OZE ze słomy?

W dobie kryzysu energetycznego wzrost zapotrzebowania na tanią energię odnawialną jest nieunikniony.

Dr Jarosław Domański

Katedra Biotechnologii Środowiskowej Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności Politechnika Łódzka

Od wielu lat podstawowym źródłem energii są paliwa kopalne tj. gaz ziemny, ropa naftowa oraz węgiel kamienny i brunatny. Trzeba jednak pamiętać, że spalanie paliw kopalnych generuje dwutlenek węgla - gaz cieplarniany. Szacuje się, że spalanie 1 tony węgla generuje około 2 ton CO2.

Kryzys energetyczny w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku spowodował wzrost zainteresowania innymi, alternatywnymi surowcami energetycznymi. Ostatnie lata to kumulacja kłopotów energetycznych: wojna na Ukrainie, embargo na surowce energetyczne sprowadzane z Rosji, a także postępujące coraz szybciej negatywne skutki ocieplania klimatu i jego wpływu na środowisko. Stymuluje to bardziej efektywne działania dla poszukiwania nowych rozwiązań. Stwierdzono, że wykorzystanie odnawialnych źródeł energii tj. energii ze słońca, wody, wiatru czy biomasy pozwoli znacznie ograniczyć negatywny wpływ paliw kopalnych na środowisko. Jednym ze źródeł energii odnawialnej jest biomasa roślinna. Biomasa może być pozyskiwana ze specjalnych plantacji roślin energetycznych lub też wykorzystania odpadów/ produktów ubocznych z przemysłu rolno-spożywczego. Pierwsza ze strategii pozwala wykorzystywać np. plantacje wierzby lub kukurydzy, a pozyskana biomasa spalana jest w kotłach elektrociepłowni lub stanowi

substrat w procesie fermentacji metanowej w bioreaktorach. Ten sposób pozyskiwania biomasy na cele energetyczne ma jednak sporo wad, np. plantacja roślin energetycznych wymaga zabezpieczenia terenu, który już nie może być wykorzystany rolniczo dla produkcji żywności. Innym negatywnym aspektem jest fakt, że wiele plantacji roślin energetycznych powstaje na wylesionych terenach puszczy amazońskiej, zmniejszając różnorodność biologiczną środowiska i przyczyniając się do wzrostu efektu cieplarnianego. Bardziej interesującą strategią jest wykorzystanie biologicznych odpadów przemysłu rolno-spożywczego, wpisujące się w strategię zrównoważonego rozwoju i gospodarki zeroemisyjnej.

Polska od wielu lat jest w czołówce krajów wykorzystujących żyto. W 2020 roku powierzchnia zasiewów zajmowała około 1 mln hektarów. Produktywność z hektara jest zmienna i zależy głownie od warunków pogodowych, np. w roku 2020 wynosiła ona około 3 ton. Słoma żytnia pod względem składu pierwiastkowego składa się głównie z węgla (40-50%) oraz tlenu (35-45%). Pozostałe pierwiastki to wodór (5-6%), azot (0,5-1,5%), chlor (do 0,6%) i siarka (poniżej 0,2%). W Polsce słoma była dotychczas wykorzystywana głównie w rolnictwie do produkcji zwierzęcej lub jako nawóz. Jednakże malejąca liczebność stad trzody chlewnej spowodowała zmniejszone zapotrzebowanie na słomę. Szacuje się, że 40% słomy żytniej nie jest wykorzystywane rolniczo.

Najprostszym sposobem wykorzystania słomy żytniej jako odnawialnego źródła energii jest jej spalenie. Średnio energia uzyskana ze spalenia 1 tony słomy jest równoważna ok. pół tony węgla kamiennego. Wartość opałowa słomy wysuszonej, zawierającej w granicach ok 10 % wilgotności, wynosi ok. 14 - 18 MJ na kilogram. Jednak wraz ze wzrostem wilgotności słomy spada jej wartość opałowa, i tak dla słomy zawierającej 50% wilgotności wynosi ona nie więcej niż 5 MJ/kg. Należy zwrócić uwagę na szereg wad tego rozwiązania. Ze względu na fakt, iż słoma nie jest materiałem jednorodnym oraz zajmuje większą objętość niż węgiel kamienny, zastosowanie jej jako materiału energetycznego wymaga stosowania specjalnych pieców. Piece do wykorzystania słomy jako paliwa można podzielić na wsadowe i automatyczne. Kotły wsadowe przystosowane są do wykorzystywania dużych bel lub kostek słomy. W klasycznych piecach utrudnione jest całkowite spalanie słomy, ze względu na trudności w dopływie powietrza do całej objętości tego paliwa. Sprawność takich pieców nie przekracza wówczas 40%. Pewne rozwiązanie może stanowić zastosowanie tzw. kotłów przeciwprądowych, w których nadmiar powietrza kierowany jest wraz ze spalinami z powrotem, co umożliwia dopalenie tlenków węgla i pozostałych związków organicznych. Dobre wymieszanie powietrza i spalin powoduje, iż sprawność takich pieców osiąga nawet 75 %. Spalanie słomy przebiega dość gwałtownie, co sprawia, że często stosuje się stosowanie tzw. buforów ciepła (np. zbiorników wody), które po nagrzaniu oddają ciepło do układu grzewczego budynku lub służą do ogrzewania wody użytkowej. Z kolei systemy automatyczne umożliwiają ciągłe podawanie słomy do pieca, która wcześniej jest rozdrabniana na mniejsze fragmenty, tym samym ułatwiając jej spalanie.

Spalanie słomy w piecach jako paliwo czy jej dodatek do paliwa kopalnego, traktowany jest jako proces zeroemisyjny. Przyjmuje się bowiem, że CO2 generowane podczas tego procesu, jest równoważne z ilością, która jest pobierana podczas wzrostu roślin w procesie fotosyntezy. Zatem zastosowanie całkowitego i nowoczesnego procesu spalania słomy, który nie generuje powstawania innych pyłów i gazów, pomoże chociaż w części zastąpić paliwa kopalne i zmniejszyć wytwarzanie gazów cieplarnianych.

W Katedrze Biotechnologii Środowiskowej Politechniki Łódzkiej

prowadzone są prace badawcze w celu wykorzystania słomy żytniej i innych odpadów roślinnych dla procesów energetycznych, ale z zastosowaniem procesów biotechnologicznych. Podstawowym procesem jest fermentacja biomasy prowadzona przez bakterie beztlenowe, w wyniku której otrzymywany jest metan i wodór. Produkty takiej fermentacji to doskonałe alternatywne paliwa do celów energetycznych (spalenie metanu i wodoru daje odpowiednio ok. 36 MJ/m3 i 10 MJ/m3).

Metan spalany jest głównie w układach kogeneracyjnych dla produkcji energii cieplnej i/lub elektrycznej. Fermentacja i procesy spalania w przypadku niewielkich biogazowni zlokalizowanych w gospodarstwach rolnych mogą stanowić zamkniętą pętlę procesową: energia cieplna posłuży do utrzymania właściwej temperatury podczas fermentacji metanowej (temp. ok. 37oC) prowadzonej przez bakterie beztlenowe, zaś nadwyżkę energii można wykorzystać na cele grzewcze.

Bezpośrednie wykorzystanie do procesów fermentacyjnych może być jednk mało efektywne. Słoma żytnia stanowi bowiem surowiec ligninocelulozowy, składający się z celulozy, hemiceluloz i lignin. Ich proporcje zależą od rodzaju żyta, warunków uprawy i mogą wynosić odpowiednio 30-50%, 15-30% i 15-20%. Głównym źródłem związków węgla wykorzystywanych przez mikroorganizmy jest celuloza – polimer glukozy połączonej wiązaniami β-1,4-glikozydowymi. Mikroorganizmy wykorzystywane w procesach fermentacji charakteryzują się ograniczoną zdolnością hydrolizy celulozy do glukozy. Zatem w celu zwiększenia wydajności fermentacji i uzysku metanu stosowane mogą być różne metody obróbki wstępnej słomy żytniej: enzymatyczna (zastosowanie celulaz oraz innych enzymów hydrolizujących polimery celulozy), chemiczna (zastosowanie hydrolizy kwasowej lub zasadowej, ozonowania) i/lub fizyczna (zastosowanie wysokiej temperatury, ultradźwięków, itp.).

Prowadzone prace badawcze wykazały, że np. zastosowanie kwasu siarkowego i podwyższonej temperatury do obróbki wstępnej słomy żytniej, spowodowało 20-krotne zwiększenie ilości dostępnej glukozy, a uzysk metanu był ok. 3 razy większy i wyniósł ok. 350 m3 metanu na tonę suchej masy słomy żytniej. Przeprowadzona analiza ekonomiczna takiego procesu prowadzonego w warunkach laboratoryjnych wykazała, że możliwe jest uzyskanie ok 11 MJ energii netto na kg suchej masy słomy żytniej. Wstępne szacunki pozwalają na stwierdzenie, że zastosowanie słomy żytniej w ilości ok 1,2 mln ton (szacunkowa ilość niewykorzystanej na cele rolnicze słomy żytniej w Polsce w 2020), przy proporcjonalnych nakładach i warunkach ekonomicznych (zwiększenie skali) prowadzenia procesu obróbki wstępnej i procesu fermentacji beztlenowej, możliwe byłoby uzyskanie ok 4,6 terawatogodzin (TWh) energii elektrycznej, co odpowiada np. 3,5% całkowitej produkcji energii elektrycznej w Polsce.

Literatura

• Domański J., Borowski S., Marchut-Mikołajczyk O., Kubacki P. 2016. Pretreatment of rye straw with aqueous ammonia for conversion to fermentable sugars as a potential substrates in biotechnological processes.

Biomass and Bioenergy 91, 91-97

• Domański J., Marchut-Mikołajczyk O.,

Polewczyk A., Januszewicz B. Ozonolysis of straw from Secale cereale L. for anaerobic digestion. Bioresource Technology 2017 .245(Pt A):394-400

• Domański J., Marchut-Mikołajczyk O.,

Cieciura-Włoch W., Patelski P., Dziekońska-Kubczak U., Januszewicz B., Zhang B.,

Dziugan P. 2020. Production of methane, hydrogen and ethanol from Secale cereale

L. straw pretreated with sulfuric acid.

Molecules 25 (4), 1013

• Robak K., Balcerek M., Dziekońska-Kubczak

U., Dziugan P. 2019. Effect of dilute acid pretreatment on the saccharification and fermentation of rye straw. Biotechnology

Progress 35(3):e2789

• Rocha-Meneses L., Bergamo T.F., Kikas T. 2019. Potential of cereal-based agricultural residues available for bioenergy production.

Data in Brief 23, 103829.

• Rocznik Statystyczny Rolnictwa 2021