jednocześnie dwa bliźniacze rzędy roślin, między którymi powinna być zachowana odległość 0,75 m, a między kolejnymi parami rzędów – 1,5 m. To właśnie te wymagania czasami uniemożliwiają bezpośrednie zastosowanie kombajnu Jaguar z przystawką HS2 do zbioru wierzby, której plantację założono bez uwzględnienia ograniczeń wynikających z konstrukcji maszyny przewidzianej do późniejszego zbioru roślin. Konsekwencje ekonomiczne i organizacyjne mogą być bardzo poważne, jeżeli błędnie rozpoczęto uprawę na dużej powierzchni. Pewnym rozwiązaniem może być ręczne wycięcie co trzeciego rzędu. Warto zatem wcześniej pomyśleć, jak sadzić wierzbę, aby móc korzystać z tak zmechanizowanego sprzętu, który pojawia się na naszym rynku. W przystawce CRL do nachylania pędów zastosowano ślimak o zwojach przeciwnie nawiniętych, co ułatwia przesuwanie pędów ku środkowi zespołu. Przystawka CRL jest bardziej rozpowszechniona niż HS2, zwłaszcza na rynku amerykańskim. Prace nad przystosowaniem sieczkarń lub kosiarek do zbioru wierzby prowadzą również inne firmy. W 2006 roku Krone do swojej kosiarki Krone BIG X V8 zaoferowała przystawkę Woodcut 750, wyposażoną w dwie piły tarczowe o średnicy 750 mm każda, a w 2007 roku Woodcut 1500 z jedną piłą tarczową o średnicy 1500 mm (rys. 6.7). Inną maszyną stosowaną do zbioru wierzby jest Austoft 7700 (rys. 6.8), która w podstawowej wersji jest projektowana do zbioru trzciny cukrowej. Jej modyfikacja polegała na zastosowaniu pił tarczowych zamiast tarcz nożowych z 5 nożykami oraz usunięciu zespołu ścinającego zielone wierzchołki trzciny a b Rysunek 6.7. Samojezdna sieczkarnia Big X firmy Krone z przystawką firmy HTM: a – Woodcut 750, b – Woodcut 1500 Źródło: Fotografie Scholz, ATB. 95 Technologie zbioru roślin energetycznych Rysunek 6.8. Kombajn Austoft 7700 z gąsienicowym układem jezdnym Źródło: Opracowanie na podstawie: www.gtmachinerysales.com.au, Lavoie i in. 2007. cukrowej i przeprojektowaniu kanału wyrzutowego. Jest to maszyna samojezdna o masie około 12,5 t, wyposażona w gąsienicowy układ jezdny, co zmniejsza naciski na glebę. Zespół ścinający jest wyposażony w dwie piły tarczowe o średnicy 600 mm, które w miejscu styku zachodzą na siebie na szerokości 50 mm. Taki układ bezrzędowy pozwala na równoczesne ścinanie dwóch rzędów roślin o szerokości międzyrzędzia 0,75 m. Wysokość cięcia jest regulowana bezstopniowo przez operatora. Do rozdzielania i prowadzenia ściętych roślin służą dwa rozdzielacze aktywne, które kierują biomasę do dalszych zespołów roboczych maszyny. Wydajność zbioru wierzby z wykorzystaniem kombajnu Austoft 7700 jest podobna jak Claas Jaguar (Pellerin i in. 1999). W innych badaniach Spinelli i Kofman (1996) stwierdzili pewne problemy z blokowaniem ściętego materiału, nierównomierną wysokość ścinania, uszkodzenia karp i słabą jakość zrębków, która odnosiła się głównie do dużej nierównomierności rozkładu wymiarów cząstek. Ich średnie wymiary są znaczne większe niż zrębków, gdyż wynoszą 150–200 mm, co wymaga kolejnej operacji rozdrabniania, ale pozwala na ograniczenie kosztów przechowywania z uwagi na łatwiejszy przepływ naturalnego powietrza i mniejsze straty surowca. W Kanadzie (Lavoie i in. 2007) opracowano nieco inną koncepcję zbioru wierzby, z jednoczesnym ścinaniem roślin oraz rozdrabnianiem i zwijaniem materiału w bele w kształcie walca (rys. 6.9). Do wykonania prototypu maszyny ścinająco-prasującej z rozdrabniaczem bijakowym wykorzystano prasę do zbioru siana BR 740 firmy Case New Holland. Zespół tnący, składający się z ramy kosiarki tarczowej z czterema piłami tarczowymi, umieszczono z przodu maszyny zbierającej do cięcia łodyg. Rozdrabniacz bijakowy zainstalowany między prasą a zespołem ścinającym zastosowano w celu przygotowania ściętego materiału do lepszego i skuteczniejszego zagęszczania w komorze zwijającej. Prasa zwijająca ze zmienną komorą zwijania może formować zagęszczony rdzeń materiału o zróżnicowanej średnicy beli 0,90–1,50 m. Aby ciągnąć maszynę zbierającą w pozycji przesuniętej w sto96 Maszyny do zbioru wierzby sunku do kierunku ruchu ciągnika, oryginalny dyszel został wymieniony na dyszel z wahaczem (rys. 6.10a). Oryginalne wąskie pasy zamieniono na jeden pas o pełnej szerokości. Pas o pełnej szerokości pozwolił na zmniejszenie strat komorowych i ograniczył uszkodzenia, które pojawiały się podczas stosowania pasów wąskich. Rozdrabniacz o długości wirnika 1,5 m był wyposażony w 12 bijaków (rys. 6.10b). Prędkość kątowa wirnika wynosiła 230 s–1, a przeciwbieżny kierunek obrotów zapewniał wciąganie materiału przez bijaki nad wirnikiem. Regulowaną listwę Rysunek 6.9. Prototyp maszyny ścinająco-prasującej tnącą zainstalowano do nastaNew Holland z 4 piłami tarczowymi w modyfikacji kowiania wymiarów rozdrobniosiarki dolnonapędowej John Deere nych cząstek. Źródło: Lavoie i in. 2007. Zespół ścinający zamocowany przed rozdrabniaczem składał się z 4 modułów kosiarki tarczowej firmy John Deere, którą zmodyfikowano poprzez zainstalowanie 4 pił tarczowych o średnicy 560 mm. Moduły te wybrano z powodu ich małej grubości, która minimalizuje kąt pochylenia do 13° od poziomu. Wysokość krawędzi tnącej piły a b Rysunek 6.10. Rozwiązania funkcjonalne maszyny ścinająco-prasującej: a – możliwość usytuowania maszyny względem ciągnika, b – przekrój wzdłużny mechanizmu ścinającego i rozdrabniacza bijakowego Źródło: Lavoie i in. 2007. 97 Technologie zbioru roślin energetycznych była regulowana w zakresie 100–400 mm nad podłożem. W celu uzyskania stałej wysokości cięcia regulowano również położenie kół po każdej stronie mechanizmu ścinającego. Podczas prób w 2006 roku maszyny ścinająco-prasującej z ciągnikami o mocy 100–120 kW przy zbiorze wierzby o wilgotności 44–51% otrzymano bele o masie 283–623 kg i średnicy 0,9–1,5 m. Szerokość beli była stała i wynosiła 1,2 m. Gęstość materiału wilgotnego w beli zawierała się w zakresie 223– –288 kg·m–3, a w odniesieniu do suchej substancji – 111–167 kg·m–3. Wydajność ciągłego zbioru prototypowej maszyny wynosiła 6,1–9,7 t·h–1 ze średnią 7,9 t·h–1, a maksymalna wydajność prasowania 14,3 t·h–1 (Lavoie i in. 2007). Koszty całkowite materiałów i wykonania maszyny ścinająco-prasującej były wstępnie oszacowane na 42 800 $ (bez uwzględnienia robocizny), a łącznie z modyfikacją na 50 000 $ kanadyjskich. Zakładając, że koszty prototypu są co najmniej trzy razy większe od maszyny produkowanej seryjnie, wydaje się, że maszyna ścinająco-prasująca z rozdrabniaczem bijakowym może stanowić dobrą alternatywę do zbioru wierzby jednorocznej lub traw bądź bylin i będzie przedmiotem dalszej analizy modelowych technologii zbioru, gdyż proponowana technologia zbioru wierzby pozwala szybko i efektywnie zebrać plon z małych plantacji upraw. Prace badawczo-rozwojowe nad prototypem maszyny ścinająco-prasującej doprowadziły do opracowania i wykonania nowego modelu – Biobaler WB-55 (rys. 6.11). Maszyna waży 6070 kg i do jej napędu jest potrzebny ciągnik o mocy silnika co najmniej 133 kW, z czterema wyjściami zaworów przyłączeniowych hydrauliki zewnętrznej, a prędkość kątowa wału odbioru mocy ciągnika powinna wynosić 105 s–1. Maszyna opcjonalnie może być wyposażona w dwie piły tarczowe o średnicy 750 mm każda. Maszyna jest wyposażona w wirnik młotkowy o szerokości roboczej 2,2 m ze sztywno zainstalowanymi elementami roboczymi, który można również nazwać frezem walcowym, a najlepiej jego funkcje oddaje angielska nazwa – mulching header. Maszyną można zbierać różne rośliny, ale jej zasadniczym zastosowaniem jest ścinanie drzew lub krzewów o średnicy łodygi do 100 mm i wysokości do 8 m. Szerokość formowanej beli wynosi 1,2 m, a średnica przy stałej komorze prasującej ma również 1,2 m. Komora prasująca jest wyposażona w walce zagęszczające i przenośniki łańcuchowe do rolowania rozdrobnionego materiału. Owijanie beli odbywa się w taki sam sposób, jak w typowych prasach zwijających, najczęściej z wykorzystaniem siatki. Proces owijania jest realizowany na postoju, co wpływa na zmniejszenie wydajności operacyjnej zbioru. Ponieważ wirnik młotkowy frezuje łodygę, to uwzględniając jej włóknistą budowę, podczas ścinania dochodzi do rozrywania i rozszarpywania karpy, zwłaszcza w obszarze kory. Pozostawiona w takim stanie karpa będzie ulegać szybkim procesom gnilnym i dlatego maszyna z tego typu zespołem ścinającym nie może być zalecana na plantacje uprawowe. Nadaje się ona natomiast do ścinania 98 Maszyny do zbioru wierzby Rysunek 6.11. Maszyna ścinająco-prasująca z zespołem bijakowym Biobaler WB-55 firmy Anderson Group Źródło: Fotografie własne autorów. nieużytków lub dziko rosnących krzewów i drzew, gdyż jest specjalnie zaprojektowana do zbioru biomasy roślinnej i leśnej, rosnącej w trudnych warunkach terenowych. Na rysunku 6.12 przedstawiono porównawczo karpę po ścięciu wirnikiem młotkowym i piłą tarczową. Pozostałe modele maszyn, specjalnie projektowanych do zbioru wierzby, lub modyfikacje wykonane często przez samych użytkowników albo kończyły funkcjonowanie na próbach prototypu, albo są wykorzystywane w ograniczonym zakresie, bez ich upowszechnienia. Do przykładowych prototypów można zaliczyć a b Rysunek 6.12. Widok karpy po ścięciu pnia: a – wirnikiem młotkowym (frezem walcowym), b – piłą tarczową Źródło: Fotografia firmowa i własna autorów. 99 Technologie zbioru roślin energetycznych Rysunek 6.13. Fröebbesta, Bo Franzen Źródło: Fotografia Scholz, ATB. samojezdną maszynę Empire 2000 (rys. 6.4), Fröebbesta (rys. 6.13), Nicholson, Dansalix, Berni, Hvidsted (tab. 6.1, Lechasseur i Savoie 2005), a z nowszych – przyczepiane sieczkarnie 1- i 2-rzędową Anbau-Mähhacker (rys. 6.14), przystawki do samojezdnej sieczkarni Big X firmy Krone (rys. 6.7). Podobne działania można zaobserwować na polskim rynku maszyn do zbioru wierzby. Występuje zatem charakterystyczna, początkowa faza rozwoju tych maszyn. Poza wcześniej wymienionymi narzędziami ręcznymi, do zbioru wierzby są stosowane maszyny adaptowane, przystosowane przez użytkowników, konstrukcje własne, a także są dostępne maszyny proste wykonane przez małe firmy. Do zbioru wierzby stosuje się zatem kosiarki listwowe ciągnikowe, polowe sieczkarnie bijakowe lub nożowe, kosiarki z piłami tarczowymi (rys. 6.15), kosiarko-rębarki, wiązałki (rys. 6.16). Wykonane przez samych użytkowników lub małe firmy maszyny są tanie, cechują się bardzo prostą konstrukcją, ale nie spełniają nawet Rysunek 6.14. Sieczkarnia Anbau-Mähhacker: najmniejszych wymagań bezpieczeńa – zawieszana 1-rzędowa, b – półzawieszana 2-rzędowa stwa i z tego względu nie mogą być Źródło: Fotografie Scholz, ATB. polecane do zbioru roślin. 100 Maszyny do zbioru wierzby Rysunek 6.15. Kosiarka do wierzby Źródło: www.ze.strefa.pl Rysunek 6.16. Prototyp podcinacza jednorzędowego z urządzeniem wiążącym Źródło: Fotografia firmowa JAMIR, Łańsk, Pasyniuk 2007. Do profesjonalnie wykonanych prototypów maszyn do zbioru wierzby można obecnie zaliczyć trzy modele. W 2008 roku pracownicy PIMR w Poznaniu opracowali i skonstruowali maszynę do koszenia i automatycznego wiązania wikliny plecionkarskiej (rys. 6.17) oraz kosiarkę przyczepianą KWE-7 (rys. 6.18), pracującą na tej samej zasadzie jak model Stemster III firmy Nordic Biomass. W 2009 roku, na podstawie koncepcji pracowników Katedry Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW w Warszawie (Lisowski 2009b), firma SIPMA SA opracowała dokumentację techniczną i wykonała prototyp sieczkarni zawieszanej (rys. 6.19). Rysunek 6.17. Prototyp wiązałki wykonany w Zakładzie Mechanicznym Wikoma w Zbąszyniu (projekt PIMR) Źródło: Fotografia F. Adamczyk. 101 Technologie zbioru roślin energetycznych Rysunek 6.18. Prototyp przyczepianej kosiarki KWE7 firmy „Metaltech” Sp. z o.o. (projekt PIMR) Źródło: Fotografie autorów. 102 Maszyna do koszenia i automatycznego wiązania wikliny plecionkarskiej (rys. 6.17) jest przyczepiana do ciągnika, zastosowano w niej nożycowy zespół tnący typu Pro Driver 85 VG KRS 12 firmy Schumacher o szerokości roboczej 1,2 m (Adamczyk i Frąckowiak 2009). Ścięte łodygi są zabierane zespołem podającym, zbudowanym z czterech kolumn z zamontowanymi w dwu poziomach pofalowanymi pasami parciano-gumowymi i podawane do zespołu wiążącego. W skład zespołu wchodzą dwa aparaty wiążące, które wiążą pęczek łodyg na wysokości 275 i 750 mm od płyty podłogowej, co zapewnia zwartość i trwałość wiązki. Uformowane wiązki są zabierane przez taśmowy przenośnik transportujący i układane na powierzchni pola w odległości pozwalającej na swobodny, kolejny przejazd agregatu ciągnikmaszyna. Kosiarka wierzby energetycznej KWE-7, wykonana przez Zakład Mechaniczny „Metaltech” Sp. z o.o. w Mirosławcu, jest przeznaczona do ścinania całych pędów wierzby energetycznej i układania odciętych łodyg na skrzyni maszyny. Do ścinania pędów roślin na wysokości około 150 mm nad podłożem są stosowane dwie piły tarczowe. Odcięte łodygi są zabierane dwoma przenośnikami ustawionymi w kształcie litery V, które pełnią również rolę rozdzielaczy. Maszyny do zbioru wierzby a b c d Rysunek 6.19. Prototyp sieczkarni półzawieszanej z przystawką wyposażoną w 2 piły tarczowe firmy SIPMA SA (koncepcja autorska, realizacja w ramach projektu): a – przystawka z zabierakami palcowymi, b – przystawka z zabierakami ślimakowymi, c – widok maszyny z tyłu w położeniu roboczym, d – widok maszyny w położeniu transportowym Źródło: Fotografie autorów. 