Fenntartható agrárium megújulóenergia-alapú megoldások

Átírás

1 Fenntartható agrárium megújulóenergia-alapú megoldások Prof. Dr. Simon László NYÍREGYHÁZI EGYETEM, MŰSZAKI ÉS AGRÁRTUDOMÁNYI INTÉZET Agrártudományi és Környezetgazdálkodási Intézeti Tanszék Új utakon az agrárszektor Kutatási eredmények, fejlesztési források, innováció és termelékenység november 6., Nyíregyházi Egyetem

2 Napjaink környezetvédelmi problémái a szén-dioxid koncentrációja 40%-kal nőtt meg a levegőben 150 év alatt 400 ppm! klímaváltozás! vékonyodik az ózonpajzs (UV sugárzás) energia- és nyersanyag-készletek apadása 2 milliárd lakást kell fűteni, hűteni; azokban főzni, mosni, mosogatni, tisztálkodni, milliárd, 2020 már 2 milliárd gépkocsit kell megtölteni üzemanyaggal a Föld népessége (7,45 milliárd fő, naponta ezer fővel több) és az ipari termelés folyamatosan nő, urbanizáció élelmiszer-ellátás! csökken az erdők, termőtalajok területe, vízhiány, sivatagosodás, levegő-, talaj- és vízszennyezés Forrás:

3 Fosszilis energiaforrás vagy megújuló energiaforrás? 3

4 A megújuló energiaforrások Napenergia naperőmű, napkollektor, napelem Vízienergia vízierőmű, árapály energia, hullám energia Szélenergia Biomassza kimeríthető megújuló energiaforrás Geotermikus energia szilárd tüzelőanyag, biodízel, bioetanol, biogáz

5 A világ eddigi és várható energiafelhasználása optimista előrejelzés. Forrás:Tóth J. (2012)

6 Megújuló energiaforrások az agráriumban Gépi vonóerő, sokkal hatékonyabb termelés hatalmas ásványolaj felhasználás. Az erőgépek előtti időkben egy gazdaságban, majorban vagy egy portán szinte mindent hasznosítottak, pl. melléktermékként a hulladék gyakorlatilag ismeretlen fogalom volt ökológiai egyensúly, anyag- és energiaáram felborulása! Mezőgazdasági termelés nagy energiaszükséglete külföldi piacoktól való függőség energiaárak növekedése energiafüggőségünk csökkentése létérdekünk versenyképesség! Megújuló energiaforrások geotermikus energia, napenergia, biomassza terén kedvező lehetőségeink vannak a régión belül. A településeket, kistérségeket ellátó, kis- és közepes erőművek telepítésére alkalmasak lehetnek a mezőgazdasági telephelyek, amelyek közül sok kihasználatlan. Egy adott telephelyen a kombinált energiahasznosítás alkalmazása lehet a legcélszerűbb lehetőleg az összes helyben elérhető alternatív energiaforrás kiaknázása, és bevonása a hő és/vagy villamos energia-termelésbe. (Az állattartás és növénytermesztés során keletkező másodlagos nyersanyagok, melléktermékek, energianövények, az épületek kihasználatlan tetőfelületein a napenergia hasznosítása, valamint szél- és geotermikus energia-termelés).

7 Napenergia a mezőgazdaságban Elsősorban a helyi energiaellátás biztosítására lakóépületek, középületek, kisebb gazdasági egységek energiaellátására, illetve annak kiegészítésére. A mezőgazdasági telephelyek általában a településeken kívül, nyílt, szabad besugárzású területeken fekszenek, vagyis a működési feltételeket csak a borultság befolyásolja. Az épületek nagy napelem és napkollektor telepítésére alkalmas tetőfelületekkel, a telephelyek szabad területtel rendelkeznek. A kiemelten a nagy tetőfelületekkel rendelkező állattartó telepek melléküzemágként, kiegészítő tevékenységként a fel nem használt energia eladásából plusz jövedelemre tehetnek szert. Előnye a mezőgazdasági termelést és árbevételt nem befolyásolja a fosszilis energiahordozók ára, nem érintik az esetleges ellátási zavarok. Az éves napfénytartam sokéves átlaga (óra) Napelemek mezőgazdasági telephelyen Forrás: Forrás: Beruházási költsége viszonylag nagy, a megtérülési idő közép, illetve hosszú távú, az alternatív energiahordozók között ár tekintetében a középmezőnyben helyezkedik el.

