Burak energetyczny – nowe możliwości efektywnego wykorzystania buraka cukrowego – szansa dla plantatorów i cukrowni

Analizy rynku cukru wskazują, że w najbliższych kilku latach jest nie tylko konieczne, ale i możliwe znaczące zwiększenie produktywności uprawy buraków cukrowych. Koncern P&L zakłada, że cel, który powinien być osiągnięty w 2015 roku można sformułować jako 3×15: plon cukru 15 t/ha przy kosztach uprawy 15 euro/t buraków!

Do ważniejszych czynników umożliwiających osiągnięcie tego celu można zaliczyć: postęp genetyczny, wczesny siew i szybki wzrost roślin, minimalizację strat przy zbiorze i przechowywaniu buraków, kontrolę kosztów produkcji (np. poprzez uproszczone techniki uprawy, lepsze zarządzanie środkami produkcji, w tym środkami technicznymi) oraz szybki transfer wiedzy do praktyki.

Nakreślony cel jednoznacznie wskazuje, że w wielu krajach europejskich uprawa buraka cukrowego jako surowca dla przemysłu cukrowniczego nadal jest i będzie prowadzona. Szczególnie, że działania UE w zakresie reformy unijnego rynku cukru okazały się zbyt restrykcyjne i doprowadziły niektóre kraje z eksportera do roli importera cukru. Ponadto, ze względu na znaczący potencjał zaangażowany w przemysł środków do produkcji buraka (nasiennictwo, nawozy, środki ochrony roślin, specjalistyczną technikę) poszukuje się nowych obszarów wykorzystania buraka cukrowego. Takich możliwości – głównie, ze względu na skalę wykorzystania – upatruje się w przede wszystkim w produkcji bioetanolu i biogazu. W ostatnim czasie szczególnie duże zainteresowanie burakiem występuje ze strony powstającego przemysłu biogazowego. Stwierdzono w doświadczeniach, że tzw. burak energetyczny uzyskuje plon (korzeni i liści) ok. 130–150 ton/ha. Jeśli do tego dodamy wysoki poziom biogazowania oraz bardzo krótki całkowity czas zgazowania substratu, to otrzymamy obraz surowca energetycznego, przewyższającego wszystkie dotychczasowe w sposób na dziś nieporównywalny.

„Burak energetyczny”

Energetyczne wykorzystanie buraka jest jednym z podstawowych celów pakietu energetyczno-klimatycznego Unii Europejskiej, który zakłada, że do 2020 roku efektywność zużycia energii ma wzrosnąć o 20%, udział odnawialnych źródeł energii w bilansie energetycznym ma sięgnąć 20%, a emisja CO₂ ma zostać ograniczona o 20%. Istota Pakietu 3×20 polega bowiem nie tylko na zmniejszeniu zużycia energii pierwotnej i zmniejszeniu emisji CO₂, ale przede wszystkim także na wejściu na ścieżkę energetyki innowacyjnej, z wykorzystaniem energii ze źródeł odnawialnych pochodzenia rolniczego. W szczególności pakiet przewiduje działania na rzecz rozwoju rozproszonej kogeneracji opartej na lokalnych zasobach energii odnawialnej i innowacyjnych technologiach ich wykorzystania, a zwłaszcza na rzecz rozwoju biogazowi rolniczych i ogólnie rolnictwa energetycznego. Realizacja unijnego pakietu energetyczno-klimatycznego 3×20 ma być platformą, wspomagającą zmiany sposobów funkcjonowania polskich sektorów paliwowo-energetycznych, od charakterystycznych dla społeczeństwa przemysłowego do charakterystycznych dla społeczeństwa wiedzy.