103 Technologie zbioru roślin energetycznych Zgromadzone w środkowym obszarze rozdzielacza łodygi są transportowane kolejną parą przenośników zabierakowych na skrzynię ładunkową, wyposażoną w specjalny układ przenośników łańcuchowych. Przenośniki łańcuchowe, przesuwające się prostopadle do kierunku ruchu maszyny, zagęszczają ścięte łodygi w obszarze lewego boku skrzyni. Po napełnieniu skrzyni jej zawartość może być rozładowana w dowolnym miejscu pola lub na podstawioną przyczepę. Następuje to po odchyleniu lewej ściany skrzyni siłownikami hydraulicznymi oraz uruchomieniu przenośnika łańcuchowego z zabierakami w kształcie trójkątów. Maszyna o masie 8430 kg ma wytrzymałą konstrukcję, wspartą na układzie tandem, ale wymaga ciągnika o mocy co najmniej 105 kW. Zespoły robocze maszyny są sterowane przez autonomiczny układu hydrauliczny, którego pompa jest napędzana od WOM ciągnika z prędkością kątową 105 s–1. Funkcjonowanie mechanizmów i zespołów roboczych jest kontrolowane przez układ elektroniczny, a sterowanie odbywa się z kabiny operatora ciągnika. Maksymalna średnica zbieranych pędów wierzby może wynosić 70 mm, a wysokość 7 m. Długość skrzyni wynosi 4,5 m, pojemność 18 m3, a ładowność około 7 t. Sieczkarnia ciągnikowa (rys. 6.19), wykonana w ramach niniejszego projektu, została zaprojektowana po przeprowadzeniu szczegółowej analizy maszyn specjalnie konstruowanych do zbioru roślin energetycznych lub maszyn zmodyfikowanych, których pierwotnym przeznaczeniem był zbiór roślin wysokołodygowych. Wnioski z tej analizy oraz założenia przyjęte przez autorów (Lisowski i in. 2007, Nowakowski i in. 2008) stanowiły podstawę do zaprojektowania własnej konstrukcji maszyny, na którą złożono zastrzeżenie patentowe P 385 536 (Lisowski i in. 2009c, 2010c). Zadanie wykonano przy wspomaganiu komputerowym, korzystając z programu SolidEdge. Umożliwiło to analizę przestrzenną kinematyki oraz dynamiczną elementów i zespołów roboczych już w fazie projektowania (rys. 6.20). Cała dokumentacja i analiza rozwiązań konstrukcyjnych oraz szczegółowe wyniki badań są zawarte w raportach cząstkowych (Dołżycki i in. 2008, Kasperek i in. 2008, Cichoń i in. 2009, Lisowski i in. 2007, 2009a, 2010e, 2010f, 2010g). Do położenia transportowego maszyna jest składana za ciągnik, aby zmniejszyć szerokość i spełnić wymagania przepisów ruchu drogowego. W tym położeniu maszyna jest zawieszana na TUZ ciągnika. W położeniu roboczym część maszyny spoczywa na zewnętrznym kole jezdnym, a drugie z kół jest podniesione, aby uniknąć przesztywnienia układu. Na części ramy zamocowanej do ciągnika umieszczono zbiornik z olejem hydraulicznym, przekładnię kątową przekazującą napęd z WOM ciągnika na bęben z nożami i na pompę hydrauliczną zasilającą przez rozdzielacz elektrohydrauliczny silniki i siłowniki hydrauliczne. W drugiej części ramy, wspartej na kołach, znajduje się bęben z nożami stanowiący wraz ze stalnicą zespół tnący. Pocięte łodygi są kierowane przez kanał wyrzutowy do skrzyni środka transportowego. Kierunek wyrzutu materiału ustala się przez obrót kanału wyrzutowego 104 a b Rysunek 6.20. Rozkład obciążeń, deformacji i naprężeń w ramie przystawki ścinającej: a – zamocowanie ramy i obciążenia, b – deformacje całkowite, c – naprężenia zredukowane Źródło: Opracowanie własne autorów. c 105 Technologie zbioru roślin energetycznych za pomocą silnika hydraulicznego, a jego zasięg – przez odpowiednie pochylenie kierownicy zainstalowanej na końcu kanału. Podawany do cięcia materiał jest zagęszczany i utrzymywany podczas cięcia przez zębate walce wciągająco-zagęszczające. Zagęszczanie materiału uzyskuje się przez docisk wahliwie zamocowanej górnej pary walców zębatych i sprężyn śrubowych do dolnych dwóch walców zębatych i trzeciego gładkiego. Siłę docisku reguluje się przez zmianę napięcia wstępnego sprężyn. Do korpusu zespołu walców są przegubowo zawieszone wymienne przystawki ścinające. Przystawki są odciążane sprężyną śrubową o regulowanym napięciu wstępnym. Wysokość ścinania roślin jest regulowania bezstopniowo dwoma symetrycznie rozmieszczonymi pod zespołem siłownikami nurnikowymi. Kluczowym rozwiązaniem konstrukcyjnym maszyny jest przystawka ścinająca z zespołami zabierającym i podnosząco-podającym. Zaprojektowano ją w dwóch wersjach (rys. 6.21). W jednym z rozwiązań w zespole podającym zastosowano obrotowe zabieraki palcowe (rys. 6.21a), a w drugim pionowe walce ślimakowe (rys. 6.21b). W obu przypadkach do napędu pił tarczowych i walców z zabierakami palcowymi lub zwojami ślimaków zastosowano silniki hydrauliczne (rys. 6.22). Wały pił tarczowych są napędzane szybkoobrotowymi silnikami hydraulicznymi o maksymalnej prędkości kątowej około 400 s–1, co przy średnicy tarczy 0,50 m pozwala na uzyskanie prędkości obwodowej cięcia ponad 100 m·s–1. Walce z elementami zabierakowymi są napędzane wolnoobrotowymi silnikami hydraulicznymi przez przekładnie zębate zmniejszające prędkość kątowej do 4 s–1. Przy średnicy zewnętrznej zabieraków 0,5 m końcówki palców osiągają prędkość obwodową 1 m·s–1. Stosunek prędkości obwodowych zabierania materiału do ścinania roślin jest bardzo duży i wynosi 1:100. Takie parametry prędkości obwodowych Rysunek 6.21. Przystawki ścinające: a – z zabieramożna uzyskać przy nominalnych kami palcowymi, b – z walcami spiralnymi prędkościach kątowych silników Źródło: Opracowanie własne autorów. 106 Maszyny do zbioru wierzby hydraulicznych. Ponieważ prędkość jazdy agregatu ciągnik-maszyna może być zmieniana w zależności od warunków polowych, przeto zastosowanie silnika hydraulicznego, sterowanego rozdzielaczem elektrohydraulicznym, pozwoli na dobranie optymalnej prędkości kątowej tak, aby prędkość obwodowa była większa od prędkości ruchu ciągnika. Nadwyżka tej prędkości w zakresie 10–30%, określana współczynnikiem kinematycznym, powinna zapewnić prawidłowe zabieranie ściętych pędów roślin. Zastosowanie elementu nachylającego, sterowanego hydraulicznie, pozwoli na ścinanie roślin przez piły tarczowe w chwili, gdy będą one zgięte. Nagromadzona w nachylonej łodydze energia będzie wykorzystana po jej ścięciu do skierowania części odziomkowej pędu do kolejnego zespołu walców wciągającozagęszczających. Pozostałe zespoły robocze maszyny są podobne do tych, jakie spotyka się w sieczkarniach do zbioru roślin nisko- i wysokołodygowych na kiszonkę. Przyjęto, że maszyna będzie wyposażona w zespół bezrzędowy, z możliwością regulacji rozstawu rozdzielaczy tak, aby możliwe było ścinanie pojedynczych rzędów o spotykanej w Polsce szerokości międzyrzędzi 0,7–0,8 m (Nowakowski i in. 2008) lub rzędów bliźniaczych o rozstawie 0,75 m. Prędkość ruchu agregatu ciągnik-maszyna będzie uzależniona od warunków polowych, ale maksymalna nie przekroczy zalecanej 8 km·h–1 (Lechasseur i Savoir 2005). Wysokość cięcia roślin 100 mm nad powierzchnią gruntu odpowiada zakresowi spotykanemu w dotychczasowych rozwiązaniach (50–100 mm, Szczukowski i in. 2006). Maszyna bazowa jest wyposażona w bębnowy zespół rozdrabniający, pozwalający na cięcie łodyg Rysunek 6.22. Napęd piły tarczowej bezpośrednio szybkoobrotowym silnikiem hydraulicznym oraz o średnicy do 70 mm na zrębki zabieraków palcowych wolnoobrotowym silnikiem o wymiarze 20–60 mm (wg normy hydraulicznym za pośrednictwem reduktora PN-91/D-95009). Źródło: Opracowanie własne autorów. 107 Technologie zbioru roślin energetycznych Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że całkowita moc pobierana z WOM ciągnika przez maszynę na biegu jałowym wynosił około 19,14 kW. Największe zapotrzebowanie na moc przypada na piły tarczowe (9,93 kW) i pompę hydrauliczną (4,48 kW), co stanowi odpowiednio 52 i 24% całkowitej mocy biegu jałowego. Moc do napędu zespołów walców wciągającozagęszczających, zabieraków palcowych, bębna rozdrabniającego i rozdzielaczy aktywnych wynosi odpowiednio 1,35, 1,24, 1,11 i 1,03 kW. Podczas rozdrabniania miskanta olbrzymiego średnie całkowite zapotrzebowanie mocy do napędu prototypu sieczkarni, zmierzone na WOM ciągnika, wynosiło od 31,5 do 36,9 kW. Na moc efektywną przypadało 12,4–17,8 kW, z czego zapotrzebowanie na rozdrabnianie materiału przez bęben tnący wyniosło 47% tej mocy, ścinanie łodyg piłami tarczowymi – 18%, zabieranie ściętych łodyg zabierakami palcowymi i ich zagęszczanie między walcami – 20%. Podczas zbioru wierzby stosuje się dość małe prędkości jazdy, które wpływają na wydajność oraz z uwagi na dyspozycyjny czas w sezonie docelowo decydują o możliwościach doboru maszyn i technologii do powierzchni plantacji. Na podstawie uzyskanych wyników badań Spinelli (2001) oszacował prędkości jazdy stosowane podczas zbioru wierzby o gęstości 3,9 kg·m–1. Kombajn Claas z przystawką CRL pracował ze średnią prędkością 1,16 m·s–1, a z przystawką HS1 – 1,51 m·s–1, przy dość znacznym rozrzucie 0,83–2,22 m·s–1. Kombajny Austoft i Bender MkIII pracowały przy podobnych prędkościami jazdy, odpowiednio 1,02 i 1,03 m·s–1. Na podstawie przeprowadzonej analizy rozwiązań technicznych maszyn i technologii zestawiono parametry robocze i wskazano minimalną powierzchnię do zbioru wierzby energetycznej w cyklu 3–5-letnim lub innych roślin krótkiej rotacji o podobnych wymiarach (tab. 6.2). Tabela 6.2. Minimalna powierzchnia wykorzystania maszyn i narzędzi do zbioru drzew w krótkiej rotacji, np. wierzby wiciowej Maszyny i urządzenia do uprawy, zbioru i obróbki roślin energetycznych Wykaszarki spalinowe, pilarki łańcuchowe Kosiarki z piłą tarczową Sieczkarnie do kukurydzy, ciągnikowe Sieczkarnie samojezdne z przystawkami do wierzby Parametry robocze (liczba rzędów, wydajność) 0,1–0,15 ha·h–1 1-rzędowe 2-rzędowe 0,35–0,60 ha·h–1 0,45–0,75 ha·h–1 Maszyny ciągnikowe do zbioru wierzby Przyczepy objętościowe do transportu zrębków Źródło: Opracowanie własne na podstawie: (Muzalewski 2008). 108 Moc ciągnika/ /silnika, kW 2–3 25–40 40–50 90 250 350 90 120 Minimalna powierzchnia wykorzystania WRN, ha·rok–1 1 1 3 5 70 100 35 50 5 Maszyny do zbioru wierzby W tabeli 6.3 zestawiono parametry techniczne maszyn do zbioru roślin wierzby wraz z ich rozdrabnianiem, a w tabeli 6.4 parametry techniczne do zbioru całych pędów wierzby. Tabela 6.3. Dane techniczne maszyn do zbioru wierzby w postaci zrębków Typ przystawki Producent Rozwój Masa, kg Baza maszyny HS2 Woodcut 750 1-rzędowa Mähhacker 2-rzędowa Mähhacker 7700 Bezrzędowa Claas KG Uni GötSchmidt HTM GmbH mbH tingen ATB GehölzmähAustoft Soltau Harsewinkel Potsdam häcksler mała seria prototyp prototyp prototyp seryjny 1300 2000 1200 2300 – Claas-Häck- Krone-Häckciągnik ciągnik samojezdna sler Jaguar sler BIG X 245 360 80 133 176–250 10 800 13 500 4 000 12 500 2 2 1 2 2 Moc, kW Masa bazy, kg Liczba pił Średnica piły, 500 650 mm Prędkość kątowa piły, s–1 Rozstaw rzędów, 0,75 + ≥ 1,5 0,75 + ≥ 1,5 m Średnica łodygi, < 70 < 70 mm Średni wymiar 5–40 5–30 zrębków (x50), mm Wydajność ≤ 35 ≤ 35 efektywna, t∙h–1 Wydajność 0,4–2,2 0,4–2,2 efektywna, ha∙h–1 Cena, € 100 000 – 500 SIPMA SA prototyp 2230 ciągnik 118 5 000 2 560 560 500/650 105 105 ≥ 0,9 – 0,75 + ≥ 1,4 0,75 < 120 < 120 < 70 < 70 50–100 50–100 20–60 20–60 ≤ 15 – 10–25 ≤ 35 0,2–1,0 – 0,25–0,62 0,2–0,4 30 000 – 175 000 – 400 Źródło: www.smul.sachsen.de, Lisowski i in. 2010h. Tabela 6.4. Dane techniczne i eksploatacyjne maszyn do zbioru całych pędów wierzby Fröbbesta 92 ESM 901 Seegerslätt Empire 2000 Producent Bo Franzen, Kolsa/ /Szwecja Tommy Ericsson, Heby/ /Szwecja Sten Seegerslätt, Billeberga/ /Szwecja Masa, kg 3 100 7 300 9 800 Typ Baza maszyny ciągnik Moc, kW Ładowność skrzyni, kg 80 Liczba pił 2 samojezdna samojezdna 74 2 140 2 KosiarkoKWE-7 TJ 720 wiązałka Zakład MeZakłady chaniczny Mechaniczne Timberjack/ Wikoma „METAL/Finlandia w ZbąszyTECH” Sp. niu/Polska z o.o./Polska 1 450 8 430 340 harwester ciągnik ciągnik grupujący 35 105 61 – 7000 – nożycowo-palcowy 2 – 109 Technologie zbioru roślin energetycznych cd tabeli 6.4 Typ Średnica piły, mm Rozstaw rzędów, m Średnica łodygi, mm Plon, t∙ha–1 Prędkość jazdy, km∙h–1 Wydajność efektywna, t∙h–1 Wydajność efektywna, ha∙h–1 Koszt zbioru, €∙t–1 Cena, € Fröbbesta 92 ESM 901 Seegerslätt Empire 2000 Kosiarkowiązałka 650 600 750 – 0,75 + ≥ 1,5 0,75 + ≥ 1,25 0,75 + ≥ 1,25 KWE-7 TJ 720 – 1,2 m – szerokość robocza 0,75–1,0 – < 80 < 80 < 80 – < 70 < 200 44,2 59,9 46 – – – 2,8 2,5 8,9 3–5 – – 20 31,5 26 – – 3–4 0,45 0,35 0,77 0,5 0,3 0,07–0,1 7 50 000 10 21 000 – 134 000 – – – 100 000 – 27 000 Źródło: www.smul.sachsen.de, www.metaltech.com.pl, Lisowski i in. 2010h. Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań 1. Przeanalizowano stan rozwoju techniki z zakresu konstrukcji maszyn do zbioru wierzby i scharakteryzowano rozwiązania techniczne maszyn przeznaczonych do zbioru wierzby na zrębki i w formie całych pędów. 2. Opracowano szczegółowe założenia techniczne, dokumentację konstrukcyjną i wykonano sieczkarnię wraz z przystawkami ścinającymi, spełniającą założenia wstępne. 3. Maszyna ma konstrukcję modułową, a w bezrzędowej przystawce ścinającej zastosowano tarczowy mechanizm ścinający z piłami oraz zamiennie palcowy i ślimakowy zespół zabierający. 4. Alternatywne rozwiązania przystawki ścinającej oraz możliwość zmiany parametrów roboczych zespołów roboczych maszyny pozwalają na ich ocenę oraz dostosowanie do różnych warunków zbioru. 5. Główne zespoły robocze maszyny posiadają napęd hydrostatyczny zasilany z autonomicznego obwodu, co pozwoli na empiryczne określenie najlepszych układów pracy. 110 7. ZBIÓR TRAW I BYLIN Trawy i byliny można zbierać tymi samymi technikami, co rośliny zielone, z wykorzystaniem standardowych maszyn (rys. 7.1). Zbiór roślin może być przeprowadzony kosiarkami rotacyjnymi lub sieczkarniami polowymi (ciągnikowymi lub samojezdnymi). Sieczkarnie polowe, zwłaszcza te z zespołami bezrzędowymi Kemper lub Krone, są obecnie stosowane najczęściej. Rośliny te można również zbierać co roku kombajnami do zbioru kukurydzy. Ścięte kosiarkami rotacyjnymi, dolnonapędowymi rośliny, po zgrabieniu w wały mogą być zbierane prasami zwijającymi lub tłokowymi wielkogabarytowymi. Zespoły ścinające maszyn zbierających powinny być ustawione na najmniejszej możliwej wysokości koszenia, aby uniknąć strat. Niektóre maszyny firm Claas i Deutz-Fahr są specjalnie adaptowane do ścinania roślin i ich wiązania. Trawy lub byliny Koszenie kosiarką rotacyjną Zbiór sieczkarnią polową Przetrząsanie Zgrabianie Prasowanie Zaáadunek i transport bel Transport sieczki Skáadowanie bel Skáadowanie w silosie i fermentacja anaerobowa Odwadnianie Zaáadunek i transport Rozdrabnianie sáomy Dodatkowe suszenie Przetwarzanie Rysunek 7.1. Technologie zbioru traw (proso rózgowate, spartina preriowa, mozga trzcinowata, palczatka Gerarda) lub bylin (ślazowiec pensylwański, słonecznik bulwiasty) Źródło: Opracowanie własne autorów. 111 Technologie zbioru roślin energetycznych Aby zwiększyć efekty ekonomiczne, ścinanie roślin, prasowanie i logistyka muszą być jednak wciąż udoskonalane. Straty materiału podczas zbioru roślin mogą osiągnąć 50–60% (mozga trzcinowata) ze względu na małą gęstość właściwą, zwłaszcza wówczas, gdy materiał jest rozdrobniony na sieczkę. Z powodu małej gęstości właściwej transport materiału z niektórych roślin jest ekonomicznie uzasadniony tylko na małą odległość, mniejszą niż 40–80 km, w zależności od rodzaju środka transportowego. Bele prostopadłościenne mają bardziej optymalny kształt niż okrągłe i bardziej nadają się do transportu na większe odległości. Uwzględniając wymagania odbiorów ze strony energetyki lokalnej i zawodowej, do zbioru roślin trawiastych o małej zawartości wilgoci, np. miskanta, zaproponowano innowacyjne rozwiązania polegające na ścinaniu roślin z pnia i od razu prasowaniu materiału za pomocą prasy wielkogabarytowej. Rośliny mogą być ścinane zawieszoną na przednim TUZ ciągnika kosiarką z zespołem Kemper, układane na pokosie między kołami kół ciągnika i podbierane zespołem prasy wielkogabarytowej (rys. 7.2a). Jeszcze lepszym rozwiązaniem jest ścinanie roślin zawieszaną na przednim TUZ ciągnika sieczkarnią z zespołem Kemper i skierowanie sieczki przez ciągnik do zasobnika zmodyfikowanej prasy wielkogabarytowej (rys. 7.2b). Na podstawie dotychczasowych doświadczeń opracowano technologie zbioru roślin miskanta, z wykorzystaniem głównych maszyn do ich ścinania i zbioru ściętego materiału (rys. 7.3). Wszystkie techniki zbioru miskanta mogą być stosowane wiosną przy mniejszej wilgotności (około 20%), ale jesienią nie zaleca się stosowania zbioru bezpośredniego i jednoczeRysunek 7.2. Ścinanie roślin miskanta z jednoczesnym prasowaniem: a – ścinanie roślin kosiarką Kemper na snego prasowania ze względu pokos i jego podbieranie prasą wielkogabarytową firmy na wilgotność materiału dochoKrone, b – ścinanie i rozdrabnianie roślin sieczkarnią dzącą do 50–60% (Kristensen z zespołem Kemper i prasowanie sieczki zmodyfikowa2003). Jesienią można zbierać ną prasą wielkogabarytową firmy Claas Źródło: www.agrarweb.at rośliny dwufazowo, z wykorzy112 Zbiór traw i bylin Miskant Koszenie kosiarką rotacyjną Koszenie kosiarką i prasowanie Koszenie sieczkarnią i prasowanie Zbiór sieczkarnią polową Suszenie na polu Zbiór sieczkarnią polową Zbiór prasą zwijającą lub wielkogabarytową Transport sieczki Zaáadunek i transport bel Zaáadunek i transport bel Transport sieczki Skáadowanie sieczki Skáadowanie bel Skáadowanie bel Skáadowanie (z wentylacją wymuszoną) ZagĊszczanie stacjonarne Zaáadunek i transport bel do zakáadu Zaáadunek i transport bel do zakáadu Rozdrabnianie stacjonarne Zaáadunek i transport bel do zakáadu Zaáadunek i transport sieczki do zakáadu Przetwarzanie Rysunek 7.3. Technologie zbioru miskanta (mogą być zastosowane do zbioru innych roślin trawiastych) Źródło: Opracowanie własne autorów. staniem kosiarek, najlepiej wyposażonych w zgniatacz pokosu, gdyż zniszczona struktura twardych łodyg miskanta łatwiej poddaje się deformacjom podczas późniejszego zbioru podbieraczem prasy lub sieczkarni. Wydajność koszenia miskanta jest mniejsza niż trawy lub innych roślin niskołodygowych, a prędkość robocza nie przekracza 9 km∙h–1. Zastosowanie sieczkarni samojezdnej lub przyczepianej do bezpośredniego zbioru pozwala na zwiększenie wydajności zbioru z uwagi na mniejszą liczbę operacji, ale o wydajności decydują również wilgotność i stopień rozdrobnienia (tab. 7.1). Przy drobniejszej sieczce uzyskuje się mniejszą wydajność i zwiększają się nakłady energetyczne na zbiór, dlatego stopień rozdrobnienia powinien być podporządkowany docelowym wymaganiom surowca. Wilgotniejszy materiał poddaje się łatwiej deformacjom i osiągana wydajność podczas zbioru w okresie jesiennym jest większa niż wiosną, ale taki materiał wymaga dodatkowego suszenia lub co najmniej wymuszonego przewietrzania zimnym powietrzem, co zwiększa koszty całkowite produkcji surowca. Jedną z korzyści zbioru miskanta za pomocą sieczkarń dokładnego cięcia jest uzyskanie materiału gotowego do dalszego przetwarzania, ale z uwagi małą jego gęstość (80 kgs.m.