8 Szélenergia a mezőgazdaságban A mezőgazdaság több területén is segítheti a termelési folyamatot költségcsökkentő tényező. A szélenergia hasznosítása hazánkban szélmotorok: a szél energiáját vízhúzásra (szivattyúk hajtására) használjuk szélgenerátorok: elektromos áramot termelnek. 10 m felszín feletti magasságra modellezett rendelkezésre álló szélteljesítmény-mező Forrás: rgiaforrasok/ch04s03.html Magyarországon a vízhúzó szélkerekek az egész ország területén gazdaságosan üzemeltethetők, ill. a kis- és közepes méretű szélgenerátorok üzembe állításának van realitása. A mezőgazdasági telephelyekre telepítése nem vesz el értékes termőterületeket, közvetlenül a fogyasztóra települ, lehetőséget ad a villamos energia kereskedelemre, növelve ezzel a bevételt. Felhasználásának tervezésekor figyelembe kell venni a helyi terepviszonyokat, az átlagos szélsebességet, a nem produktív időszakok gyakoriságát.

9 Geotermikus energia a mezőgazdaságban A földhő vagy geotermikus energia alapja a szilárd talaj felszíne alatt, a felszíni vizekben elsősorban termálvizekben, valamint a levegőben hőként tárolt energia. A magyar geotermikus gradiens közel másfélszerese a világátlagnak! Az évi csaknem 2 millió tonnányi, milliárd forint értékben termesztett zöldség kb %-át jelenleg is a hozzávetőleg hektárnyi üvegház és fóliasátor alatt állítják elő geotermikus energiával fűtött termálkertészetek több tízezer új munkahely az üvegházi zöldségtermesztéssel. Ezt az energiahordozót nem kell importálni, az ellátás nem fog politikai érdekek miatt akadozni vagy megszűnni. Az előzetes becslések szerint az elkövetkezendő másfél évtized alatt a jelenlegi bázishoz viszonyítva akár háromszorosára is nőhet a geotermikus energia fűtési célú Geotermikus gradiens hasznosítása. Forrás:

10 Biomassza a mezőgazdaságban A biomassza biológiai eredetű szervesanyag-tömeg, a szárazföldön és a vízben található élő és nemrég elhalt szervezetek (növények, állatok, mikroorganizmusok) testtömege, emberek, állatok, feldolgozóiparok összes biológiai eredetű terméke, hulladéka, mellékterméke. A biomassza elsődleges forrása a növények asszimilációs tevékenysége (átlagosan 1%-os hatásfok). A biomassza hasznosításának fő irányai: élelmiszertermelés, takarmányozás, agráripari termékek alapanyag-gyártása, energetikai hasznosítás. A világ negyedik legelterjedtebb energiaforrása a szén, a kőolaj és a földgáz után a biomassza. Világátlagban a biomassza fedezi a felhasznált energia 10%-át. 10

11 MAGYARORSZÁG ENERGETIKAI AGRÁRPOTENCIÁLJA Az ország területén éves szinten termelődő biomassza mennyisége millió tonna, melynek energiatartalma közel PJ/év (Gyulai, 2009) Jelenlegi energiafelhasználásunk 28%-a biomasszából fedezhető lenne. Magyarország elérhető elméleti bioenergia-potenciálja Bioenergia típus Alapanyag mennyiség Energia (PJ) (tonna) Bioetanol Biodízel Biogáz Tüzelhető biomassza Összesen Forrás: Tóth J (2012)

12 Forrás: Tóth J. (2012)

13 Forrás: Tóth J. (2012)

14 A Biomassza Termékpálya Szövetség által javasolt alapelvek a biomassza hasznosítására: A mezőgazdaság alapvető feladata az élelmiszer-előállítás, tehát csak azt a területet szabad energetikai célra használni, amely a szükséges és eladható élelmiszer-mennyiség előállításához nélkülözhető. A mező- és erdőgazdaság melléktermékeit olyan mértékben célszerű energetikai célra felhasználni, amely a talajerő utánpótlását nem veszélyezteti. A keletkező melléktermékeket és hulladékokat viszont lehetőség szerint használjuk fel. A biomasszát, tekintettel annak alacsony energiasűrűségére elsődlegesen helyben, vagy a lehető legkisebb szállítás mellett használjuk fel. A rendelkezésre álló biomasszát úgy használjuk fel, hogy a benne lévő (input) energia legnagyobb hányada hasznosuljon ( Forrás: Tóth J. (2012)

15 Forrás: Ligetvári F. & Tóth J. (2017) 15

16 VAN-E ELEGENDŐ TERÜLETÜNK? Az energetikai ültetvények mezőgazdasági hasznosításból kivont területeken jönnek létre ott, ahol a talajadottságok, és a termőhelyi körülmények nem teszik lehetővé a hatékony mezőgazdálkodást országosan ezer hektár szántóterület nem alkalmas hagyományos élelmiszer vagy takarmány célú növénytermesztésre. Ma mintegy hektárra tehető az a nem használt, de mezőgazdasági művelésre még alkalmas terület, amelyen indokolt lehet célzottan energianövényeket telepíteni helyben keletkező szennyvízzel való öntözés hulladékkezelési feladatot megoldása jól hasznosítható energiahordozót nyerhetünk hatékony foglalkoztatási lehetőséget is teremthetünk. Sz-Sz-B megyében 2012-ben az ország összes bevetetlen szántóterületének egyharmada ( ha) Szabolcs-Szatmár-Bereg megyében volt, hektár volt tartósan pihentetett (Kondor, 2014) hektár energiaültetvény Sz-Sz-B megyében csak 141 hektár 5867 ha fás szárú (nyár, fűz, akác) 1156 ha lágy szárú (energiafű, kínai nád) átlagos táblaméret csak 4-5 hektár. 16

17 A Szamos-Kraszna-közi árapasztó (Kondor, 2014) 5100 hektár összterület 2000 hektáros energiafűz termesztési potenciál 1300 hektár energiafűz telepítése javasolt (Kondor, 2014) Szabolcs-Szatmár-Bereg megyében a Tisza hullámtere hektár itt is lehetne energianövényeket termeszteni!

18 Biomassza A mezőgazdasági eredetű energiaforrásokat a következő módon osztályozzuk: szilárd biomassza (hőtermelésre alkalmas tüzelőanyag), folyékony bioüzemanyagok (biodízel, bioetanol), biogáz (metán+szén-dioxid). Az energetikai alapanyag-termesztés területei: biodízel előállításához olajos magvú növények (napraforgó, repce, stb.). bioetanol előállításához alkalmas növények (árpa, búza, kukorica, stb.). fás szárú, különböző vágásfordulójú ültetvények telepítése (akác, éger, fűz, nemes nyár, stb.) 45/2007. (VI. 11.) FVM rendelet lágy szárú növények szántóföldi termesztése (energiafű, nád-félék, energiamályva 71/2007.(VII.27.) FVM rendelet). Az energiatermelésre létrehozott kultúrákat energiaültetvényeknek nevezzük. Ezek lehetnek fás szárú és lágyszárú energianövények kultúrái. 18

19 ENERGETIKAI FAÜLTETVÉNYEK 1. Újratelepítéses energetikai faültetvények gyorsan növő faj monokultúrája nagy egyedsűrűség éves vágásforduló betakarítás faapríték talaj-előkészítés erdő újratelepítése. Évente 8-15 t/ha élőnedves hozam, GJ/ha/év energiatartalom. Drága a szaporítóanyag és talaj-előkészítés. 2. Sarjaztatásos energetikai faültetvények telepítés tő/ha 2-5 évenként betakarítás 5-7 periódus rövid vágásforduló vékony sarj járva aprítás hozam: t/ha/év energiahozam: GJ/ha/év. Telepítési költség nagy, sorközápolás, (mű)trágyázás.

20 ENERGETIKAI FAÜLTETVÉNYEK ELŐNYEI: sok faj, sok termőhely jöhet számításba, akár elárasztott területeken is lehet energianövényeket nevelni, egy telepítés, több betakarítás, az energetikai faültetvény élettartama nagyjából megegyezik a fűtőmű élettartamával (kb. 25 év), nagy energiahozam elégetéskor kis hamutartalom, kis kén-dioxid kibocsájtás. 20

21 ENERGETIKAI FAÜLTETVÉNYEK ELŐNYEI betakarításkor nagy az anyag- és energiakoncentráció mezőgazdasági holtidényben is be lehet takarítani, a betakarítás elhalasztása nem okozza a termés elvesztését Fűzapríték Energiafűz betakarítása 21

22 SZAKOLY - BIOMASSZA FŰTÉSŰ ERŐMŰ (20 MW napi 30 kamion fára van szükség 7000 ha rövid vágásfordulójú ültetvény lenne szükséges)

23 0,5-2 MW-os falu-fűtőművek, biomassza kazánok, aprítéktüzelésű kazánok Tiszasas biomassza (faapríték+ nyesedék + olasznád) hasznosítás energetikai célra 88%-os földgáz megtakarítás (Gyói, 2014) Papos óvoda, Rozsály általános iskola, Nyírbogát 23 önkormányzati konyha fűtése biomasszával

24 A zöld gazdaságfejlesztési program végrehajtásával új munkahely teremthető! Energiafűz betakarítás közhasznú munkásokkal (Nagypáli, Zala megye) ( itas/) 24

25 ENERGIAFŰZ Salix fajok kosárfonó fűz (évelő fás szárú energia-növény) tonna/ha szárazanyag-hozam évente rövid 2-3 éves vágásforduló MJ/kg égéshő 2015: 707 hektár

26 KÍSÉRLETEINK ENERGETIKAI CÉLRA TERMESZTETT FŰZZEL ( )

27 Energianövények ásványi táplálkozása Nyár, fűz, akác, kínai nád, olasznád, amerikai bársonymályva sp. termesztése az energetikai ültetvény éves élettartama alatt ásványi táplálkozásuk hosszú távon nem kellően ismert talajerő-pótlás 2-3 évente a betakarítás után biomassza hozamuk szervetlen és szerves trágyákkal, talajadalékokkal, biohulladékokkal serkenthető? tápanyag-felvétel? toxikuselem-felvétel? NO x SO 2 emisszió? hamu visszajuttatása a talajba?

28 Salix triandra x Salix viminalis cv. Inger KEZELÉSEK: április 10 kezeléses, 4 ismétléses, véletlen-blokk elrendezésű 40 kisparcellás tartamkísérlet beállítása 3800 m 2 - en Fejtrágyák kijuttatása: ammónium-nitrát ( ) karbamid (2014, 2015) kénes karbamid (2016) Talajadalékok kijuttatása: máj., máj., ápr. Vesszők betakarítása: január, január

29 Tápanyag-pótlás nitrogén műtrágyák, biohulladékok, ásványi anyagok talajba juttatása ENERGIANÖVÉNYEK HOZAMÁNAK SERKENTÉSE Települési biokomposzt Műtrágyák Települési szennyvíziszap komposzt Riolittufa Biohamu

30 Vesszőhozam mérése (2013 január, 2016 január-február)

31 Vesszőmintázás, vesszőanalízis (2013 január, 2016 február) makroelemek (N, P, K, Ca, Mg, S) esszenciális mikroelemek (Fe, Cu, Mn, Zn) toxikus elemek (As, Ba, Cd, Pb)

32 KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK Vesszőhozam

33 Különféle talajkezelések hatása az energiafűz nedves vesszőhozamára (szabadföldi kísérlet, Nyíregyháza, 2013 január). Variancia-analízis. Tukey-féle b-teszt. A különböző betűindexet kapott értékek szignifikánsan (P<0,05) különböznek egymástól.

34 Különféle talajkezelések hatása az energiafűz nedves vesszőhozamára (szabadföldi kísérlet, Nyíregyháza, 2016 február). Variancia-analízis. Tukey-féle b-teszt. A különböző betűindexet kapott értékek szignifikánsan (P<0,05) különböznek egymástól

35 KÖVETKEZTÉSEK Az évente kijuttatott nitrogén fejtrágyák mellett elsősorban a tápelemekben gazdag biohulladékok (települési biokomposzt, szennyvíziszap komposzt) növelték meg szignifikánsan a betakarított biomassza mennyiségét. A kezelt kultúrák levelében és vesszeiben kissé csökkent a makroelemek (P,K, Ca, Mg, S) koncentrációja (kén esetében ez előnyös jelenség kisebb SO 2 emisszió az égetéskor). A talajkezelések nem változtatták meg a fűzlevelek és a betakarított szálvesszők toxikuselem (As, Ba, Cd, Pb) - felvételét biohamu visszaforgatható a talajba. Műtrágyák mellett szerves hulladékokkal, melléktermékkel, ásványi anyagokkal is növelhető az energiafűz hozama!

36 FELHASZNÁLT ÉS AJÁNLOTT IRODALOM Biomassza Termékpálya Szövetség honlapja ( Czékus M. (2013): Megújuló energiaforrások az agráriumban. Agrárágazat március. ( Kondor A. (2014): A földhasználat átalakításának lehetősége az energiafűz (Salix viminalis L.) termesztésbe vonásával Szabolcs-Szatmár-Bereg megyében. PhD értekezés. Debreceni Egyetem Kerpely Kálmán Doktori Iskola Ligetvári F., Tóth J. (2017): Biomassza: páratlan lehetőség, vagy csak ígéret? Zöld Ipar Magazin. VII. évf., 2017 október: old. Pappné Vancsó J. (2010): Biomassza, mint energiaforrás hasznosítási lehetőségei, különös tekintettel Magyarországra. PhD értekezés. ELTE Földtudományi Doktori Iskola, Budapest Simon L., Vincze Gy., Uri Zs., Irinyiné Oláh K., Vígh Sz., Makádi M., Aranyos T., Zsombik L. (2016): Energiafűzzel (Salix sp.) beállított tápanyag-utánpótlási szabadföldi tartamkísérlet első 5 évének tapasztalatai. Növénytermelés 65(2): Simon L. (2017): Az olasznád (Arundo donax L.) termesztése és hasznosítása. Növénytermelés 66: Tóth J. (2012): Mezőgazdasági melléktermékek és energianövények a megújuló energiák között. Biomassza Termékpálya Szövetség. ( Tóth J. (2012): A biomasszák hasznosítási lehetőségei. Biomassza Termékpálya Szövetség.

37 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Munkatársaimnak: Irinyiné Oláh Katalin, Uri Zsuzsanna, Vígh Szabolcs, Vincze György, és a kutatómunkánkba bekapcsolódott hallgatóinknak. Köszönjük a Nitrogénművek Vegyipari Zrt. (Pétfürdő) anyagi támogatását. Köszönöm szépen a figyelmet!