Przeprowadzona szacunkowa ocena wystarczalności zasobów rolnych, którymi dysponuje Polska, do wypełnienia celów obligatoryjnych sformułowanych w unijnym pakiecie energetycznym 3×20, w części dotyczącej udziału energii odnawialnej jest bardzo optymistyczna. Wydajność energetyczna z 1 ha w przypadku kukurydzy to obecnie 5 tys. m³ i 8 tys. m³ biometanu w 2020 roku, czyli odpowiednio 50 MWh i 80 MWh w paliwie pierwotnym (w przypadku buraka cukrowego osiągalna wydajność jest większa o prawie 50%). Długofalowo można rozpatrywać w Polsce wykorzystanie do celów energetycznych nawet 4 do 6 mln hektarów powierzchni. Ponadto 1 hektar przeznaczony pod uprawę kukurydzy wystarcza do pokrycia zapotrzebowania 15 osób (statystycznych) na rynku gazu ziemnego i 10 osób na rynku paliw transportowych. Dla porównania, 1 ha na rynku żywności wystarcza, w przybliżeniu, do pokrycia zapotrzebowania 3 osób. Do tych oszacowań przyjmuje się zastosowanie najefektywniejszej obecnie biotechnologii, mianowicie zgazowania fermentacyjnego roślin energetycznych, ewentualnie z dodatkiem substratów w postaci biomasy odpadowej z produkcji rolnej oraz z przetwórstwa rolno-spożywczego i wykorzystanie biogazu lub biometanu (uzyskiwanego po oczyszczeniu biogazu). Podstawową rośliną energetyczną w tym procesie może być burak cukrowy lub półcukrowy. W Niemczech, które posiada najwięcej w Europie biogazowni rolniczych (ponad 6000), prawie wszystkie pracują w oparciu o dwa podstawowe surowce, czyli kiszonkę z kukurydzy i gnojowicę. Tymczasem koszt wyprodukowania kiszonki z kukurydzy jest stosunkowo wysoki, co pogarsza znacznie ekonomiczną efektywność biogazowni. Stąd pojawia się potrzeba znalezienia alternatywnych surowców dla biogazowni.

W Polsce w ostatnich latach obserwowany jest ciągły wzrost cen energii elektrycznej oraz ciepła, a przewidywania ekspertów w tym zakresie prognozują dalszy taki wzrost, co najmniej do roku 2020. Co więcej, nałożenie przez Unię Europejską limitów emisji CO₂ na poszczególne kraje spowoduje dalszy wzrost cen energii. Ograniczenia te są związane z ratyfikowaniem przez Polskę Protokołu z Kioto. W Polsce, gdzie energia elektryczna uzyskiwana jest w ponad 90% z węgla, wzrost cen energii elektrycznej może być szczególnie drastyczny. Między innymi z tego powodu rząd przyjął w 2009 roku program „Innowacyjna Energetyka. Rolnictwo Energetyczne”, w którym przewiduje się budowę prawie 2700 biogazowni do roku 2020, co oznacza pozyskanie ok. 2 miliardów m³ biogazu. Jednym z założeń tego planu ma być oparcie funkcjonowania biogazowni rolniczych na produktach roślinnych wytwarzanych w gospodarstwach.

Burak na bioetanol

Burak cukrowy jest bardzo dobrym surowcem nie tylko do produkcji cukru. Buraki i pochodne jego przerobu z powodzeniem można wykorzystać do produkcji bioetanolu, biogazu, a także w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym, chemicznym, czy jako dodatek do pasz. W przypadku wykorzystania na bioetanol, nawet przy bardzo przeciętnym plonie wynoszącym 45 t/ha, produkcja etanolu z 1 ha jest znacznie większa niż z innych roślin (tabela 1).

Produkcja bioetanolu wymaga jednak po pierwsze pobudowania odpowiednich, drogich instalacji, a po drugie – cena za buraki musi być na tyle konkurencyjna, aby produkcja bioetanolu była opłacalna (konkurencyjna wobec ceny bioetanolu brazylijskiego z trzciny cukrowej), czyli powinna wynosić poniżej 20 euro/za tonę. Ze względu na ograniczoną w czasie podaż surowca buraczanego instalacje do produkcji bioetanolu były najczęściej przystosowane także do przerobu ziarna zbóż.

Burak na biogaz

Burak cukrowy zebrany z główką jest także doskonałym substratem do produkcji biogazu (tabela 2). Przygotowanie wsadu do fermentora z buraków trwa 3-4-krotnie krócej niż z kukurydzy. Obecnie w większości biogazowni rolniczych oprócz gnojowicy do stabilizacji procesu wytwarzania biogazu powszechnie używa się kiszonki z kukurydzy. Burak cukrowy – korzystniejszy od kukurydzy – nie mógł być wykorzystywany w biogazowniach ze względu na znaczny udział zanieczyszczeń mineralnych oraz brak sprawdzonej metody przechowywania (konserwacji) korzeni. Jeszcze do nie dawna ten problem był nie do pokonania. Jednak intensywne badania naukowe wykazały, że istnieje możliwość wykorzystania do tego celu rękawów foliowych, stosowanych do produkcji kiszonki. W przypadku buraków do napełnia nimi rękawów także wykorzystuje się tzw. prasy silosowe AG BAG. Prasa posiada przenośnik taśmowy i dwa walce dozujące, którymi „prasuje się” buraki w rękawie. Pomaga w tym rama, na którą wywierany jest odpowiednio wyregulowany nacisk przy pomocy hamulca linkowego. Buraki na przenośnik ślimakowy są załadowywane ładowarką lub wprost z przyczepy wywrotki. Wydajność prasy wynosi ok. 80 t/h, a w rękawie o przekroju 3 m i o długości 75 m mieści się ok. 300 t buraków. W szczelnie zamkniętym rękawie buraki są konserwowane kwasami organicznymi i alkoholem.