∙m–3) transport sieczki powinien się odbywać na krótkich dystansach. Jeśli przewiduje się transportować surowy materiał na duże odległości (powyżej 80 km), to do zbioru lepiej zastosować prasy wielkogabarytowe, 113 Technologie zbioru roślin energetycznych Tabela 7.1. Zbiór miskanta sieczkarniami dokładnego cięcia Parametry Kverneland Claas Jaguar 690 Ten-X z podbiera- z podbieraczem2) czem1) Czas zbioru wiosna (zbiór opóźniony) Długość cięcia, mm Wilgotność roślin, % Plon, t∙ha–1 Wydajność, t∙h–1 Wydajność, ts.m.∙h–1 1) sieczkarnia przyczepiana, 14 15,0 10,5 9,7 8,2 2) 12 12,2 14,9 12,1 10,6 Claas Jaguar 820 z zespołem do kukurydzy2) Kverneland Ten-X z podbieraczem1) zima (grudzień) sieczka krótka sieczka długa 14 34 51,2 50,7 31,2 23,3 20,2 29,8 9,9 14,7 4 56,0 16,3 21,9 9,6 sieczkarnia samojezdna Źródło: Kristensen 2003. które mogą być wykorzystane jako samodzielne maszyny lub w połączeniu z sieczkarniami. Przy średniej masie beli około 600 kg gęstość materiału zawiera się w zakresie 140–170 kg∙m–3. Zbiór miskanta za pomocą prasy wielkogabarytowej pozwala również na osiągnięcie nieco większych wydajności niż sieczkarnią (tab. 7.2). Tabela 7.2. Zbiór miskanta wiosną za pomocą różnych pras wielkogabarytowych Parametry Wilgotność roślin, % Plon, t∙ha–1 Masa beli, kg Zapotrzebowanie na moc na WOM, kW Wydajność, t∙h–1 Wydajność, ts.m.∙h–1 Hesston 4800 New Holland 4990 22,3 13,2 630 14,1 10,7 560 Hesston 4800 z rozdrabniaczem F200 Ferri 13,3 10,0 590 20,6 – 53,7 16,8 13,1 15,9 13,7 14,7 12,7 Źródło: Kristensen 2003. Podobnie jak dla drzew i krzewów krótkiej rotacji, zestawiono parametry robocze maszyn i wyznaczono minimalne powierzchnie do zbioru traw i bylin (tab. 7.3). Z przeprowadzonej analizy stanu wiedzy o technologiach i maszynach wykorzystywanych do zbioru roślin energetycznych wynika, że są stosowane różne rozwiązania i zapoczątkowany w latach 90. XX wieku boom uprawy roślin energetycznych w krajach skandynawskich objął również Polskę. Ponadto, mimo wielu opracowań i analiz, ciągle nierozstrzygnięte są wątpliwości dotyczące ekonomicznej opłacalności uprawy roślin energetycznych i brak jest wskazań optymalnych warunków ich uprawy, zbioru oraz przetwarzania biomasy. Najczęściej przytaczane są wyniki przykładowych eksperymentów naturalnych, 114 Zbiór traw i bylin Tabela 7.3. Minimalna powierzchnia wykorzystania maszyn do zbioru traw lub bylin Maszyny i urządzenia do uprawy, zbioru i obróbki roślin energetycznych Parametry robocze (liczba rzędów, wydajność) Moc ciągnika/ /silnika, kW 1-rzędowe 2-rzędowe 45–50 40–50 75–90 40–50 90 150 250 300 Kosiarki rotacyjne ze spulchniaczem pokosu Prasy zwijające Prasy tłokowe wielkogabarytowe Sieczkarnie do kukurydzy, ciągnikowe Sieczkarnie samojezdne Przyczepy objętościowe Minimalna powierzchnia wykorzystania WRN, ha·rok–1 2 20 40 5 10 50 90 100 5 Źródło: Opracowanie własne na podstawie: (Muzalewski 2008). a brak jest zwłaszcza opracowań modelowych. Jako przykład podejścia modelowego do analizy zbioru roślin energetycznych można podać doświadczenia Sokhansanja i Fentona (2006). Do obliczenia kosztów zbioru i transportu biomasy zastosowali oni model matematyczny IBSAL – Integrated Biomass Supply Analysis and Logistics opracowany przez Sokhansanja (2006). Model IBSAL zawiera różne algorytmy obejmujące zbiór, przetwarzanie, mielenie, przechowywanie i transport. Dane wejściowe modelu zawierają: informacje o lokalnej pogodzie, średnim plonie netto biomasy, terminie zbioru, stratach suchej substancji, wilgotności roślin, czasie zbioru, parametrach eksploatacyjnych wyposażenia, kosztach maszyn. Z tego powodu sformułowano zadanie badawcze polegające na opracowaniu modelu matematycznego, algorytmu obliczeń i przeprowadzeniu kompleksowych badań symulacyjnych i analiz, które pozwolą na dobór najkorzystniejszej technologii zbioru roślin energetycznych. Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań 1. Opracowano szczegółowe technologie zbioru traw i bylin przeznaczonych na cele energetyczne, stwierdzając, że dominują podobne techniki zbioru, jakie stosuje się do zbioru roślin nisko- i wysokołodygowych, z wykorzystaniem standardowych maszyn. 2. Stwierdzono, że w maszynach wprowadza się rozwiązania usprawniające, podporządkowane wymaganiom zbieranego surowca przeznaczonego na cele energetyczne. 3. Doskonalenie maszyn i innowacyjne agregaty do zbioru miskanta przy małej wilgotności mogą stać się dalszą inspiracją do opracowania nowych rozwiązań technicznych i technologii zbioru traw i bylin. 115 8. MODELOWE TECHNOLOGIE ZBIORU WIERZBY Technologia zbioru roślin energetycznych może być traktowana jako złożony system empiryczny. System ten, realizowany przez maszyny i agregaty ciągnikowe zestawione z ciągnika i maszyny zbierającej, ciągnika i środka ładującego, ciągnika i przyczepy transportowej, odwzorowano za pomocą modelu tego systemu (Pabis 2009). Technologia zbioru roślin na cele energetyczne stanowi całokształt działań zmierzających do realizacji procesu za pomocą rozmaitych zestawów maszynowych zapewniających uzyskanie dobrej jakości produktu końcowego przy zróżnicowanych nakładach, których znajomość pozwoli na właściwy wybór technologii do konkretnych warunków produkcyjnych. Jako główne elementy systemu przyjęto (rys. 8.1): ciągnik (C), maszynę (M), przyczepę (P), urządzenie ładujące lub rozładowujące (L), pole (F), drogę (D) oraz miejsce składowania (S). Przedstawienie struktury systemu empirycznego w formie relacji logicznomatematycznych na elementach będących abstrakcyjnymi odpowiednikami obiektów rzeczywistych, ze względu na postawiony cel, stanowi podstawowy etap modelowania złożonych systemów. Utworzenie grafu odzwierciedlającego relacje (rys. 8.1) ułatwia opracowanie modelu symulacyjnego, wykorzystywanego do obliczeń. Rysunek 8.1. Schemat relacji zachodzących między obiektami systemu empirycznego: C – ciągnik, M – maszyna, P – przyczepa, L – urządzenie ładujące lub rozładowujące, F – pole, D – droga, S – miejsce składowania Źródło: Opracowanie własne autorów. 116 Modelowe technologie zbioru wierzby 8.1. Założenia do modelu Dla uzyskania wyników liczbowych z modelu konieczne jest opracowanie, na podstawie modelu relacyjnego, modelu operacyjnego. Zbudowanie takiego modelu, możliwie dokładnie odwzorowującego pracę agregatów maszynowych i transportowych w różnych warunkach eksploatacyjnych, wymagało ustalenia wielu zależności matematycznych, opisujących relacje zachodzące między elementami modelu i między cechami tych samych elementów. Opracowano brakujące relacje między zmiennymi na podstawie zbudowanej bazy danych lub wyprowadzono z uwzględnieniem zjawisk zachodzących w poszczególnych zespołach roboczych maszyn. Szczegółowe analizy i wyniki badań przedstawiono w raportach cząstkowych (Lisowski i in. 2008a, 2008b, 2009g, 2009h, 2010h, 2010i, 2010k). Proponowane podejście pozwala na zestawienie agregatów maszynowych i transportowych oraz określenie wskaźników eksploatacyjnych ich pracy w różnych stanach, w których znajdują się elementy modelu stanowiące agregat maszynowy. Elementy główne modelu opisano za pomocą następujących zbiorów cech: ciągnik: C = {Pnom, mc, vt, vtp, genom, λg, ηm, ηo} gdzie: C Pnom mc vt vtp – – – – – genom – λg – ηm – ηo – (13) ciągnik, moc nominalna silnika, W, masa ciągnika, kg, prędkość teoretyczna przy nominalnej prędkości kątowej silnika, m·s–1, prędkość teoretyczna przy prędkości kątowej silnika, przy której WOM osiąga nominalną prędkość kątową, m·s–1, nominalne zużycie paliwa, g∙kW–1∙h–1, rzeczywisty współczynnik obciążenia silnika, sprawność mechaniczna, sprawność ogólna; maszyna pracująca w polu: M = {rm, mm, bm, db, lb, dp, bp, mb, mpa, Qt, q} gdzie: M rm mm bm db – – – – – (14) maszyna, rodzaj maszyny, masa własna, kg, szerokość robocza, m, średnica komory prasowania (beli), m, 117 Technologie zbioru roślin energetycznych lb dp bp mb mpa Qt q – szerokość komory prasowania prasy zwijającej (długość beli cylindrycznej), m, – szerokość komory zwijania pakieciarki, m, – długość pakietu, m, – masa beli, kg, – masa pakietu, kg, – przepustowość maszyny, t·h–1, – dopuszczalny strumień masy, kg·s–1; przyczepa: P = {rp, mp, Gt, Vp, ηp, ρ} gdzie: P rp mp G Vt ηp ρ – – – – – – – (15) przyczepa, rodzaj maszyny, masa własna, kg, ładowność, t, m3, pojemność skrzyni, m3, stopień wykorzystania pojemności, %, gęstość ładunku, kg·m–3; urządzenie (maszyna) do załadunku lub rozładunku: L = {rl, ml, Gl, Wz, Ww} gdzie: L rl ml Gl Wz Ww – – – – – – (16) urządzenie ładujące lub rozładowujące, rodzaj urządzenia, masa własna, kg, udźwig, t, wydajność załadunku, t·h–1, wydajność rozładunku, t·h–1; pole: F = {Af, Qw, w, C1i, C2i, C3i, fp} (17) gdzie: F – pole, Af – powierzchnia, ha, Qw – plon, t·ha–1, w – wilgotność roślin, %, C1i, C2i, C3i – współczynniki charakteryzujące podatność kół na poślizg, fp – współczynnik oporu toczenia po polu; droga: D = {sdi, spi, C1i, C2i, C3i, fd} 118 (18) Modelowe technologie zbioru wierzby gdzie: D – droga, sdi – długość drogi dojazdu z pola do miejsca składowania, m, spi – długość drogi powrotu z miejsca składowania na pole, m, C1i, C2i, C3i – współczynniki charakteryzujące podatność kół na poślizg, fd – współczynnik oporu toczenia po drodze; miejsce składowania: S = {B, W, P, x, y, z, ρp} (19) gdzie: S – miejsce składowania, B – sposób przechowywania bel, W – sposób przechowywania wiązek, P – sposób przechowywania pryzmy, x, y, z – wymiary pryzmy, m, ρp – gęstość roślin w pryzmie, kg·m–3. 8.2. Technologie zbioru wierzby Przy zbiorze roślin wierzby przeznaczonych na cele energetyczne możliwy jest zarówno jedno- jak i dwuetapowy zbiór. Różne są również wymagania stawiane maszynom do zbioru roślin jedno-, dwu- i trzyletnich. Wybór technologii jest też często uwarunkowany posiadanym w gospodarstwie parkiem maszynowym w celu ograniczenia nakładów inwestycyjnych. Model zatem wymagał uwzględnienia różnych wariantów zbioru (rys. 8.2). Warianty uznane za podstawowe, które będą uwzględniane w dalszych analizach, zaznaczono linią ciągłą, natomiast inne możliwości zaznaczono liniami przerywanymi. W modelu uwzględniono zarówno obecnie stosowane, jak i nowoczesne technologie zbioru, a mianowicie: – zbiór roślin rozdrobnionych sieczkarnią – technologie Z1, Z1a, – zbiór roślin maszyną ścinająco-prasującą, rozdrabnianie w gospodarstwie – technologia Z2, – zbiór całych pędów luzem, rozdrabnianie w gospodarstwie – technologie Z3, Z3a, – zbiór w wiązkach (pakietach), rozdrabnianie w gospodarstwie – technologia Z4. W każdej z tych technologii zbioru, uznanych jako podstawowe, występują warianty, w których uwzględniono różne rozwiązania odbioru, transportu i rozdrabniania roślin. W celu ułatwienia porównania metod przyjęto, że w każdej technologii produktem końcowym jest materiał rozdrobniony (sieczka lub zrębki). Poszczególne warianty technologiczne wraz ze wskazaniem zastosowanych maszyn i urządzeń zestawiono w tabeli 8.1. 119 Technologie zbioru roślin energetycznych Technologie zbioru roĞlin energetycznych RoĞliny: - jednoroczne - dwuletnie - trzyletnie zbiór jednoetapowy zbiór zbiór dwuetapowy dwuetapowy ĞciĊcie i pozostawienie na polu: - luzem - luzem w pryzmach - w wiązkach - w belach ĞciĊcie i rozdrobnienie na zrĊbki Zbiór ciągnik + sieczkarnia przyczepiana sieczkarnia samojezdna ciągnik + maszyna Ğcinająca ciągnik + maszyna Ğcinająco-pryzmująca ciągnik + maszyna Ğcinająco-wiąĪąca ciągnik + maszyna Ğcinająco-prasująca zaáadunek rĊczny urządzenie wáasne Ğrodka transportu ciągnik + áadowacz chwytakowy urządzenie wáasne Ğrodka transportu ciągnik + przyczepa ciągnik + przyczepa ciągnik + przyczepa samozaáadowcza ciągnik + przyczepa ciągnik + wózek samozaáadowczy przenoĞnik pneumatyczny rozáadunek rĊczny urządzenie wáasne Ğrodka transportu ciągnik + áadowacz chwytakowy urządzenie wáasne Ğrodka transportu Zaáadunek Transport Rozáadunek Przechowywanie Przygotowanie produktu pryzma wentylacja wymuszona pryzma + wentylacja naturalna podawanie rĊczne ciągnik + áadowacz chwytakowy ciągnik + rozdrabniacz ciągnik + áadowacz chwytakowy rozdrabniacz stacjonarny Rysunek 8.2. Schemat technologii zbioru roślin na cele energetyczne Źródło: Opracowanie własne autorów. W technologii Z1 do zbioru i bezpośredniego rozdrabniania roślin przewidziano sieczkarnię przyczepianą, a załadunek sieczki odbywa się na jadącą z boku przyczepę. Sieczka (zrębki) z roślin składowana jest na pryzmie w gospodarstwie. Składowana sieczka będzie dosuszana wentylacją wymuszoną. W wariancie Z1a do zbioru zastosowano sieczkarnię samojezdną. W technologii Z2 maszyną wiodącą jest maszyna ścinająco-prasująca, która ścina rośliny, wstępnie rozdrabnia materiał i formuje bele cylindryczne. Transport bel do gospodarstwa odbywa się za pomocą wózka samozaładowczego, który pobiera bele z pola urządzeniem dźwignicowym. Po przywiezieniu do miejsca składowania bele są ustawiane w pryzmie przez hydrauliczne wychylenie platformy wózka. Bele są przechowywane w celu naturalnego wysychania materia120 Modelowe technologie zbioru wierzby Tabela 8.1. Zestawienie maszyn i operacji występujących w badanych technologiach Maszyna/operacja Wariant technologiczny Zbiór Zbiór maszyną Zbiór luzem sieczkarnią ścinająco-prasującą Z1 Sieczkarnia ciągnikowa Z1a Z2 Z3 Z3a + Ciągnikowa maszyna ścinająco-prasująca + Ciągnikowa maszyna ścinająca + Ciągnikowa maszyna ścinająco-pryzmująca + Ciągnikowa maszyna ścinająco-wiążąca + + + + Przyczepa z ładowaczem chwytakowym + + Wózek samozaładowczy + Załadunek ręczny + Ciągnik z ładowaczem chwytakowym do załadunku środka transportu Przenośnik pneumatyczny do formowania pryzmy + + + Rozładunek ręczny + Ciągnik z ładowaczem chwytakowym do rozładunku środka transportu + Ręczne podawanie do rozdrabniacza + Ciągnik z ładowaczem chwytakowym do podawania do rozdrabniacza + Ciągnik z rozdrabniaczem + + Rozdrabniacz stacjonarny Wentylacja pryzmy Z4 + Sieczkarnia samojezdna Przyczepa uniwersalna Zbiór w wiązki + + + + + + Źródło: Opracowanie własne autorów. łu roślinnego. Po wyschnięciu bele są podawane ładowaczem chwytakowym do stacjonarnego rozdrabniacza i rozdrabniane na sieczkę (zrębki). W technologii Z3 maszyną wiodącą jest ciągnikowa maszyna ścinająca całe pędy. W podstawowym wariancie Z3 pędy są zbierane ręcznie luzem i transportowane z pola do gospodarstwa przyczepami uniwersalnymi, gdzie są rozładowywane również ręcznie i składowane w pryzmie. Po wyschnięciu materiału w warunkach naturalnych pędy są podawane ręcznie do zasobnika maszyny i zrębkowane w rozdrabniaczu napędzanym od WOM ciągnika. W wariancie Z3a maszyna ścinająca zbiera pędy w swojej przestrzeni ładunkowej a po jej napełnieniu pędy są układane w pryzmach na polu. Transport pędów wykonywany jest przyczepą leśną z własnym chwytakowym żurawiem załadowczym. 121 Technologie zbioru roślin energetycznych Po przewiezieniu do gospodarstwa to samo urządzenie służy do rozładunku i układania pryzmy. Po dosuszeniu pędy są podawane żurawiem do rozdrabniacza ciągnikowego. Do operacji załadunku wykorzystano ten sam żuraw, który stanowi wyposażenie przyczepy leśnej, istnieje bowiem możliwość jego zdemontowania i zawieszenia na TUZ ciągnika. W technologii Z4 maszyna wiodąca ścina całe pędy roślin, obwiązuje i w wiązkach (pakietach) pozostawia na polu. Następnie są one pobierane ładowaczem chwytakowym i układane na przyczepie, która transportuje je do gospodarstwa. Po przewiezieniu kolejny ładowacz chwytakowy rozładowuje przyczepę i układa pryzmę. Po wyschnięciu wiązki są podawane ładowaczem chwytakowym i rozdrabniane w rozdrabniaczu stacjonarnym. Opracowany model matematyczny może zostać zobrazowany w postaci bloków odzwierciedlających jego strukturę. Struktura taka pozwala na dogodne wykorzystywanie schematu obliczeń poszczególnych bloków w kolejnych etapach operacji analizowanych technologii. Na podstawie opracowanego algorytmu matematycznego przeprowadzono obliczenia symulacyjne nakładów ponoszonych w sześciu technologiach zbioru wierzby. Do obliczeń przyjęto następujące założenia wstępne: powierzchnia plantacji 20 ha, plon roślin jednorocznych 25 t·ha–1, wilgotność roślin podczas zbioru 53%, odległość transportowa 1,0 km, cena paliwa 3,68 zł·l–1, koszt robocizny 16,70 zł·h–1, czas zmiany roboczej 8 h, czas dyspozycyjny zbioru 30 dni. Założenia wstępne mogą być zmieniane zależnie od plantacji. W kosztach nie uwzględniono: podatków (np. od usług, OC rolników), kosztu oprocentowania ewentualnego kredytu, dopłat do założenia plantacji i produkcji. W celu wyeliminowania wpływu kosztów stałych na koszty zbioru, zwłaszcza na niewielkich plantacjach, założono roczne wykorzystanie ciągników i maszyn również do innych prac w gospodarstwie poza sezonem zbioru roślin energetycznych lub na świadczenie usług. Założono również, iż w rozpatrywanych technologiach maszyny zbierające (podstawowe) będą pojedyncze. Zależnie do parametrów plantacji będą do nich dobierane zestawy maszyn, które zapewnią proces potokowy zbioru. Następnie przyjęto zestawy maszyn zastosowane w technologiach zbioru. Parametry robocze, ceny maszyn i ciągników opisano formułami matematycznymi. Przeprowadzone obliczenia pozwoliły na wyznaczenie wydajności agregatów. Do określenia wskaźników kryterialnych wykorzystano opracowania metodyczne (Muzalewski 2006), jak również materiały informacyjne (Gromadzki 2009). Efektywność wytwarzania biomasy na cele energetyczne można charakteryzować przez wiele czynników, między innymi przez zużycie paliwa i pracochłonność, odniesioną do jednostki masy suchej substancji. Zużycie paliwa w analizowanych technologiach jest zróżnicowane (tab. 8.2). Najmniejsze zużycie paliwa stwierdzono w technologii Z2, a największe w Z1, które wynosiło 122 Modelowe technologie zbioru wierzby Tabela 8.2. Zużycie paliwa w technologiach zbioru roślin energetycznych Wariant technologiczny Zbiór Zużycie paliwa, kg·ts.m.–1 Z1 Z1a Z2 Z3 Z3a Z4 2,9 2,5 1,5 1,9 1,9 1,2 Transport 1,1 1,4 1,1 3,1 1,2 1,6 Przeładunek 0,7 0,5 0,5 – 0,2 0,9 0,8 Rozdrabnianie – – 0,9 2,5 1,0 Dosuszanie 3,7 2,5 – – – – W całej technologii 8,4 7,0 3,9 7,6 4,3 4,5 Źródło: Opracowanie własne autorów. odpowiednio 3,9 i 8,4 kg·ts.m.–1. Zużycie paliwa w innych technologiach jest o 9,4–48,4% mniejsze od zużycia paliwa w technologii Z1. Zużycie paliwa przez silnik jednostki napędowej w agregacie do zbioru w odniesieniu do zużycia paliwa w całej technologii wynosiło 25,4–43,9%. Rozdrabnianie roślin po zbiorze powoduje wzrost zużycia paliwa o 18,6–33,6%. Dosuszanie rozdrobnionych roślin w technologiach Z1 i Z1a zwiększa zużycie paliwa o 35,4–44,3%. Pracochłonność w poszczególnych technologiach (tab. 8.3) wykazuje podobny trend jak paliwochłonność. Najmniejsze nakłady robocizny 0,72 rbh·ts.m.–1 występują w technologii Z2 ze względu na mniejszą liczbę operacji w technologii. Największe zaś w technologii Z3 (5,5 rbh·ts.m.–1) ze względu na operacje wykonywane ręcznie, które powodują obniżenie wydajności. Pracochłonność w innych technologiach jest o 68,4–84,3% mniejsza. Pracochłonność zbioru roślin w odniesieniu do całkowitej pracochłonności technologii stanowiła 10,8–20,9% i jest zależna od wydajności maszyn do zbioru. We wszystkich technologiach transport stanowi 20,2–37,5%, a przeładunek 9,8–46,2% nakładów pracy. Duża pracochłonność w technologii Z3 wynika z małej wydajności ręcznych prac przeładunkowych. Rozdrabnianie pędów po wysuszeniu powoduje zwiększenie pracochłonności o 13,1–25,3%, a dosuszanie zrębków w technologiach Z1 i Z1a wzrost o około 55%. Tabela 8.3. Jednostkowe nakłady robocizny w technologiach zbioru roślin energetycznych Wariant technologiczny Zbiór Pracochłonność, rbh·ts.m.–1 Z1 Z1a Z2 Z3 Z3a Z4 0,26 0,10 0,13 0,59 0,19 0,16 Transport 0,35 0,19 0,27 1,64 0,28 0,57 Przeładunek 0,17 0,10 0,15 2,53 0,21 0,65 – – 0,17 0,72 0,23 0,25 Dosuszanie 0,95 0,47 – – – – W całej technologii 1,73 0,86 0,72 5,48 0,91 1,63 Rozdrabnianie Źródło: Opracowanie własne autorów. 123 Technologie zbioru roślin energetycznych Tabela 8.4. Koszty jednostkowe w technologiach zbioru roślin energetycznych z uwzględnieniem poszczególnych operacji technologicznych Wariant technologiczny Koszty, zł·ts.m.–1 Z1 Z1a Z2 Z3 Z3a Z4 Zbiór 46,6 41,4 70,6 30,2 80,4 70,7 Transport 19,6 22,2 23,0 86,4 37,0 33,2 Przeładunek 12,7 9,3 8,4 52,8 11,2 38,7 – – 21,2 54,7 18,9 27,9 Dosuszanie 33,7 24,9 – – – – W całej technologii 113 98 123 224 147 170 Rozdrabnianie Źródło: Opracowanie własne autorów. Najmniejszymi jednostkowymi kosztami (tab. 8.4) charakteryzuje się technologia Z1a (98 zł·ts.m.–1 czyli 5,3 zł·GJ–1), a największymi Z3 (224 zł·ts.m.–1 – 12,1 zł·GJ–1). Koszty w pozostałych technologiach są o 24,1–49,6% (6,1– –9,2 zł·GJ–1) mniejsze od ponoszonych w technologii Z3. Wysokie koszty zbioru (57,4 i 54,7%) w technologiach Z2 i Z3a wynikają z zastosowania drogich maszyn do zbyt małej powierzchni plantacji. W technologii Z3 zbiór stanowi 13,5% kosztów całkowitych, natomiast operacje transportu i przeładunku aż 38,6 i 23,6%, co wynika z małej wydajności prac ręcznych. Rozdrabnianie pędów po wysuszeniu zwiększa koszty o 12,9–24,4%, a dosuszanie sieczki w technologiach Z1 i Z1a o 25,4–29,8%. Celowe jest więc właściwe dobranie technologii zbioru uwzględniającej wielkość plantacji, zasoby ludzkie oraz materialne, obejmujące już posiadany zestaw maszyn w gospodarstwie, a także sposób dalszego przetwarzania pozyskanej biomasy. Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań 1. Dla wyodrębnionych sześciu technologii zbioru wierzby wiciowej opracowano model matematyczny opisujący zjawiska związane z wyznaczeniem zapotrzebowania mocy do napędu maszyn zbierających, transportujących, magazynujących oraz przygotowujących produkt dla odbiorcy i ciągników z nimi współpracujących. Za kryterium oceny technologii przyjęto zużycie paliwa, pracochłonność i koszty odniesione do jednostki suchej masy. 2. Opracowana baza danych dotycząca charakterystyki plantacji roślin energetycznych, właściwości fizycznych roślin, zapotrzebowania mocy do napędów zespołów roboczych sieczkarni do zbioru roślin energetycznych, charakterystyki właściwości otrzymywanych zrębków i sieczki oraz cząstek zmielonego materiału roślinnego została wykorzystana do wyznaczenia formuł matematycznych, stanowiących składniki algorytmu modelu matematycznego. 124 Modelowe technologie zbioru wierzby 3. Najmniejsze zużycie paliwa stwierdzono w technologii zbioru wierzby w formie bel cylindrycznych, a największe w technologii jednoetapowej z sieczkarnią ciągnikową; wynosiło ono odpowiednio 3,9 i 8,4 kg·ts.m.–1. 4. Najmniejsze nakłady robocizny występują również w technologii z prasą zwijającą, największe zaś w technologii z kosiarką do wierzby; wynosiły one odpowiednio 0,72 i 5,5 rbh∙ts.m.–1. 5. Najmniejszymi jednostkowymi kosztami charakteryzowała się technologia jednoetapowa z sieczkarnią samojezdną (około 98 zł·ts.m.–1), a największymi z kosiarką do wierzby (około 224 zł·ts.m.–1). 6. Wartości wskaźników kryterialnych zależą od założonych parametrów zbioru i plantacji. Ich optymalne wartości można uzyskać przy założeniu parametrów zbliżonych do maksymalnego wykorzystania wydajności maszyny. 125 9. KOSZTY ZBIORU ROŚLIN ENERGETYCZNYCH W ŚWIETLE WYNIKÓW BADAŃ W dostępnej literaturze wyników badań dotyczących kosztów zbioru roślin energetycznych jest niewiele. Są to dane rozproszone i fragmentaryczne, mogą być jednak przydatne do porównania i oceny proponowanych rozwiązań technologicznych. Brak jest również modeli matematycznych pozwalających na symulowanie systemu, obejmującego różne operacje stosowanych obecnie i możliwych technologii zbioru roślin energetycznych. Dubas (2003) obliczył, że koszty zbioru, zrębkowania i transportu wewnętrznego wierzby wynoszą 1400 zł·ha–1, ale nie podał rodzaju maszyn w tej technologii. Pasyniuk (2007), zakładając plon wierzby wiciowej 30 t·ha–1, o wilgotności 50%, obliczył koszty zbioru dla trzech technologii. Przy użyciu kombajnu Claas o wydajności 0,4 ha·h–1, przy zatrudnieniu 2 pracowników i pracochłonności 10 rbh koszt zbioru wynosił 800 zł·ha–1. Przy zastosowaniu podcinacza o wydajności 0,3 ha·h–1 i rębarki przewoźnej o wydajności 0,1 ha·h–1, przy zatrudnieniu 3 pracowników i pracochłonności 32 rbh koszty zmniejszyły się do 320 zł·ha–1. Zbiór ręczny z wydajnością 0,05 ha·h–1 i rozdrabnianie z wykorzystaniem rębarki przewoźnej o wydajności 0,1 ha·h–1, przy zatrudnieniu 5 pracowników i pracochłonności 200 rbh zwiększył koszty do 1800 zł·ha–1. Z badań przeprowadzonych przez Pasyniuka (2008) wynika, że podczas zbioru wierzby 2- i 3-letniej z plantacji o powierzchni powyżej 5 ha efektywne wykorzystanie czasu pracy kombajnu Bender nie przekraczało 62% czasu nominalnego. Wpływało to na ostateczne wysokie koszty jednostkowe zbioru. Na małe wykorzystanie czasu pracy miały wpływ przerwy, których udział wynosił 6%, a wynikały one z przyczyn logistycznych. Zaliczono do nich oczekiwanie na dostarczenie paliwa, materiałów eksploatacyjnych i części wymiennych. Duży udział w stratach czasu pracy miały naprawy bieżące (8%). Znaczące utrudnienia sprawiało niedostosowanie systemu nasadzeń do zbioru mechanicznego, co w konsekwencji wymuszało dodatkowe przejazdy kombajnu (15%), a także brak synchronizacji ruchu środków transportowych, który skutkował przestojami kombajnu (10%). Z tego powodu przy nominalnej wydajności kombajnu 2,4 ha·h–1 osiągnięto wydajność operacyjną 0,4 ha·h–1. Ostatecznie koszty zbioru, w stosunku do nominalnych, możliwych do osiągnięcia zwiększyły się dwukrotnie. Całkowity koszt jednostkowy zbioru kombajnem wierzby na zręb126 Koszty zbioru roślin energetycznych w świetle wyników badań ki wynosił 900 zł·ha–1. Koszt kombajnowego zbioru wierzby zwiększa i tak wysoką cenę „zielonej energii”. Przy średnim zbiorze wierzby w cyklu trzyletnim 40 t·ha–1 surowego materiału koszt zbioru powiększył koszt produkcji zrębów o ponad 20 zł·t–1, przy rynkowej cenie zrębów surowych 100 zł·t–1. Pasyniuk (2008) stwierdził jednak, że zbiór kombajnowy jest bardzo konkurencyjny wobec zbioru ręcznego dwuetapowego, którego koszt przekracza 6000 zł·ha–1. Szczukowski i in. (2006) zwrócili uwagę, że wartość energetyczna oraz skład chemiczny drewna wierzby zmieniają się w zależności od cyklu zbioru i przy obliczaniu kosztów należałoby ten fakt wziąć pod uwagę. Przy jednorocznym, dwu- i trzyletnim cyklu zbioru wartość kaloryczna drewna wynosiła odpowiednio 18,56, 19,25 i 19,56 MJ·kgs.m.–1, zawartości wody oraz popiołu wyraźnie się zmniejszały i wynosiły odpowiednio 53,15, 50,14 i 45,98% oraz 1,89, 1,37 i 1,28%. Zmieniała się również zawartość składników wpływających na dalszy proces przetwarzania surowca. Wraz z cyklem okresu zbioru w największym stopniu zwiększała się zawartość celulozy, która wynosiła odpowiednio 45,58, 48,02 i 55,94% s.m. Zawartość ligniny i hemicelulozy była dość stabilna i wynosiła odpowiednio 13,24 i 13,63% s.m. W obu przypadkach odnotowano zmniejszenie zawartości tych składników w pędach dwuletnich. Zwiększenie zawartości celulozy w pędach starszych oznacza, że materiał taki podczas mechanicznego zagęszczania, np. podczas produkcji peletu, będzie wymagał zwiększenia energii, gdyż temperatura rozkładu celulozy wynosi 240–350°C (Grzybek i in. 2004). Temperatura rozkładu hemicelulozy jest najmniejsza (200–260°C), a ligniny największa (280–500°C). Efektywność energetyczna uprawy wierzby zależy również od cyklu zbioru (Szczukowski i in. 2006). W cyklu jednorocznym, dwu- i trzyletnim, przy zwiększających się plonach suchej substancji, odpowiednio do 14,8, 32,1 i 64,4 ts. –1 m.·ha , nakłady energetyczne na uprawę roślin wierzby były proporcjonalne i wynosiły 12,2, 18,4 i 30,1 GJ·ha–1, a energochłonność produkcji zrębków zmniejszała się, odpowiednio do 0,83, 0,57 i 0,47 GJ·ts.m.–1, co przy wartości energetycznej plonu wynoszącej 275, 618 i 1262 GJ·ha–1 pozwoliło na zwiększenie efektywności energetycznej, odpowiednio do 22,5, 33,6 i 41,9. Efektywność energetyczną określono jako stosunek wartości energetycznej plonu do nakładów energetycznych poniesionych na uprawę roślin. Zbiór wierzby w trzyletnich cyklach rotacji charakteryzował się najmniejszą energochłonnością produkcji jednostki suchej substancji zrębków oraz największym wskaźnikiem efektywności energetycznej. Porównując efektywność energetyczną innych roślin można stwierdzić, że uprawa wierzby na cele energetyczne jest korzystna. Przykładowo efektywność energetyczna uprawy rzepaku ozimego w doświadczeniach polowych wynosiła 3,5–6,0, pszenicy ozimej 3,6–4,9, jęczmienia jarego 3,5, a buraka cukrowego 3,6. Szczukowski i in. (2006) stwierdzili, że zwrot kosztów inwestycji w uprawie wierzby na cele energetyczne nie jest możliwy po pierwszym roku, gdyż koszt 127 Technologie zbioru roślin energetycznych samych sadzonek wynosił 4800 zł·ha–1 i stanowił 69% kosztów całkowitych założenia plantacji. W analizie kosztów autorzy założyli, że plantacja będzie użytkowana przez 24 lata, co pozwoliło na obciążenie jej rocznymi kosztami w wysokości 290 zł·ha–1. Opłacalność produkcji końcowego surowca w postaci zrębków zależała również od cyklu zbioru roślin. W cyklu jednorocznym, dwu- i trzyletnim zbioru, przy zwiększających się plonach, odpowiednio do 29, 56 i 91 t·ha–1, koszt produkcji zwiększał się również i wynosił odpowiednio 1355, 1974 i 3011 zł·ha–1. W konsekwencji koszt produkcji świeżych zrębków zmniejszał się i wynosił odpowiednio 47, 35 i 33 zł·t–1. Przyjmując cenę świeżych zrębków 80 zł·t–1, autorzy obliczyli zysk w przeliczeniu na jednostkę masy, powierzchni i rok. Zwiększał się on wraz z cyklem zbioru i wynosił odpowiednio 33, 45 i 47 zł·t–1 oraz 965, 2506 i 4269 zł·ha–1, a w przeliczeniu na jeden rok był nieco mniejszy i wynosił 965, 1253 i 1423 zł·ha–1. Z tego wynika, że opłacalność produkcji zrębków jest największa przy zbiorze roślin wierzby w cyklu trzyletnim. Autorzy podkreślili, że jednoroczne pędy wierzby wiciowej mogą być zbierane sieczkarnią przyczepianą połączoną z ciągnikiem, a zbiór roślin w cyklu dwu- i trzyletnim wymaga zastosowania specjalistycznego sprzętu, np. kombajnu Claas Jaguar. Nie podano, dla jakiego zestawu maszyn przeprowadzono przykładowe obliczenia. Autorzy dla kontrastu podali, że zysk z uprawy jęczmienia jarego przy plonie 50 dt·ha–1 w badaniach IUNG wynosił 605 zł·ha–1. Koszt ręcznego zbioru i stacjonarnego zrębkowania wierzby o wilgotności 60,81% i wartości kalorycznej 5,82 MJ·kg–1 w wysokości 155,75 zł·t–1 są zdecydowanie za wysokie. Według szwedzkich doświadczeń (Nordh 2005), koszty zbioru kombajnem z bezpośrednim rozdrabnianiem zmieniały się w zakresie 1890–3100 zł·ha–1, w zależności od średniej wydajności rzeczywistej, odpowiednio 0,5 i 0,3 ha·h–1, którą osiągano na plantacjach o powierzchni odpowiednio 300 i 100 ha. W przeliczeniu na jednostkę uzyskiwanej energii z wierzby o plonie 48 ts.m.·ha–1 koszty te zawierają się w zakresie 8,8–14,4 zł·(MWh)–1. Przy zbiorze dwufazowym, zalecanym na mniejszych powierzchniach, koszty bezpośredniego zbioru wynosiły 400–650 zł·ha–1. Uwzględniając jednak konieczność załadunku i rozdrabniania, całkowite koszty zwiększyły się do 18,0–18,8 zł·(MWh)–1. Szczukowski i in. (2006) wskazali, że pędy wierzby zbierane zimą w zależności od cyklu zbioru i warunków pogodowych mają wilgotność 46–53%. Składowanie zrębków wymaga zapewnienia warunków, w których będą ograniczone straty suchej substancji i rozwój patogenów. Surowiec krótko przechowywany może być składowany na wyrównanej, utwardzonej powierzchni. Zrębki świeże, składowane w naturalnych warunkach w pryzmie wysychają nierównomiernie i chłoną wodę z opadów atmosferycznych, co przyczynia się do wydłużenia czasu do osiągnięcia wymaganej wilgotności końcowej przed dalszą obróbką surowca. Konsekwencją wydłużonego czasu przechowywania jest zwiększenie strat suchej substancji, wzrost temperatury wewnątrz pryzmy i rozwój niepożądanych 128 Koszty zbioru roślin energetycznych w świetle wyników badań patogenów. Z tego powodu przy dłuższym przechowywaniu zaleca się składowanie surowca pod wiatą. Z badań wynika, że przechowywanie zrębków wierzby w takich warunkach przez 4 do 6 miesięcy pozwoliło na zmniejszenie jej wilgotności z 45 do 30%. W literaturze wskazuje się również, że lepszym sposobem przechowywania byłoby zastosowanie wymuszonego przepływu powietrza atmosferycznego przez pryzmę zrębków, ale taka technologia zwiększa koszty, przyczyniając się do zmniejszenia zysków. Mniejsze problemy przechowywania stwarzają całe pędy wierzby. Mogą być one przechowywane aż do jesieni kolejnego roku w stogach, w naturalnych warunkach, na otwartym, utwardzonym podłożu. W ciągu takiego okresu ich wilgotność może się zmniejszyć z 50 do 20%. Pędy wierzby zebrane maszynami formującymi wiązki mogą być przechowywane w podobnych warunkach, jak pędy luzem, lecz w tym przypadku lepiej takie wiązki zestawić w stożki. Przepływ powietrza i działanie słońca pozwala na zmniejszenie wilgotności materiału z 50 do 16% (w maju). Wiązki mogą być również układane przemiennie (w sztaplach) w warstwach poziomych i przechowywane w prostopadłościennych stogach nawet przez okres dwóch lat. Sterty mogą być lokalizowane u plantatorów, a surowiec sukcesywnie dowożony w ciągu roku do odbiorcy. W zależności od ustalonych warunków dostawy może się to odbywać w formie całych pędów lub zrębków. Jako przykład podejścia modelowego do analizy zbioru roślin energetycznych można podać doświadczenia Sokhansanja i Fentona (2006). Do obliczenia kosztów zbioru i transportu biomasy zastosowali oni model matematyczny IBSAL – Integrated Biomass Supply Analysis and Logistics opracowany przez Sokhansanja (2006). Model IBSAL zawiera różne algorytmy obejmujące zbiór, przetwarzanie, mielenie, przechowywanie i transport. Dane wejściowe modelu zawierają: informacje o lokalnej pogodzie, średnim plonie netto biomasy, terminie zbioru, stratach suchej substancji, wilgotności roślin, czasie zbioru, parametrach eksploatacyjnych wyposażenia, koszty maszyn. Głównymi parametrami kryterialnymi były koszty dostawy biomasy ($·t–1), zanieczyszczenie węglem (kg C na tonę) i zużycie energii (GJ·t–1). Za pomocą modelu IBSAL można było obliczyć straty biomasy w suchej substancji, wykorzystując dostępne dane o przechowywaniu bel prosa rózgowatego (Sanderson i in. 1997) i obróbki siana (Rees 1982). Szczegółowe informacje o modelu można znaleźć w pracach Sokhansanja (2006) oraz Sokhansanja i Fentona (2006). Analizowano różne sposoby zbioru, w których wykorzystano prasę wielkogabarytową do formowania bel prostopadłościennych o wymiarach 1,2×1,2×2,4 m, zbieracz pokosów, sieczkarnię do rozdrabniania materiału suchego lub wilgotnego. Najbardziej efektywnym sposobem zbioru, ze względów ekonomicznych, było zastosowanie zbieracza pokosów. Koszty zbioru wynosiły 19 $·t–1. Nieco większy koszty poniesiono podczas zbioru prasą wielkogabarytową (23 $·t–1). Mniejsze koszty przy zastosowaniu zbieracza pokosów wynikają ze zmniejszenia liczby 129 Technologie zbioru roślin energetycznych operacji i dużej pojemności skrzyni ładunkowej (45,3 m3). Koszty rozdrabniania, a następnie stogowania i zakiszania biomasy wynosiły 35 $·t–1, ale autorzy wskazują, iż ta technika zbioru ma duży potencjał w przyszłości. Koszty te wynikały głównie z wysokiej ceny sieczkarni (83,37 $·h–1) oraz nakładów inwestycyjnych na zbudowanie silosu przejazdowego lub maszyny silosującej, tworzącej rękaw z folii. Nakłady energetyczne na zbiór prosa rózgowatego zmieniały się od 0,319 GJ·ts.m.–1 dla operacji ze zbieraczem pokosów do 0,590 GJ·ts.m.–1 dla technologii rozdrabniania materiału suchego. Nakłady energetyczne zależą od mocy silników zainstalowanych w urządzeniach technicznych, a zastosowana sieczkarnia polowa była wyposażona w silnik o mocy powyżej 200 kW. Uwzględniając wartość opałową prosa rózgowatego 16 GJ·ts.m.–1, nakłady energetyczne na zbiór zawierają się od 2% dla zbieracza pokosów do poniżej 4% dla sieczkarni polowej. Nakłady energetyczne na zakiszanie biomasy były nieco mniejsze niż na rozdrabnianie materiału suchego. Podobne wnioski sformułowali Conrado i in. (2005), którzy stwierdzili, że zbiór prosa rózgowatego za pomocą zbieracza pokosów jest najbardziej efektywny pod względem ekonomicznym. Koszty zbioru słomy łodyg kukurydzy po zbiorze na ziarno były podobne do kosztów zbioru prosa rózgowatego. Niewielkie różnice (1–2 $·t–1) mogły być związane z gęstością objętościową zbieranego materiału roślinnego lub z kosztami rozdrabniania łodyg kukurydzy, w porównaniu z kosztami koszenia prosa rózgowatego. Model IBSAL (Sokhansanj i Fenton 2006) zastosowano również do obliczenia kosztów transportu biomasy ze stogów formowanych przy farmie lub na polu do biorafinerii. Koszty obejmowały załadunek, transport, rozładunek, stogowanie i mielenie w biorafinerii. Koszty transportu samochodami ciężarowymi zależały od całkowitej odległości oraz od tego, czy była to stała odległość, czy łączona z kilku odcinków, od minimum do maksimum. Dla stałej odległości, o maksymalnej wartości 100 km, koszty transportu wynosiły około 25 $·t–1, a dla łączonej w zakresie 20–100 km – 19 $·t–1. Koszty transportu kolejowego zależały głównie od ilości ładunku i zmniejszały się wraz z odległością transportową. Koszty produkcji peletu były obliczone na kwotę 30 $·t–1 przy 20 000 t produkcji peletu z materiału roślinnego (Sokhansanj i Fenton 2006). Koszty zawierają suszenie biomasy z 40 do 10%, podczas którego stosowano biomasę jako paliwo spalane podczas suszenia. Koszty mogą być zmniejszone przy większej wydajności lub zmniejszeniu wilgotności wyjściowej biomasy. Koszty brykietowania były podobne do kosztów peletowania. Całkowite koszty dostarczania biomasy zależą od wielu czynników, ale najważniejszymi są gęstość objętościowa biomasy, jej wilgotność i odległość transportowa. Zagęszczanie biomasy jest łatwe i bezpieczne, zwłaszcza przy wykorzystaniu istniejącego sprzętu, stosowanego do obróbki ziarna. Koszty dostarczania granulowanej biomasy mogą zmieniać się w zakresie 46–73 $·t–1. Koszty 130 Koszty zbioru roślin energetycznych w świetle wyników badań te nie zawierają wynagrodzenia, które można oszacować na 10 $·t–1. Całkowite nakłady energetyczne technologii zbioru i przetwarzania biomasy na pelety zawierają się w granicach 1,0–1,5 GJ·t–1. Oznacza to, że poniesione nakłady energii wynoszą 6–10% energii zawartej w biomasie, którą szacuje się na 16 GJ·t–1. Sokhansanj i Fenton (2006) sformułowali następujące spostrzeżenia, których zastosowanie może prowadzić do zmniejszenia kosztów: – zmniejszenie liczby operacji podczas zbioru przez ich łączenie, – zwiększenie gęstości objętościowej biomasy, – nakłady związane ze zmniejszeniem wilgotności, – granulacja/peletyzacja jest technologią dostępną, ale kosztowną, – transport samochodowy dominuje w transporcie biomasy, ale na duże odległości można rozważyć transport koleją i innymi środkami. Wnioski i spostrzeżenia wynikające z przeprowadzonych badań 1. Koszty zbioru roślin energetycznych są bardzo zróżnicowane i trudno jest je bezpośrednio ze sobą porównywać z uwagi na odmienne warunki polowe, klimatyczne, a także doświadczenie zespołów wykonujących badania i pomiary. 2. Ceny maszyn, paliwa, robocizny i ich relacje mogą w znaczący sposób wpływać na końcowy wyniki kosztów oraz prowadzić do odmiennych wniosków. 3. Końcowe spostrzeżenia, zawarte w tym rozdziale, powinny być brane pod uwagę przy wyborze technologii zbioru roślin energetycznych. 131 10. PODSUMOWANIE Technologie bezpośredniego zbioru wierzby na zrębki, przy zastosowaniu obecnych maszyn na odpowiednio dużych plantacjach, są tańsze niż techniki dwuetapowe polegające na zbiorze całych łodyg (Styles i in. 2008). Do wad jednoetapowej technologii zbioru wierzby można zaliczyć wysokie koszty początkowe zakupu maszyn i przechowywania wilgotnych zrębków (Pasyniuk 2007). Technologie zbioru całych łodyg są bardziej elastyczne ze względu na mniejsze ograniczenia warunków zbioru i mogą przynieść korzyści (Kofman 2005), które wynikają z mniejszych kosztów, możliwości naturalnego suszenia, pozwalając na pozyskanie lepszego paliwa (Harders 2002). W Wielkiej Brytanii rośliny przechowywane w takich warunkach w ciągu siedmiu miesięcy zmniejszyły wilgotność z 53–55 do 19% (Hilton 2000). Na podstawie dotychczasowych wyników badań (Lechasseur i Savoie 2005) można stwierdzić, że zastosowanie maszyn do zbioru całych pędów wierzby pozwala na znaczne zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa w przeliczeniu na tonę świeżych roślin. Stwierdzono, że podczas pracy maszyn Empire 2000, Frobbesta i Hyd-Mech zbierających wierzbę w całości jednostkowe zużycie paliwa wynosiło 0,50–1,00 l·t–1, a maszyn Claas Jaguar 695, Bender i Austoft 7700, które jednocześnie ścinają i rozdrabniają łodygi – 0,95–1,20 l·t–1. Mniejsze wartości tego wskaźnika dla maszyn zbierających całe pędy roślin wynikają z faktu, iż podczas tego zabiegu rośliny są tylko ścinane i transportowane w całości do przestrzeni ładunkowej maszyny lub przyczepy. Dopiero po okresie przechowywania następuje rozdrabnianie łodyg na zrębki. Dlatego bezpośrednie porównanie zapotrzebowania na moc lub innych wskaźników energetycznych maszyn zbierających wykonujących różne funkcje jest uproszczeniem. Do wad tego sposobu zbioru wierzby można zaliczyć również większą liczbę przejazdów środków transportowych, konieczność zastosowania specjalnych przyczep do transportu długich łodyg (do 8 m) i ładowaczy do ich załadunku, przeznaczenie większych szerokości na uwrocia i powierzchni na przechowywanie dużych objętości surowca. W sumie w tej technologii zbioru jest więcej operacji do wykonania i jest ona bardziej pracochłonna niż technologia zbioru jednoetapowego. Przy dużym i dobrze rozwiniętym rynku biomasy stosowanie wysokowydajnych maszyn, rozdrabniających materiał podczas zbioru, jest uzasadnione ze 132 Podsumowanie względów ekonomicznych. Na mniejszych plantacjach i w regionach o słabszej infrastrukturze konieczne jest zastosowanie innych rozwiązań technicznych. Jak sugerują Hilton i in. (2005), mniejsze maszyny powinny być bardziej użyteczne w technologiach wykorzystujących naturalne suszenie. Jedną z takich możliwości jest ścinanie, rozdrabnianie i zwijanie materiału w bele w kształcie walca z zastosowaniem specjalnej maszyny ścinająco-prasującej (Lavoie i in. 2007). Dotychczasowe doświadczenia, jak i specyfika polskiego rolnictwa wskazują, że powstają i będą powstawać rozproszone plantacje o powierzchni od kilku do 20 ha. Oznacza to konieczność wdrożenia maszyn, które będą dostępne dla właścicieli małych plantacji, pozwolą na terminowe i jakościowo właściwe wykonywanie wszystkich zabiegów agrotechnicznych, a dość niski stopień ich wykorzystania nie wpłynie znacząco na koszty produkcji biopaliwa stałego. W wyniku realizacji niniejszego projektu opracowano koncepcję, dokumentację konstrukcyjną i wykonano uniwersalną maszynę do zbioru roślin energetycznych, a wyniki badań wykazały, że zostały spełnione założenia przyjęte na etapie projektowania. W ten sposób uzupełniono lukę istniejącą na krajowym rynku maszyn rolniczych. Wnioski wynikające z dotychczas przeprowadzonych badań są zróżnicowane i trudno jest jednoznacznie wskazać i zalecić do stosowania określoną technologię zbioru. Podobnie jak w przypadku zbioru kukurydzy lub innych roślin, zaleca się różne technologie w zależności od wielkości uprawy, istniejących maszyn w gospodarstwie, prowadzenia innej produkcji, dysponowanymi środkami transportowymi i innym zapleczem technicznym. Ogólnie można stwierdzić, że technologia jednoetapowa jest zalecana na dużych plantacjach, a dwuetapowa na małych. Doświadczenia krajów, w których uprawia się wierzbę energetyczną (Australia, Brazylia, Dania, Finlandia, Irlandia, Kanada, Niemcy, Norwegia, Szwecja, USA, Wielka Brytania, Włochy) są zróżnicowane, a zalecenia w odniesieniu do sposobu zbioru roślin energetycznych są wypadkową wielu czynników, które powinny być uwzględnione również w polskich warunkach klimatycznych. Do zbioru traw i bylin, których biomasa przeznaczona jest na cele energetyczne, mogą być zastosowane dotychczasowe techniki zbioru roślin zielonych nisko- i wysokołodygowych z pnia lub materiałów słomiastych z pokosów. 133 Literatura 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 134 ABRAHAMSON L.P., VOLK T.A., PRIEPKE E., POSSELIUS J., ANESHANSLEY D.J., SMART L.B. 2008: Development of a willow biomass crop harvesting system in New York. Minneapolis, ss. 21. ADAMCZYK F., FRĄCKOWIAK P. 2009: Analiza parametrów technicznych maszyny do koszenia i automatycznego wiązkowania wikliny plecionkarskiej. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna 3: 16–18. ADAMUS L., LISOWSKI A. 2009: Właściwości wytrzymałościowe ślazowca pensylwańskiego. [W:] Problemy inżynierii rolniczej i leśnej, Wydawnictwo SGGW, Warszawa: 7–12. AHMED A.M., DRZYMAŁA J. 2005: Two-dimensional fractal linearization of distribution curves. Physicochemical Problems of Mineral Processing 39: 129–139. ALAKANGAS E. 2005: Properties of wood fuels used in Finland. Technical Research Centre of Finland, VVT Processes, Project report PRO2/P2030/05 (Project C5SU00800), Jyvaskyla, ss. 100. ANNOUSSAMY M., RICHARD G., RECOUS S., GUERIF J. 2000: Change in mechanical proporties of wheat straw to decomposition and moisture. Applied Engineering in Agriculture 16(6): 657–664. ASAE S424.1 MAR98: Method of determining and expressing participle size of chopped forage materials by screening. ASAE standard 1999, St. Joseph, MI, ASAE: 562–564. ARNOLD P.C., ROBERTS A.W. 1969: Fundamental aspects of load-deformation behavier of wheat grains. Transactions of the ASAE 12 (1): 104–108. ASAE, S459. MAR92: Shear and three-point bending test of animal bone. ASAE standard 1993, St. Joseph, MI, ASAE: 581–583. BITRA V.S., WOMAC A.R., CHEVANAN N., SOKHANSANJ S. 2008: Comminution properties of biomass in hammer mill and its particle size characterization. Published by the American Society of Agricultural and Biological Engineers, St. Joseph, Michigan, www.asabe.org, ss. 28. BORKOWSKA H. 2005: Zmiany zawartości suchej masy w plonie biomasy wierzby krzewiastej (wikliny) i ślazowca pensylwańskiego w zależności od terminu zbioru. Annales Universitatis Marie Curie-Skłodowska 60: 155–161. BORKOWSKA H. 2006: Pelety ze ślazowca pensylwańskiego na tle normy DIN 51731. Czysta Energia 6 (55): 22–23. BORKOWSKA H., STYK B. 2003: Ślazowiec pensylwański. [W:] Rośliny energetyczne, red Kościk B., Wydawnictwo AR w Lublinie, 79–95. BORKOWSKA H., STYK B. 2006: Ślazowiec pensylwański (Sida hermaphrodita Rusby). Uprawa i wykorzystanie. Wydawnictwo AR w Lublin, ss. 69. BOYD J., CHRISTERSSON L., DINKELBACK L. 2000: Energy from willows. SAC, http://www1. sac.ac.uk/envsci/external/willowpower/willow_s.pdf, ss. 36. BYSZEWSKI W., HAMAN J. 1977: Gleba – maszyna – roślina. PWN, Warszawa, ss. 352. CHATTOPADHYAY P.S., PANDEY K.P. 1999: Mechanical properties of sorghum stalk in relation to quasi-static deformation. Journal Agricultural Engineering Research 73: 199–206. CHEN Y., GRATTON J.L., LIU J. 2004: Power requirements of hemp cutting and conditioning. Biosystems Engineering nr 87(4), 417–424. CHOŁUJ D., PODLASKI S. 2008: Kompleksowa ocena biologicznej przydatności 7 gatunków roślin wykorzystywanych w uprawach energetycznych. [W:] Energia odnawialna, red. Gradzik P., MODR, Płońsk, 61–76. CICHOŃ M., LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T., STRUŻYK A. 2009: Wykonanie prototypu przystawek ścinających i zmodernizowanej sieczkarni. Raport z zadania nr I.6.4 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 8. CONRADO R., LINDEN K., MARTIN R., PINGE A. 2005: Switchgrass feedstock logistics systems. ENGS 190/290 Final Report, Winter 2005, Report number – 27, Thayer School of Engineering at Darthmouth College, 8000 Cummings Hall, Hanover, NH 03755-8000. Coppice Resources Ltd., 2000: Development of and SRC harvesting and chipping system. http://www.dti.gov.uk/energy/renewavles/publications/pdfs/BW200640.pdf, ss. 33. Literatura 23. CROOK M.J., ENNOS A.R. 1994: Stem and root characteristics associated what lodging resistance in poor winter wheat cultivars. The Journal of Agricultural Science 126: 167–174. 24. DĄBROWSKA M., LISOWSKI A. 2008: Badanie rozkładu długości cząstek roślin energetycznych przeznaczonych na brykiety. [W:] Problemy inżynierii rolniczej i leśnej, Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 40–47. 25. DĄBROWSKA M., LISOWSKI A. 2009: Badanie rozkładu długości cząstek roślin energetycznych przeznaczonych na brykiety. [W:] Problemy inżynierii rolniczej i leśnej, Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 55–60. 26. DĄBROWSKA M., LISOWSKI A. 2010: Prędkość krytyczna cząstek zmielonego materiału roślin energetycznych. [W:] Problemy inżynierii rolniczej i leśnej, Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 78–87. 27. DAJDOK Z., KRZYSZTOFIAK A., KRZYSZTOFIAK L., ROMAŃSKI M., ŚLIWIŃSKI M. 2007: Rośliny inwazyjne w Wigierskim Parku Narodowym, ss. 24. 28. DALOIS C. 1990: Manuel de sciage et d’Affűtage. CTFT, CIRAD, Montpellier, France, ss. 212. 29. DENISIUK W. 2006: Możliwości wykorzystania ślazowca pensylwańskiego w energetyce. Inżynieria Rolnicza 6: 105–113. 30. DOBRZAŃSKI B. 1998: Mechanizmy powstawania uszkodzeń nasion roślin strączkowych. Acta Agrophysica 13: 13–20. 31. DOŁŻYCKI A., SMAGA M., LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T., STRUŻYK A. 2008: Opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej przystawek ścinających. Raport z zadania nr I.6.2 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 7, plus dokumentacja konstrukcyjna. 32. DRESZER K., MICHAŁEK R., ROSZKOWSKI A. 2003: Energia odnawialna – możliwości jej pozyskiwania i wykorzystania w rolnictwie. Wydawnictwo PTIR, Kraków-Lublin-Warszawa, ss. 256. 33. DUBAS J. 2003: Wierzba. [W:] Rośliny energetyczne, red. Kościk B. Wydawnictwo AR w Lublinie: 56–78. 34. DUBAS J.W., TOMCZYK A. 2005: Zakładanie, pielęgnacja i ochrona plantacji wierzb energetycznych. Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 29–30. 35. FABER A., KUŚ J. (red.), MATYKA M. 2009: Uprawa roślin na potrzeby energetyki. W&B Wiesław Krzewiński, ss. 30. 36. FELKER P., MCLAUCHLAN R., CONKEY A., BROWN S. 1999: Case study: development of a swath harvester for small diameter (< 10 cm) woody vegetation. Biomass and Bioenergy 17: 1–17. 37. FRĄCZEK J., KACZOROWSKI J., ŚLIPEK Z., HORABIK J., MOLENDA M. 2003: Standaryzacja metod pomiaru właściwości fizyczno-mechanicznych roślinnych materiałów ziarnistych. Rozprawy i Monografie 92. Wydawnictwo Instytutu Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego PAN, Lublin, ss. 160. 38. GERA D., MATHUR M.P., FREEMAN M.C., ROBINSON A. 2002: Effect of large aspect ratio of biomass particles on carbon burnout in a utility boiler. Energy & Fuels 16: 1523–1532. 39. GODET J.D. 2000: Przewodnik do rozpoznawania drzew i krzewów. Oficyna Wydawnicza „Delta W–Z”, ss. 255. 40. GÓRAL S. 1996: Topinambur – słonecznik bulwiasty – Helianthus tuberosus L. Nowe rośliny uprawne na cele spożywcze, przemysłowe i jako odnawialne źródła energii. Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 76–86. 41. GROCHOWICZ J. 1994: Maszyny do czyszczenia i sortowania nasion. Wydawnictwo AR w Lublinie, ss. 317. 42. GROMADZKI J. 2009. Katalog cennik ciągników i maszyn rolniczych. PIMR, Poznań, ss. 160. 43. GRUNDAS S., HNILICA P. 1987: Typy endospermu ziarna pszenicy i jego właściwości mechaniczne. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 320: 127–133. 44. GRZESIK M., ROMANOWSKA-DUDA Z.B. 2009: Technologia hydrokondyjnonowania nasion ślazowca pensylwańskiego (Sida hermaphrodita) w aspekcie zmian klimatycznych. Produkcja biomasy. Wybrane problemy. Wydawnictwo Wieś Jutra, Warszawa, 63–69. 45. GRZYBEK A. 2004: Potencjał biomasy możliwej do wykorzystania na produkcję pellet. Czysta Energia 6 (56): 24–25. 135 Technologie zbioru roślin energetycznych 46. GUIDI W., PICCIONI E., GINANNI M., BONARI E. 2008: Bark content estimation in poplar (Populus deltoides L.) short-rotation coppice in Central Italy. Biomass and Bioenergy 32, 518– 524. 47. GUIDI W., TOZZINI C., BONARI E. 2009: Estimation of chemical traits in poplar short-rotation coppice at stand level. Biomass and Bioenergy 33, 1703–1709. 48. GUMENIUK A. 2006: Agrotechnika zbioru roślin energetycznych. Wiadomości Rolnicze Polska 1: 20. 49. GUTMAŃSKI I., PIKULIN R. 1994: Porównanie wartości użytkowej kilku biotopów topinamburu (Helianthus tuberosus L.). Biuletyn IHAR 189: 91–100. 50. HALL G.E., BRAZEE R.D., HALL C.W. 1967: Relaxation characteristics of alfalfa stem sections. ASAE Paper No. 670–671, ASAE, St. Joseph. Michigan 49085. 51. HALYK R.M., HURLBUT L.W. 1968. Tensile and shear strength characteristics of alfalfa stems. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers 11(2): 256–257. 52. HAMAN J., KONSTANKIEWICZ K. 1999: Procesy zniszczenia w komórkowym ośrodku roślinnym. Acta Agrophysica 24: 67–86. 53. HARDERS G. 2002: Harvest, loading and transporting of willow chips from agricultural land – a system analysis. JTI Institut för Jordbruks – och miljö teknik. Raport JTI, ss. 294. 54. HEILMAN P.E., EKUAN G., FOGLE D. 1994. Above- and below-ground biomass and fine roots of 4-year-old hybrids of Populus trichocarpa × Populus deltoides and parental species in shortrotation culture. Canadian Journal of Forest Research 24: 1186–1192. 55. HILTON B. Arbre 2000: Harvesting experience and future requirements. http://test.netgates. co.uk/nre/pdf/BarbaraHiltonPaper.doc. 56. HILTON B., GARSTANG J., GROVES S., KING J., METCALFE P., PEPPER T., MCRAE I. 2005: ARBRE Monitoring The Fuel Supply Chain., DTI, UK. http://www.dti.gov.uk/renewables/publications _pdfs/bu1006260000.pdf. 57. IGATHINATHANE C., WOMAC A.R., SKOHANSANJ S., PORDESIMO L.O. 2006: Mass and moisture distribution in aboveground components of standing corn plants. Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Engineers 49(1): 97–106. 58. İNCE A., UĞURLUAY S., GÜZEL E., ÖZEAN M.T. 2005: Bending and shearing characteristics of sunflower stalk residue. Biosystems Engineering 92 (2): 175–181. 59. JANKOWSKI F. 1994: Miscanthus – the furure biommass crop for energy and industry. Biomass for energy environment and industry, 8th E.C. Conference, Vienna, 372–379. 60. JASIULEWICZ M. 2009: Efektywność ekonomiczna uprawy wierzby na gruntach marginalnych i możliwości wykorzystania biomasy w energetyce rozproszonej. Ekonomiczne uwarunkowania stosowania odnawialnych źródeł energii. Wydawnictwo Wieś Jutra, Warszawa, 92–101. 61. JEŻOWSKI S. 2003: Rośliny energetyczne – produktywność oraz aspekt ekonomiczny, środowiskowy i socjalny ich wykorzystania jako ekopaliwa. Postępy Nauk Rolniczych 3: 61–73. 62. KANAFOJSKI C. 1980: Teoria i konstrukcja maszyn rolniczych. Tom 2. Cz. I. PWRiL, Warszawa, ss. 548. 63. KARWOWSKA E. 2008: Topole z plantacji jako surowiec energetyczny. Czysta energia 2: 28–31. 64. KASPEREK D., SMAGA M., CICHOŃ M., LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T. 2008: Opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej zmodernizowanej sieczkarni. Raport z zadania nr I.6.3 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 7, plus dokumentacja konstrukcyjna. 65. KAUTER D.I., LEWANDOWSKI I., CLAUPEIN W. 2003: Quantity and quality of harvestable biomass from Populus short rotation coppice for solid fuel use – a review of the physiological basis and mangement influence. Biomass and Bioenergy 24, 411–427. 66. KOFMAN P.D. 2005: Establishment and harvesting of willow SRF in Denmark. http://www. coford.ie/iopen24/pub/pub/Seminar/2005/Kofman.pdf. 67. KOLOWCA J. 1986: Wpływ obciążeń mechanicznych na odkształcenia i wartość biologiczną ziarna pszenicy. Rozprawa habilitacyjna. AR w Krakowie. 68. KOPER R. 1980: Właściwości mechaniczne ziarna i źdźbła pszenicy wyznaczone metodą interferometrii holograficznej i elastooptyki. Rozprawa habilitacyjna. Wydawnictwo AR w Lublinie. 69. KOŚCIK B. (red.) 2003: Rośliny energetyczne. Wydawnictwo AR w Lublinie, ss. 146. 136 Literatura 70. KOŚCIK B., KOWALCZYK-JUŚKO A., KOŚCIK K. 2003: Uprawa miskanta cukrowego i spartiny preriowej. Ogniwa paliwowe i biomasa lignocelulozowa szansą rozwoju wsi i miast. WSISiZ, Warszawa, 51–54. 71. KOŚCIK B., KOWALCZYK-JUŚKO A., KOŚCIK K. 2004. Plantacje energetyczne traw wieloletnich. Wieś Jutra 3(68): 56–57. 72. KOWALCZYK-JUŚKO A. 2003: Topinambur. [W:] Rośliny energetyczne, red. Kościk B. Wydawnictwo AR w Lublinie, 96–110. 73. KOWALCZYK-JUŚKO A. 2004: Nowa roślina energetyczna ślazowiec pensylwański. Kurier Rolniczy 8: 9–10. 74. KOWALCZYK-JUŚKO A. 2009: Przydatność wybranych gatunków roślin do energetycznego wykorzystania. [W:] Biomasa jako źródło energii, red. Jackowska I., Wydawnictwo Wieś Jutra, Warszawa, 39–50. 75. KOZAK M. 2006: Możliwości uprawy i wykorzystania miskanta olbrzymiego na cele energetyczne w Polsce cz. I, Ekonatura 4(28): 18. 76. KOZAKIEWICZ P., WIKTORSKI T. 2007: Robinia akacjowa (Robinia pseudoacacia L.) – drewno egzotyczne z Ameryki Północnej. Przemysł Drzewny 1: 25–28. 77. KRASZKIEWICZ A. 2008: Ocena ciepła spalania i wartości opałowej wybranych sortymentów drewna robinii akacjowej na tle klas grubości. MOTROL 10: 67–72. 78. KRISTENSEN E.F. 2003: Harvesting and handling of miscanthus – Danish experiences 2003. Proc. 1st meeting of IEA-Bioenergy Task 30, Denmark, September 22–25, 2001. [W:] Jørgensen U., Verwijst T. (red.), DIAS report – Plant Production 86: 41–46 (www.shortrotationcrops.org). 79. KRÓL K. 2004: Wierzba wiciowa – cenna roślina energetyczna. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna 3: 18–22. 80. KUSTERMANN M.F., KUTZACH H.D. 1982: Younga’s modulus dependent on deformation velocity. ASAE Paper, 82–3055. 81. KWAŚNIEWSKI D. 2007: Techniczno-ekonomiczne aspekty zbioru na plantacjach wierzby energetycznej. Inżynieria Rolnicza 6: 129–135. 82. KWAŚNIEWSKI D., MUDRYK K., WRÓBEL M. 2006: Zbiór wierzby energetycznej z użyciem piły łańcuchowej. Inżynieria Rolnicza 13: 271–277. 83. KWAŚNIEWSKI D., MUDRYK K., WRÓBEL M. 2008: Ocena zbioru wierzby energetycznej z użyciem kosy spalinowej. Inżynieria Rolnicza 10: 159–165. 84. Laboratorium maszyn rolniczych. 2001: Praca zbiorowa. Wydawnictwo SGGW, Warszawa, ss. 140. 85. LAVOIE F., D’AMOURS L., SAVOIE P. 2007: Development and field performance of a willow cutter-shredder-baler. VDI BERICHTE, VOL 2001: 311–316. 86. LAVOIE F., SAVOIE P., D’AMOURS L., JOANNIS H. 2008: Development and field performance of a willow cutter-shredder-baler. Applied Engineering in Agriculture 24(2): 165–172. 87. LECHASSEUR G., SAVOIE P. 2005: Cutting, bundling and chipping short rotation willow. The Canadian society for engineering in agricultural, food, and biological systems. Paper 05-080, ss. 12. 88. LISOWSKI A. (red.) 2009a: Efekty działania elementów wspomagających rozdrabnianie roślin kukurydzy a jakość kiszonki. Wydawnictwo SGGW, Warszawa, ss. 300. 89. LISOWSKI A. 2006: Ścinanie i rozdrabnianie wierzby energetycznej. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna 4: 8–11. 90. LISOWSKI A. 2009b: Zbiór energetycznych po polsku. Wiadomości Rolnicze Polska 10(62): 23. 91. LISOWSKI A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T., STRUŻYK A., CHLEBOWSKI J., KOTECKI L. 2009a: Badania techniczno-funkcjonalne i energetyczne (stanowiskowe) przystawek ścinających i innych zespołów roboczych sieczkarni. Raport z zadania nr I.6.5 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 13. 92. LISOWSKI A., KLONOWSKI J., STRUŻYK A., NOWAKOWSKI T., WASZKIEWICZ CZ. 2010a: Technologie zbioru roślin energetycznych. [W:] Nowoczesne technologie pozyskiwania i energetycznego wykorzystania biomasy, red. Rakowski J., Wydawnictwo Instytutu Energetyki, Warszawa, 121–144. 137 Technologie zbioru roślin energetycznych 93. Lisowski A., Klonowski J., Sypuła M. 2009b: Zastosowanie modelu RRSB do predykcji wydzielenia mieszaniny przeznaczonej do produkcji peletów i brykietów. Inżynieria Rolnicza 9(115): 169–176. 94. LISOWSKI A., KLONOWSKI J., SYPUŁA M. 2010b: Comminution properties of biomass in forage harvester and beater mill and its particle size characterization. Agronomy Research 2: 459–464. 95. LISOWSKI A., KLONOWSKI J., WASZKIEWICZ CZ., NOWAKOWSKI T., STRUŻYK A., KOTECKI L., DOŁŻYCKI A., SMAGA M. 2007: Opracowanie szczegółowych założeń technicznych do konstrukcji prototypu przystawek ścinających oraz do modernizacji sieczkarni. Raport z zadania nr I.6.1 projektu badawczego zamawianego PBZ–MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 13. 96. LISOWSKI A., KLONOWSKI J., WASZKIEWICZ CZ., NOWAKOWSKI T., STRUŻYK A., GENDEK A., KOTECKI L. 2008a: Budowa bazy danych do modeli matematycznych pracy sieczkarni i technologii zbioru roślin energetycznych. Raport z zadania nr I.6.9 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 42. 97. LISOWSKI A., KOSTYRA K., KLONOWSKI J., KOTECKI L. 2009c: Hydrauliczne urządzenie do formowania minisilosów. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna 1: 13–15. 98. LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T., CHLEBOWSKI J., ŚWIĄTEK K. 2008b: Opracowanie modelu matematycznego pracy sieczkarni wyposażonej w przystawkę ścinającą. Raport z zadania nr I.6.10 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 98. 99. LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T., KLONOWSKI J. 2009d: Właściwości mechaniczne ślazowca pensylwańskiego. [W:] Biomasa jako źródło energii, red. Jackowska I., Wydawnictwo Wieś Jutra, Warszawa, 59–69. 100. LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T., KLONOWSKI J., SYPUŁA M., CHLEBOWSKI J. 2009e: Naprężenia tnące i energia jednostkowa cięcia łodyg roślin energetycznych. [W:] Produkcja biomasy. Wybrane zagadnienia, red. Skrobacki A., Wydawnictwo Wieś Jutra, Warszawa, 70–80. 101. LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T., STRUŻYK A., KLONOWSKI J. 2010d: Design project of rowindependent harvesting machine for energetic plants. Agronomy Research. Biosystem Engineering. Special issue 1, vol. 8, 149–154. 102. LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T., STRUŻYK A., WASZKIEWICZ CZ., KLONOWSKI J., KASPEREK D., CICHOŃ M. 2010c: Projekt konstrukcyjny bezrzędowej maszyny do zbioru roślin energetycznych. Inżynieria Rolnicza 2(120): 19–25. 103. LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T., SYPUŁA M., CHOŁUJ D., WIŚNIEWSKI G., URBANOVIČOVÁ O. 2009f: Suppleness of energetic plants to chopping. Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW, Agriculture (Agricultural Engineering) 53: 33–40. 104. LISOWSKI A., PODLASKI S., DĄBROWSKA M., STRUŻYK A., KLONOWSKI J. 2008c: Ocena rozkładu długości cząstek roślin energetycznych rozdrobnionych w rozdrabniaczu bijakowym. Problemy Inżynierii Rolniczej 4 (62): 77–84. 105. LISOWSKI A., SAR Ł., ŚWIĄTEK K., KOSTYRA K. 2008d: Separator sitowy do analizy rozkładu długości sieczki. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna 2: 17–19. 106. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T. 2010e: Badania laboratoryjno-polowe (energetyczne, jakościowe) przystawek ścinających i innych zespołów roboczych sieczkarni w różnych warunkach użytkowania. Raport z zadania nr I.6.6 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 12. 107. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T. 2010f: Badania jakości uzyskiwanego surowca. Raport z zadania nr I.6.7 projektu badawczego zamawianego PBZMNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 23. 108. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T. 2010g: Ocena badanych zespołów roboczych i wnioski dotyczące wykorzystania wyników badań. Raport z zadania nr I.6.8 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 45. 138 Literatura 109. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T. 2010h: Opracowanie analizy wielowariantowej technologii zbioru roślin energetycznych. Raport z zadania nr I.6.14 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 16. 110. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T. 2010i: Weryfikacja modeli matematycznych oraz wnioski dotyczące ich wykorzystania. Raport z zadania nr I.6.15 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 14. 111. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T., CHLEBOWSKI J., SYPUŁA M., GACH S. 2010j: Ecological aspects of energetic plants harvesting. [W:] Selected problems of soil tillage systems and operations, red. Borowski P., Klimkiewicz M., Powałka M. Wyd. WEMA, Warszawa: 108–122. 112. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T., GACH S. 2009g: Określenie kosztów ponoszonych w technologiach zbioru roślin energetycznych. Raport z zadania nr I.6.12 projektu badawczego zamawianego PBZ-MNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 20. 113. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T., GACH S. 2010k: Wyznaczenie obciążeń energetycznych, wydajności pracy i kosztów w technologiach zbioru roślin energetycznych. Raport z zadania nr I.6.13 projektu badawczego zamawianego PBZMNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 14. 114. LISOWSKI A., STRUŻYK A., KLONOWSKI J., NOWAKOWSKI T., SYPUŁA M., CHLEBOWSKI J., KOTECKI L., ŚWIĄTEK K., ŚWIĘTOCHOWSKI A., MACIAK M., SERGIEL L. 2009h: Określenie obciążeń energetycznych i wydajności pracy w technologiach zbioru roślin energetycznych. Raport z zadania nr I.6.11 projektu badawczego zamawianego PBZMNiSW – 1/3/2006 (maszynopis). Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych SGGW, Warszawa, ss. 48. 115. MAJTKOWSKA G., MAJTKOWSKI W. 2005: Trawy źródłem energii. [W:] Trawy i rośliny motylkowe. Wydawnictwo Biznes-Press Sp. z o.o. Warszawa, 94–97. 116. MAJTKOWSKI W. 2006: Bioróżnorodność upraw energetycznych podstawą zrównoważonego rozwoju. Problemy Inżynierii Rolniczej 2: 25–36. 117. MAJTKOWSKI W., PODYMA W., GÓRAL S. 1996: Gatunki roślin do rekultywacji terenów zdegradowanych przez przemysł i gospodarkę komunalną. [W:] Nowe rośliny uprawne na cele spożywcze, przemysłowe i jako odnawialne źródła energii. Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 136–148. 118. MANI S., TABIL L.G., SOKHANSANJ S. 2003: An overview of compaction of biomass grand. Powder Handling and Processing 15(2): 160–168. 119. MARTYN W. 2003: Ogólne warunki przyrodnicze dla uprawy roślin energetycznych. Rośliny energetyczne, red. Kościk B. Wydawnictwo AR w Lublinie, 28–44. 120. MATUSZKIEWICZ W. 2008: Przewodnik do oznaczania zbiorowisk roślinnych Polski. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, ss. 538. 121. MCRANDAL D.M., MCNULTY P.B. 1980: Mechanical and physical properties of grasses. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers 23(2): 816–821. 122. MICHALAK D. 1997: Modelowe badania wytrzymałościowe ziarna zbóż na użytek projektowania maszyn rolniczych. Prace PIMR, 1: Poznań, 17–21. 123. MOHSENIN N. 1970: Physical properties of plant and animal materials, Vol. 1. Gordon and Breach Science Publishing Cop., New York. 124. MOLAS R. 2007: Uprawa topoli i ślazowca na cele energetyczne. www.bni.com.pl, ss. 14. 125. MOLAS R. 2008: Topola czy ślazowiec – rośliny energetyczne. www.instalator.pl, ss. 4. 126. MOLA-YUDEGO B., PELKONEN P. 2008: The effects of policy incentives in the adoption of willow short rotation coppice for bioenergy in Sweden. Energy Police 36(8): 3062–3068. 127. MOLENDOWSKI F. 2005: Wartość względnego modułu sprężystości rdzenia kolby kukurydzy. VII Międzynarodowa Konferencja Naukowa „Teoretyczne i aplikacyjne problemy inżynierii rolniczej”, 21–24 czerwca 2005: 80–82. 128. MURAT E. 1998: Hodowla lasu. Wydawnictwo Świat, Warszawa, ss. 122. 139 Technologie zbioru roślin energetycznych 129. MUZALEWSKI A. 2006: Koszty eksploatacji maszyn. Wskaźniki eksploatacyjno-ekonomiczne maszyn i ciągników stosowanych w gospodarstwach indywidualnych. Wydawnictwo IBMER, Warszawa, ss. 32. 130. MUZALEWSKI A. 2008: Zasady doboru maszyn rolniczych. www.arimr.gov.pl/pliki/70/0/0/ Zas_dob_masz_rol_300309.pdf, ss. 92. 131. NAZARI GALEDAR M., TABATABAEEFAR A., JAFARI A., SHARIFI A. 2008: Bending and shearing characteristiscs of alfalfa stems. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Manuscript FP 08 001. Vol. X, ss. 9. 132. NIEDZIÓŁKA I., SZYMANEK M., RYBCZYŃSKI R. 2004: Technologia produkcji kukurydzy cukrowej. Acta Agrophysica 114, ss. 82. 133. NIEUWENHOF P. 2003: Modeling of the energy requirements of a non-row sensitive corn header for a pull-type forage harvester. Praca magisterska. University of Saskatchewan, ss. 90. 134. NIEZGODZIŃSKI M.E., NIEZGODZIŃSKI T. 2009: Wytrzymałość materiałów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, ss. 288. 135. NORDH N.E. 2005: Long Term Changes in Stand Structure and Biomass Production in Short Rotation Willow Coppice. Praca doktorska. Swedish University of Agricultural Science. dissepsilon.slu.se/archive/00001001/01/2005120.pdf, ss. 26. 136. NOWAKOWSKI T., LISOWSKI A., KLONOWSKI J., GENDEK A. 2009: Moduł sprężystości przy zginaniu łodyg wybranych roślin energetycznych. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 543: 229–237. 137. NOWAKOWSKI T., LISOWSKI A., STRUŻYK A., DOŁŻYCKI A., SMAGA M. 2008: Koncepcja maszyny do zbioru wierzby krzewiastej. Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna 3: 2–4. 138. O’DOGHERTY M.J. 1982: A review of research on forage chopping. Journal of Agricultural Engineering Research 27: 267–289. 139. O’DOGHERTY M.J., HUBER A.J., DYSON J., MARSHAL C.J. 1995: A study of the physical and mechanical properties of wheat straw. Journal of Agricultural Engineering Research 62(2): 133–142. 140. OSTROWSKI J., GUTOWSKA A. 2008: Model diagnostyczny typowania gruntów przydatnych do upraw roślin energetycznych. Problemy Inżynierii Rolniczej 2: 145–152. 141. PABIS S. 2009: Metodologia i metody nauk empirycznych. Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, Koszalin, ss. 228. 142. PASYNIUK P. 2007: Problemy mechanizacji uprawy i zbioru wierzby krzewiastej Salix viminalis, Problemy Inżynierii Rolniczej 1 (55): 145–154. 143. PASYNIUK P. 2008: Problemy organizacyjne zbioru wierzby krzewiastej na cele energetyczne. Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna „Rola infrastruktury i techniki w zrównoważonym rolnictwie”. Kielce, 13–14 marca 2008, poster, ss. 6. 144. PAULRAUD S., NILSSON C. 2004: The effects of particle characteristics on emissions from burning wood fuel powder. Fuel 83: 813–821. 145. PELLERIN R.A., ANESHANSLEY D.J., PHELPS A., ABRAHAMSON L.P. 1999: Evaluation of tree harvesters and delivery systems for short rotation willow crop. ASAE/CSAE-SCGR, Paper 995055. 146. PERSSON S. 1987: Mechanics of cutting plant material. American Society of Engineers, St. Joseph, Michigan, US, ss. 288. 147. PISKIER T. 2006: Nakłady robocizny i koszty uprawy topinamburu. Inżynieria Rolnicza 11: 359–365. 148. PN-91/D-95009: Surowiec drzewny. Zrębki leśne, ss. 4. 149. PN-EN 13183-1. Wilgotność sztuki tarcicy. Część 1: Oznaczenie wilgotności metodą suszarkowo-wagową. 150. PORDESIMO W.C., EDENS W.C., SOKHANSANJ S. 2004: Distribution of aboveground biomass in corn stover. Biomass and Bioenergy 26(4): 337–343. 151. PRASAD T., GUPTA C.P. 1975: Mechanical properties of maize stalk as related to harvesting. Journal of Agricultural Engineering Research 20(1): 79–87. 152. PRINCE R.P., BARTOK T.W., BRADWAY D.M. 1969: Shear stress and modulus of elasticity of selected forages. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers 12(4): 426–429. 140 Literatura 153. REES D.V. 1982: A discussion of the sources of dry matter loss during the process of haymaking. Journal of Agricultural Engineering Research 27: 469–479. 154. REMLEIN-STAROSTA D., NIJAK K. 2007: Ślazowiec pensylwański – wstępne wyniki badań nad możliwościami ochrony przed agrofagami. Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 47 (4): 358–362. 155. ROSZEWSKI R. 1996: Miskant olbrzymi – Miscanthus sinensis giganteus. [W:] Nowe rośliny uprawne na cele spożywcze, przemysłowe i jako odnawialne źródła energii. Wydawnictwo SGGW, Warszawa, 123–135. 156. SAMSON R., MANI S., BODDEY R., SOKHANSANJ S., QUESADA D., URQUIAGA S., REIS V., LEM C.H., CARPIO C. 2005: The potential of C4 perennial grasses for developing a global bio-heat industry. Critical Reviews in Plant Sciences 24(5–6): 461–495. 157. SANDERSON M.A., EGG R.P., WISELOGEL A.E. 1997: Biomass losses during harvest and storage of switchgrass. Biomass and Bioenergy 12(2): 107–114. 158. SAWICKI B., KOŚCIK K. 2003: Trawy i zbiorowiska trawiaste. [W:] Rośliny energetyczne, red. Kościk B., Wydawnictwo AR w Lublinie, 111–135. 159. SCHWAB E.C., SHAVER R.D., SHINNERS K.J. LAUER J.G., COORS J.G. 2002: Processing and chop length effects in brown-midrib corn silage on intake, digestion, and milk production by dairy cows. Journal of Dairy Science 85: 613–623. 160. SHAW M.D., TABIL L.G. 2007: Compression, relaxation, and adhesion properties of select biomass grinds. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Manuscript PM 07 006, Vol. IX, ss. 16. 161. SHINNERS K.J., BINVERSIE B.N., SAVOIE P. 2003: Harvest and storage of wet and dry corn stover as a biomass feedstock. ASAE Paper 03-6088. 162. SKUBISZ G. 2001: Development of studies on the mechanical properties of winter rape stems. International Agrophysics 15: 197–200. 163. SKUBISZ G., RUDKO T., SALAMON Z. 2001: Determination of the mechanical properties of blackcurrant shoots. International Agrophysics 15: 287–291. 164. ŚLIPEK Z., KACZOROWSKI J., FRĄCZEK J. 1999: Analiza teoretyczno-doświadczalna tarcia materiałów roślinnych. PTIR, Kraków, ss. 188. 165. ŚLIWIŃSKI M. 2009: Rdestowce. Zielona planeta 2 (83): 10–13. 166. SOKHANSANJ S. 2006: Overview of the Integrated Biomass Supply Analysis and Logistic (IBSAL). A special publication Oak Ridge National Laboratory, ORNL/TM, ss. 38. 167. SOKHANSANJ S., FENTON J. 2006: Cost benefit of biomass supply and pre-processing. BIOCAP, Kanada, ss. 32. 168. SPINELLI R. 1999: A review of short-rotation forestry harvesting in Europe. http://www. woodycrops.org/paducah/spinelli.html. 169. SPINELLI R. 2001: Report on the CRL Mk II SRC harvester. www.treepower.org/harvesting/crl.pdf, ss. 7. 170. SPINELLI R., KOFMAN P. 1996: A Review of Short-Rotation Forestry Harvesting in Europe, First Conference of the Short Rotation Woody Crops Operations Working Group, Paducah, KY, September 23–25. 171. SRIVASTAVA A.K., GOERING C.E., ROHRBACH R.P. 1993: Engineering principles of agricultural machines. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers Michigan, ss. 601. 172. STRUŻYK A., LISOWSKI A., NOWAKOWSKI T. 2009: Prędkość krytyczna rozdrobnionego materiału z wybranych roślin energetycznych. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 543: 327–335. 173. STUART W.B. 1994: Mechanization of short rotation, intensive culture wood crops. http:// www.woodycrops.orga/mechconf/stuart.html, ss. 131. 174. STYK B., STYK W. 1994: Ślazowiec pensylwański – surowiec energetyczny. Annales Universitatis Mariae Curie-Skłodowska, Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie, suppl. 49: 85–87. 175. STYLES D., THORNE F., JONES M.B. 2008: Energy crops in Ireland: An economic comparison of willow and Miscanthus production with conventional farming systems. Biomass and Bioenergy 32(5): 407–421. 141 Technologie zbioru roślin energetycznych 176. SZCZUKOWSKI S., TWORKOWSKI J. 2000. Produktywność wierzb krzewiastych Salix sp. na glebie organicznej. Inżynieria Ekologiczna 1: 138–144. 177. SZCZUKOWSKI S., TWORKOWSKI J. 2001: Produktywność oraz wartość energetyczna biomasy wierzb krzewiastych Salix sp. na różnych typach gleb w pradolinie Wisły. Postępy Nauk Rolniczych 2: 39–38. 178. SZCZUKOWSKI S., TWORKOWSKI J. 2004: Plantacje energetyczne wierzby i innych roślin wieloletnich. Wieś Jutra 3(68): 53–55. 179. SZCZUKOWSKI S., TWORKOWSKI J. 2009: Wybrane aspekty plonowania i wykorzystania biomasy wierzby. Produkcja biomasy. Wybrane problemy. Wydawnictwo Wieś Jutra, Warszawa, 15–23. 180. SZCZUKOWSKI S., TWORKOWSKI J., STOLARSKI M. 2006: Wierzba energetyczna. Wydawnictwo Plantpress, Kraków, ss. 46. 181. SZYSZAK J., PIEKARSKI W., KRZACZEK P., BORKOWSKA H. 2006: Ocena wartości energetycznych ślazowca pensylwańskiego dla różnych grubości pędów rośliny. Inżynieria Rolnicza 6: 311–318. 182. Technical Note, 1998: Harvesting and comminution of short rotation coppice. Forest Research 8, ss. 12. 183. THARAKAN P.J., VOLK T.A., ABRAHAMSON L.P., WHITE E.H. 2003: Energy feedstock charactersitics of willow and hybrid poplar clones at harvester age. Biomass and Bioenergy 25, 571–580. 184. TOKARSKA-GUZIK B. 2005: Azjatyckie rdestowce – zagrożenie dla rodzimej szaty roślinnej. Przyroda Górnego Śląska 41: 8–9. 185. WĘGOREK T. 2003: Drzewa. [W:] Rośliny energetyczne, red. Kościk B. Wydawnictwo AR w Lublinie, 45–55. 186. WILKINSON J.M., EVANS E.J., BILSBORROW P.E., WRIGHT C., HEWISON W.O., PILBEAM D.J. 2007: Yield of willow cultivars at different planting densities in a commercial short rotation coppice in the north of England. Biomass and Bioenergy 31(7): 469–474. 187. WIŚNIEWSKI G., PODLASKI S. 2008: Agrotechnika roślin uprawianych na cele energetyczne. Energia odnawialna. Mazowiecki Ośrodek Doradztwa Rolniczego, Płońsk, 77–91. 188. WOLIŃSKI J., WOLIŃSKA J. 2007: Ocena właściwości mechanicznych łodyg gryki odmian Hruszowska, Luba i Panda. Inżynieria Rolnicza 7: 243–247. 189. WOMAC A.R., YU M., IGATHINATHANCE C., HAYES D., NARAYAN S., SKOHANSANJ S., WRIGHT L. 2005: Shearing characteristics of biomass for size reduction. ASAE Paper 05-6058. 190. www.agrarweb.at. 191. www.coppiceresources.co.uk. 192. www.google.pl. 193. www.gtmachinerysales.com.au. 194. www.metaltech.com.pl. 195. www.salix.se. 196. www.smul.sachsen.de. 197. www.ze.strefa.pl. 198. YILJEP Y., MOHAMMED U. 2005: Effect of knife velocity on cutting energy and efficiency during impact cutting of sorghum stalk. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Manuscript PM 05 004, Vol. VII. 199. ZABIELSKI S. 1998: Plantacyjna uprawa drzew i krzewów szybko rosnących. Wydawnictwo AR w Poznaniu. 200. ZAWADZKA D., SŁAWSKI M. 2007: Las. Wydawnictwo Multico, Warszawa, ss. 336. 201. ZHANG M. 2002: Design and evaluation of corn silage-making system with shredding. Praca doktorska. The Pennsylvania State University College of Engineering. Pennsylvania, ss. 198. 202. ZOERB G.C., HALL C.W. 1960: Some mechanical and rheological properties of grains. Journal of Agricultural Engineering Research 5 (1): 83–93. 142 Streszczenie Intensywne technologie produkcji rolniczej mogą przyczyniać się do degradacji środowiska naturalnego. W związku z tym dużą uwagę należy kierować na wszelkie działania proekologiczne, w tym związane z uzasadnionymi ekonomicznie, nowymi technikami zbioru tych roślin. Dobór technologii zbioru roślin energetycznych zależy od ich rodzaju. Rośliny te można zbierać jedno- lub dwuetapowo, w cyklach jednorocznych lub wieloletnich. Zbiór jednoetapowy polega na jednoczesnym ścinaniu roślin i rozdrabnianiu, najczęściej przy zastosowaniu sieczkarni polowej, zarówno ciągnikowej, jak i samojezdnej. Jest więc to równocześnie zbiór roślin w postaci zrębków (drzewa, krzewy) lub sieczki (trawy, byliny). Zbiór dwuetapowy obejmuje dwie niezależne fazy, które są realizowane przez oddzielne maszyny. W pierwszej fazie rośliny są ścinane, a w drugiej rozdrabniane. Wyróżnienie tych faz wynika z racji formy surowca lub produktu, jaki chcemy otrzymać. Między tymi fazami może występować klika operacji, zależnie od rodzaju rośliny i formy ściętego materiału. W przypadku roślin krótkiej rotacji w zbiorze dwuetapowym dominuje zbiór w postaci całych roślin, a następnie po wysuszeniu materiału – jego rozdrabnianie w warunkach stacjonarnych. Trawy i byliny, po ich ścięciu, są zbierane prasami lub przyczepami zbierającymi. Ogólnie można stwierdzić, że zbiór traw lub bylin można przeprowadzić za pomocą maszyn powszechnie stosowanych do zbioru zielonek, siana lub słomy. Dotychczasowe doświadczenia, jak i specyfika polskiego rolnictwa wskazują na konieczność wdrożenia maszyn, które będą dostępne dla właścicieli małych plantacji oraz pozwolą na terminowe i jakościowo właściwe wykonywanie wszystkich zabiegów agrotechnicznych, a dość niski stopień ich wykorzystania nie wpłynie znacząco na koszty produkcji biopaliwa stałego. Wnioski wynikające z dotychczas przeprowadzonych badań są zróżnicowane i trudno jest jednoznacznie wskazać i zalecić do stosowania określoną technologię zbioru. Zalecane są różne technologie w zależności od wielkości uprawy, istniejących w gospodarstwie maszyn, prowadzenia innej produkcji, dysponowanymi środkami transportowymi i innym zapleczem technicznym. Ogólnie można stwierdzić, że technologia jednoetapowa jest zalecana na dużych plantacjach, a dwuetapowa na małych. W pracy zaprezentowano autorski projekt ciągnikowej sieczkarni do zbioru roślin energetycznych wykonanej w ramach zadania PBZ-MNiSW–1/3/2006. Przystawkę ścinającą z zespołami zabierającym i podnosząco-podającym zaprojektowano w dwóch wersjach. W jednym z rozwiązań w zespole podającym zastosowano obrotowe zabieraki palcowe, a w drugim pionowe walce ślimakowe. Rośliny są ścinane piłami tarczowymi o prędkości obwodowej 100 m·s–1. Rozdrabnianie realizowane jest przez bębnowy zespół rozdrabniający, pozwalający na cięcie łodyg o średnicy do 70 mm na zrębki o wymiarze 20–60 mm. 143 Technologie zbioru roślin energetycznych Podawany do cięcia materiał jest zagęszczany i utrzymywany podczas cięcia przez zębate walce wciągająco-zgniatające. Pocięte łodygi są kierowane przez kanał wyrzutowy do skrzyni środka transportowego. Zamieszczono również wyniki symulacji nakładów ponoszonych w opracowanych technologiach zbioru wierzby. W technologiach zbioru uwzględniono różne rozwiązania odbioru, transportu i rozdrabniania roślin. W celu ułatwienia porównania metod przyjęto, że w każdej technologii produktem końcowym jest materiał rozdrobniony (sieczka lub zrębki). Jednostkowe koszty wytwarzania biomasy na cele energetyczne oraz zużycie paliwa i pracochłonność odniesiono do 1 t suchej substancji pozyskiwanej w omawianych technologiach. 144 Summary Intensive of plant production processes could contribute to environmental degradation. Therefore, great attention should be directed to any environmentally friendly measures, including those related to reasonable cost, new techniques and harvest these plants. Selection of a set of technologies for energetic plants depends on the species. These plants can harvest in one or two stages, in annual or multi–annual cycles. Single-stage harvest consists of a set of simultaneous cutting and breaking-up plants, mostly using a forage harvester, both of tractors and selfpropellers. So it is also a harvest of plants in the form of chips (willow, poplar, shrubs) or chopped (grasses, perennials). A set of two-stage includes two independent phases, which are performed by separate machines. In the first phase of the plants are cut down and the other broken-up. Distinction of these phases is apparent because the form of raw material or product, what we get. In between these phases may be several operations, depending on plant species and a truncated form of the material. In the case of short rotation crops in the set is dominated by two-stage set in the form of entire plants, and then after drying the material – its grinding in stationary conditions. Grasses and perennials, after felling, are pick-up by balers or forage trailers. Overall, the harvest of grasses and perennial plants can be done by machines commonly used to harvest green fodder, hay or straw. Past experience and the specifics of Polish agriculture pointing out to necessity to implement the machines, which will be available to owners of small plantations and allow for timely and proper quality carrying out of all agricultural operations and a relatively low rate of utilization does not affect significantly the production costs of solid biofuels. Conclusions from the studies conducted so far are diverse and it is difficult to clearly identify and recommend to use of the particular technology of harvesting. Various technologies are recommended depending on the size plantation, the existing machines in the farm, currying out other production, having at disposal of means of transport and other technical facilities. In general, however, that the single–stage technology is recommended on large plantations, and twostages – small. The prototype of harvest universal and non-row machine for harvesting of energetic plants into chips and chaff forms was described. On cutter adapters, which were done at two versions, the patent claim no. P 385 536 in the Patent Office was made. At one version the feeding unit have elastic fingers and other – spiral rolls. Machine has module of construction, which will provide its easily modification, and hydraulic drive with electro hydraulic steering provide on choosing working parameters of working elements and units for different field conditions. The machine is able to cut of plants on high to 100 mm and shoot 145 Technologie zbioru roślin energetycznych diameter to 70 mm and break up on particles with size 20–60 mm. Fed to the cutting material is compressed and held during cutting by grooving rolls of feeding-compression unit. Cut stalks are directed through the discharge spout to means of transport. Also includes the results of the simulation input costs in the developed of willows harvesting technologies. The harvesting technology includes a set of different solutions to the collection of material, transport and braking-up plants. In order to facilitate comparison of methods assumes that each end product of technology is broken-up material (chopped straw or wood chips). The unit costs of producing biomass for energy purposes and fuel consumption and labor-intensive reference was made to 1 t of dried substance abstracted in these technologies. 146 WYDAWNICTWO SGGW oferuje w sprzedaży bezpośredniej i wysyłkowej m.in. następujące książki* Ogrody – historia architektury i sztuki ogrodowej. A. Różańska, T. Krogulec, J. Rylke. 30,0 zł Przyroda i miasto. Praca zbiorowa. T. VI – 30,0 zł, T. VII – 30,0 zł, T. VIII – 40,0 zł, T. IX – 30,0 zł, T. X (cz. I i II) – 50,0 zł Wybrane zagadnienia z finansów. T. Siudek (red.). 45,0 zł Energia i jej użytkowanie w przemyśle rolno-spożywczym. Praca zbiorowa. 16,0 zł Entomologia leśna. T. I i II. A. Szujecki. 50,0 zł Ochrona konsumenta na rynku żywności. I. Ozimek. 25,0 zł Psychologia żywienia. M. Pilska, M. Jeżewska-Zychowicz. 25,0 zł Wybrane zagadnienia ekologiczne. J. Stawicka i in. 35,0 zł Proces inwestycyjny i eksploatacja obiektów budowlanych. M. Połoński (red.). 25,0 zł Chemia rolna. Podstawy teoretyczne i praktyczne. Praca zbiorowa. 28,0 zł Zarys geologii. T. Falkowski, H. Złotoszewska. 30,0 zł Podstawy dietetyki. J. Bujko (red.). 25,0 zł Ćwiczenia z chemii ogólnej. T. Drapała, A. Kozakiewicz. 27,0 zł Obsługa konsumenta w gastronomii i cateringu. E. Czarniecka-Skubina. 30,0 zł Surowce spożywcze pochodzenia roślinnego. Praca zbiorowa. 35,0 zł Podstawy ekonomiki i organizacji gospodarstw rolniczych. M. Gębska, T. Filipiak. 20,0 zł Podstawy biooceny żywności. A Gronowska-Senger. 15,0 zł Organizacja usług turystycznych i hotelarskich. Praca zbiorowa. 30,0 zł Geodezja z fotogrametrią i geomatyką. J. Wysocki. 40,0 zł Logistyka – wybrane zagadnienia. Praca zbiorowa. 35,0 zł Wprowadzenie do rolnictwa ekologicznego. J. Tyburski, S. Żakowska-Biemans. 40,0 zł Podstawy rachunkowości. J. Bereżnicka, J. Franc-Dąbrowska. 30,0 zł Zarys geometrii wykreślnej. J. Hałkowski, J. Koźmińska. 35,0 zł Przetwórstwo rolno-spożywcze. A. Kaleta, J. Wojdalski. 30,0 zł Podstawy techniki cieplnej w inżynierii rolniczej. A. Kaleta, K. Górnicki. 50,0 zł Ekonomia matematyczna. Teoria. Przykłady. Zadania. U. Grzybowska. 20,0 zł Równania różniczkowe zwyczajne rzędu pierwszego. H. i L. Kazieko. 30,0 zł Ćwiczenia z meteorologii. Praca zbiorowa. 28,0 zł Farmakoterapia stanów krytycznych zwierząt. B.F. Kania. 40,0 zł Ekotoksykologia z elementami mutagenezy i kancerogenezy środowiskowej. A. Sadowska. 40,0 zł Oznaczanie rodzajów ważnych organizmów fitopatogenicznych (Fungi, Oomycota, Plasmodioporida). J. Marcinkowska. 40,0 zł Użytkowanie maszyn i aparatury w przetwórstwie rolno-spożywczym. Wybrane zagadnienia. J. Wojdalski (red.). 50,0 zł *Według stanu na dzień 25.08.2010 r. Pełna oferta: www.wydawnictwosggw.pl Maszynoznawstwo gastronomiczne. R. Zaremba, A. Półtorak. 15,0 zł Zachowania żywieniowe i ich uwarunkowania. M. Jeżewska-Zychowicz. 25,0 zł Zachowanie się zwierząt. Zarys problematyki. T. Kaleta. 20,0 zł Zarys klinicznej bakteriologii weterynaryjnej. K. Malicki, M. Binek (red.). T. I i II – 90,0 zł Chów kur. E. Świerczewska i in. 29,0 zł Człowiek i owady. J. Boczek. 20,0 zł SGGW – wczoraj, dziś, jutro. Praca zbiorowa. 45,0 zł Całka – jednokrotna, podwójna, potrójna. H. i L. Kazieko. 30,0 zł Zbiór zadań z wytrzymałości materiałów. Praca zbiorowa. 25,0 zł Zielone światy. Praca zbiorowa. 35,0 zł Zadania z zastosowań matematyki. S. Smolik. 30,0 zł Niekonwencjonalne systemy kanalizacji. M. Kalenik. 15,0 zł Wprowadzenie do ekonometrii dynamicznej i finansowej. D. Witkowska i in. 30,0 zł Diagnostyka szkodników roślin i ich wrogów naturalnych. J. Boczek (red.). T. II – 13,0 zł, T. III – 24,0 zł, T. IV – 38,0 zł Wybrane zagadnienia z ogólnej technologii żywności. A. Jarczyk, E. Dłużewska (red.). 25,0 zł Przewodnik do ćwiczeń z ochrony i konserwacji drewna. B. Andres i in. 20,0 zł Przewodnik do ćwiczeń z chemii żywności. J. Rutkowska. 20,0 zł Zarządzanie projektem. H. Roszkowski, A.P. Wiatrak. 20,0 zł Wybrane zagadnienia z technologii żywności. Praca zbiorowa. 40,0 zł Prace i egzaminy dyplomowe. Regulaminy, standardy, wskazówki. W. Wójcicki. 10,0 zł Woda – uzdatnianie i odnowa. Laboratorium. M. Granops, K. Kaleta. 20,0 zł Ćwiczenia z fizjologii człowieka. D. Rosołowska-Huszcz i in. 25,0 zł Zastosowanie teorii gier w ekonomii i zarządzaniu. E. Drabik. 23,0 zł Hodowla psów. K. Ściesiński. 40,0 zł Wartości referencyjne podstawowych badań laboratoryjnych w weterynarii. A. Winnicka. 18,0 zł Higiena produkcji żywności. D. Kołożyn-Krajewska i in. 35,0 zł Klimat a drewno zabytkowe. P. Kozakiewicz, M. Matejak. 30,0 zł Zbiór zadań z teorii mechanizmów. M. Miszczak, T. Nowakowski. 18,0 zł Chemia sanitarna. L. Kiedryńska i in. 25,0 zł O powinności nauczyciela. K. Najder-Stefaniak. 16,0 zł Zbiór zadań i pytań treningowych z chemii organicznej. Praca zbiorowa. 18,0 zł Aukcje w teorii i praktyce. E. Drabik. 20,0 zł Inżynieria systemów. M. Jaros, S. Pabis. 15,0 zł Zeszyt do ćwiczeń z entomologii stosowanej. Praca zbiorowa. 35,0 zł Ćwiczenia z chemii nieorganicznej. Praca zbiorowa. 15,0 zł Podane ceny są cenami detalicznymi (bez kosztów wysyłki). Zamówienia prosimy kierować pod adresem: Wydawnictwo SGGW, ul. Nowoursynowska 166, 02-787 Warszawa tel. (22) 593 55 20 (-22, -25 – sprzedaż), e-mail: [email protected] Zapraszamy do korzystania z naszej oferty!