Usuwanie zanieczyszczeń mineralnych (ziemi, kamieni) z buraków odbywa się wpierw mechanicznie, a następnie podczas płukania korzeni. Firma Holaras oferuje do tego celu cylindryczny ażurowy chwytak montowany na ładowaczu czołowym. Po napełnieniu chwytaka burakami cylinder jest wprawiany w ruch obrotowy, który powoduje usunięcie z korzeni luźnej ziemi i kamieni o średnicy do 30 mm. Następnie ruch obrotowy chwytaka jest kontynuowany w zbiorniku z wodą, po czym korzenie są składowane lub rozdrabniane i przeznaczone na substrat do biogazowni. Zużycie wody wynosi 200 l/h, a wydajność urządzenia ok. 6-7 t/h.

Płuczkę o znacznie większej wydajności, bo wynoszącej 50-70 t/h oferuje koncern KWS SAT AG. Buraki pobierane z pryzmy ładowarką są podawane do kosza przyjęciowego firmy Grimme o pojemności 12-17 t z separatorem. Wstępnie oczyszczone korzenie z ziemi i kamieni trafiają do płuczki. W niej także jest jeszcze możliwość grawitacyjnego oddzielenia kamieni, po czym korzenie są płukane. Maszyna ma 11 m długości i zużywa ok. 1-2 m³ wody na godzinę.

W celu przygotowania substratu korzeni buraka muszą być rozdrobnione. Można do tego celu wykorzystać rozdrabniacz firmy HUNING o wydajności 25 m³/h i zapotrzebowaniu mocy ok. 100 kW lub ROMILL firmy AG BAG, który wyposażony w silnik o mocy 90 kW uzyskuje przepustowość 25 t/h.

W Polsce w ostatnich latach obserwowany jest ciągły wzrost cen energii elektrycznej oraz ciepła, a przewidywania ekspertów w tym zakresie prognozują dalszy taki wzrost, co najmniej do roku 2020. Co więcej, nałożenie przez Unię Europejską limitów emisji CO2 na poszczególne kraje spowoduje dalszy wzrost cen energii. W Polsce, gdzie energia elektryczna uzyskiwana jest w ponad 90% z węgla, wzrost cen energii może być szczególnie drastyczny. Między innymi z tego powodu rząd przyjął w 2009 roku program „Innowacyjna Energetyka. Rolnictwo Energetyczne”, w którym przewiduje pozyskanie ok. 2 miliardów m3 biogazu. Jednym z założeń tego planu ma być oparcie funkcjonowania biogazowni rolniczych na produktach roślinnych wytwarzanych w gospodarstwach.

Reasumując, rysująca się perspektywa silnych nacisków ze strony Unii Europejskiej na kraje członkowskie, w tym na Polskę, w kierunku rozwoju inicjatyw przyczyniających się do zwiększenia udziału energii ze źródeł odnawialnych w bilansie energetycznym, w znaczącym stopniu przyczynia się do dynamicznego rozwoju tego sektora energii oraz budzi konieczność poszukiwania nowych surowców do produkcji biogazu czy bioetanolu.

Burak cukrowy jest rośliną podatną na proces fermentacji i z ekonomicznego punktu widzenia może w przyszłości wypełnić braki surowcowe do produkcji energii odnawianej. Nowy produkt (surowiec) w postaci buraka energetycznego zwiększy konkurencyjność w pozyskiwaniu substratów na cele biogazowe i w dużym stopniu przyczyni się do zwiększenia dochodowości biogazowni. Po drugie – zwiększenie areału uprawy buraka cukrowego przyczyni się poprawy sprawności gleb i plonowania roślin następczych w płodozmianie. Najważniejszą jednak zaletą zastosowania buraka cukrowego na cele energetyczne będzie zwiększenie udziału energii odnawialnej w całkowitym bilansie energii naszego kraju oraz wzrost pewności i niezawodności dostaw energii, a co za tym idzie wzrost niezależności energetycznej Polski.

dr hab. Jacek Przybył, mgr inż. Natalia Mioduszewska – Instytut Inżynierii Rolniczej – Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu